2GSNChemie

Kursusfürdie12.Klasse

Edition2017

Vorwort

AndieBenutzer:

DiefolgendenHTML-SeitenorientierensichengamoffiziellenChemie-Programmder2GSN.SiestelleneineZusammenfassungderverschiedenenKapiteldarundkönnenundwollendahernichtsovollständigseinwiedasoffizielleLehrbuch.TeilweiseweichtdieVorgehensweiseauchvonderdesoffiziellenLehrbuchesab.ZurDarstellungvon3D-StrukturenwurdeJmolbenutzt.SchematasindmitInkscapeerstelltworden.

MarcelSchaeffer

2GSNChemie

Inhaltsverzeichnis

AndieBenutzer

I.Wiederholungen1.IonengleichungenundLösungsgleichungena.Ionenbindung:GenerellerAufbauvonSalzen,AuflösenvonSalzeninWasserb.Elektronenpaarbindung:GenerellerAufbauvonMolekülenc.GlobaleGleichungenundIonengleichungen2.Masse-,Volumen-undKonzentrationsberechnungen3.StöchiometrischeBerechnungen

II.Elektrochemie1.ErkennenvonRedoxreaktionen2.AufstellenvonRedoxsystemeninsaurerundinalkalischerLösung3.DisproportionierungundSymproportionierunga.Disproportionierungb.Symproportionierung

III.Atombau1.Atommodellea.Demokritb.Daltonc.Thomsond.Rutherford-Chadwicke.Bohr2.KlassicheMechanikundQuantenmechanika.NaturdesLichts(i)DasLichtalsWelle(ii)DasLichtalsTeilchen(iii)Schlussfolgerungb.NaturderElektronen(i)ElektronenalsTeilchen(ii)ElektronenalsWellen(iii)Schlussfolgerung3.DasOrbitalmodella.DievierQuantenzahlen(n,l,munds)undihreBedeutungb.EinigeOrbitaledesWasserstoffatomsc.ElektronenkonfigurationderElemented.OrbitaleundPSEe.DarstellungderOrbitale(i)ImGrundzustand(ii)ImangeregtenZustand(iii)OrbitalevonMolekülen

IV.Kinetik1.SchnelleundlangsameReaktionen2.BestimmungderGeschwindigkeiteinerReaktion3.Mittlere(MRG)undaugenblicklicheReaktionsgeschwindigkeit(ARG)4.EinflüsseaufdieReaktionsgeschwindigkeita.ExperimentelleErmittelungb.TheoretischeErmittelung(i)Phasengrenze(ii)StoffmengenkonzentrationcA.ElementarreaktionenB.ExperimentelleBestimmungdesGeschwindigkeitsgesetzes(1)MethodederAnfangsgeschwindigkeiten(2)MethodederFunktionen(3)Halbwertszeit(iii)TemperaturθA.AktivierungsenergieEAundentsprechendeGeschwindigkeitvAB.Maxwell-BoltzmannVerteilung(iv)Katalyse

V.ChemischesGleichgewicht1.VollständigeReaktion2.UnvollständigeReaktion3.PrinzipdeskleinstenZwanges(LeChâtelier)a.VeränderungenderTemperaturb.VeränderungenderStoffmengenkonzentrationc.VeränderungendesVolumens(oderdesDruckes)beikonstanterTemperaturd.PrinzipdeskleinstenZwanges(LeChâtelier)e.Aufgaben4.Massenwirkungsgesetz(MWG)a.Gleichgewichtspunktb.Verallgemeinerungc.Aufgaben5.GleichgewichteanPhasengrenzflächena.FlüssigkeitundentsprechenderDampfb.GesättigteLösung(i)LöslichkeitsproduktKL(gesättigteLösungen)(ii)Ionenprodukt

VI.ChemischeReaktionundEnergie1.ReaktionsenergieundReaktionsenthalpiea.ExothermeundendothermeReaktionenb.SystemundUmgebungc.Standardenthalpied.BerechnungenzuEnthalpieänderungene.Aufgaben2.SpezifischeWärmekapazität3.EnthalpieänderungenbeiAggregatzuständen4.Verbrennungswärmen5.SatzvonHess6.MolareBildungsenthalpienfürIonen7.EnthalpieundspontanerAblaufvonchemischenReaktionen8.DieEntropieSeinesSystems9.FreieEnthalpieΔG:BestimmungobeinechemischeReaktionspontanverläuft10.Aufgaben

VII.Säure-Base-Reaktionen1.Protonenübergängea.Säure-Base-DefinitionnachBrönstedb.Protolysenc.Säure-Base-Paared.Ampholyte2.AutoprotolysedesWassersundpH-Werta.DasIonenproduktdesWassersb.pH-Wert3.BerechnungdespH-WertesvonstarkenSäurenundstarkenBasena.StarkeSäurenb.StarkeBasen

VIII.OrganischeChemie1.NomenklaturderAlkoholeundderHalogenalkanea.DiehomologeReihederAlkanoleb.BenennungderAlkoholec.Aufgaben2.Additionsreaktionena.EinetypischeReaktionderAlkeneb.AdditionaufsymmetrischeAlkenec.AdditionaufunsymmetrischeAlkened.Aufgabe3.Eliminierungsreaktionena.BeispielevonEliminierungsreaktionenb.Aufgabe

4.Substitutionsreaktionena.HalogenierungvonAlkanenb.HalogenierungvonAlkoholenc.Aufgaben

1

I.Wiederholungen

1.IonengleichungenundLösungsgleichungen

a.Ionenbindung:GenerellerAufbauvonSalzen,AuflösenvonSalzeninWasserSalze bestehen aus Kationen (positiv geladenen Teilchen) und Anionen (negativ geladene Teilchen),welchedurchelektrostatischeAnziehungskräfteangezogenwerden(Ionenbindung,dieBildungderIonenerfolgtdurchElektronenaustausch).BeimAuflösenvonSalzen (Feststoffe)werdendieKationenundAnionen freigesetztundkönnensich inderwässerigenLösungfreibewegen.AllgemeinkannmandenLösungsvorgangwiefolgtdarstellen:(Mn+)a(NMm-)b(s) aMn+(aq)+bNMm-(aq)dabeigilt:a·n+b·(-m)=0

Mn+: Metall-IonoderAmmoniumgruppeNH4+

NMm-: Nichtmetall-IonoderAtomgruppe

AufgabeAuswelchenIonensindfolgendeSalzeaufgebaut?Gib jeweils eine Gleichung an, welche das Auflösen des Salzes in Wasser beschreibt (gib auch dieAggregatzuständean).GibdanndieNamenderIonenan.(a)Aluminiumchlorid

(b)Lithiumsulfid

(c)Natriumsulfit

(d)Kaliumhydrogensulfat

(e)Ammoniumnitrat

(f)Natriumhydrogenphosphat

(g)KaliumdichromatK2Cr2O7

2

b.Elektronenpaarbindung:GenerellerAufbauvonMolekülen

MolekülebestehennurausNichtmetallatomen(Elektronenpaarbindung,dieBindungzwischendenAtomenerfolgtdurchZusammenlegenvonEinzelelektronenzuElektronenpaaren).AllgemeinkannmandieZusammensetzungwiefolgtdarstellen:NM1aNM2b...NMinNM1,NM2,...NMi:NichtmetalloderAtomgruppeWirbeschränkenunsaufMolekülevomTypNM1aNM2b

EinigeMolekülarten(zumBeispielSäuren,aberaucheinigeBasenwieAmmoniak)reagierenmitWasser.BeidieserReaktionwerdenIonengebildet.Beispiel:SalzsäureHCl+H2O→H3O++Cl-

AufgabeGibjeweilseineodermehrereGleichungenan,welchedasschrittweiseAuflösendesMolekülsinWasserbeschreibt.GibdanndieNamenderIonenan.(a)Salpetersäure

(b)Ammoniak

(c)Schwefelsäure

(d)Schwefelwasserstoff

(e)Phosphorsäure

3

c.GlobaleGleichungen

Bei einer globalen Gleichung gibt man die Summe der chemischen Formeln der Edukte links und dieSummederchemischenFormelnderProdukterechtsvomReaktionspfeilan.FolgendeReaktionsartenmussmankennen,aufstellenundeinrichtenkönnen:•Neutralisationsreaktion:

Säure + Base → Salz + WasserBeispiel: 2HCl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2H2O•ReaktioneinerSäuremiteinemunedlenMetall:

Säure + unedlesMetall → Salz + WasserstoffBeispiel: 2HCl + Mg → MgCl2 + H2•ReaktioneinerSäuremiteinemMetalloxid:

Säure + Metalloxid → Salz + WasserBeispiel: 2HCl + CaO → CaCl2 + H2O•ReaktioneinerSäuremiteinemCarbonat:

Säure + Carbonat → Salz + Wasser + KohlenstoffdioxidBeispiel: 2HCl + CaCO3 → CaCl2 + H2O + CO2

AufgabeGibjeweilsdieglobaleGleichungan:(1)SalpetersäureundCalcium

(2)SchwefelsäureundNatriumcarbonat

(3)PhosphorsäureundMagnesiumoxid

(4)KalkwasserundPhosphorigeSäure

(5)LithiumcarbonatundPhosphorsäure

(6)SchwefelsäureundAluminiumhydroxid

4

Für die Neutralisationsreaktion und der Reaktion einer Säure mit einem unedlen Metall muss manzusätzlichdieIonengleichungunddievereinfachteIonengleichungaufstellenkönnen.

AufgabeGibjeweilsdieG.G:,dieIG.unddieV.IG.mitdenAggregatzuständenan(1)SalpetersäureundKalkwasser

(2)SalzsäureundAluminium

(3)SchwefelsäureundEisen

(4)KalkwasserundPhosphorsäure

5

2.Masse-,Volumen-undKonzentrationsberechnungenDie chemischen Grössen wie molare Masse M, molares Volumen VM, Stoffmenge n,StoffmengenkonzentrationcunddieTeilchenanzahlNmussmankennenundanwendenkönnen.

Aufgabe(a)BerechnediemolareMassevonAmmoniumsulfat

(b)BerechnedieStoffmengevon13,06gNatriumhydrogencarbonat

(c)BerechnedasVolumenvon21,345gAmmoniakunterStandardbedingungen

(d)BerechnedieMassevon2,56·1025Wassermolekülen

(e)BerechnedieMasseinmgvonCalciumhydroxidin250mleines4,5·10-5molarenKalkwassers

(f) Berechne die Stoffmengenkonzentration von 125 mL einer wässrigen Lösung welche 369 mgNatriumhydrogenphosphatenthält

(g)BerechnedieAnzahlMolekülesowiedieAnzahlAtomein5,175mgEthanol(C2H5OH)

6

3.StöchiometrischeBerechnungenFür stöchiometrische Berechnungen soll die Methode der sechs Schritte (welche als bekanntvorausgesetztwird)benutztwerden.(a)WievielgMagnesiumsindnotwendigumbeiderReaktionvonPhosphorsäuremitMagnesium17,5LWasserstoffbei20°Cherzustellen?WelcheMasseinganSalzentstehtbeidieserReaktion?

7

(b)EinKalkwasser(50mL)wirdmit0,0025MSalpetersäuretitriert.NachZugabevon6,8mListderÄquivalenzpunkterreicht.WelcheMasseinmganSalzentstehenbeidieserReaktion?WelcheMasseinganBasesindin32,6mLKalkwasserenthalten?

8

II.Elektrochemie

1.ErkennenvonRedoxreaktionen

WenndieOxidationszahleneinesodermehrererElementewährendeinerReaktionändern,dannhandeltessichumeineRedoxreaktion.

AufgabeStellefolgendeGleichungenauf,richteein,giballeOxidationszahlenanundbegründeobessichumeineRedoxreaktionhandelt.(a)AmmoniumnitratreagiertmitKalkwasserzuAmmoniak,einemSalzundWasser.

(b)StickstoffdioxidreagiertAmmoniakzuStickstoffundWasser.

2.AufstellenvonRedoxsystemeninsaurerundinalkalischerLösung.Beispiel:Bei der Reaktion von Kaliumdichromat K2Cr2O7 mit Eisen(II)-sulfat in saurer Lösung entstehen unteranderemEisen(III)-undChrom(III)-Ionen.In wässeriger Lösung bildet Kaliumdichromat K+- und Cr2O72--Ionen. Eisen(II)-sulfat bildet Fe2+- undSO42--Ionen.Zuerst muss manmögliche Redoxpaare zusammenstellen, die Kalium- und die Sulfat-Ionen kannmanunbesorgtignorieren,dennsiewerdenaufderSeitederProduktenichterwähnt,essindZuschauer-IonenwelchevorundnachderReaktionzwarvorhandensind,aberanderRedoxreaktionnichtaktivteilnehmen.FolglichfindenbeidieserReaktionzweiTeilgleichungenab:(1)Cr2O72--IonenreagierenzuChrom(III)-Ionenund(2)Eisen(II)-IonenreagierenzuEisen(III)-Ionen

AufstellenderTeilgleichungen:(1)Teilgleichung:Cr2O72--IonenreagierenzuChrom(III)-Ionen:VI III

Cr2O72- reagiertzu Cr3+

Cr2O72- reagiertzu 2Cr3+

Cr2O72-+6e- reagiertzu 2Cr3+

Cr2O72-+6e-+14H3O+ reagiertzu 2Cr3+

Cr2O72-+6e-+14H3O+ ⇌ 2Cr3++21H2O

1.Oxidationszahlenfestlegen2.AtomemitverschiedenenOZausgleichen3.AnzahlElektronenhinzufügen(n·|ΔOZ|,aufderSeitewoOZamgrößten)4.Ladungenausgleichen:insaurerLösungmitH3O+(H+(aq)),inalkalischerLösungmitOH-

5.SauerstoffatomemitH2Oausgleichen

9

(2)Teilgleichung:Fe(II)-IonenreagierenzuFe(III)-Ionen:II III

Fe2+ reagiertzu Fe3+

Fe2+ ⇌ Fe3++e-

1.Oxidationszahlenfestlegen3.AnzahlElektronenhinzufügen(n·|ΔOZ|,aufderSeitewoOZamgrößten)DieSchritte2,4und5werdenhiernichtbenötigt!

AufstellendesRedoxsystems:II III ΔOxZ>0

Fe2+ ⇌ Fe3++e- |·6 e--Abgabe OxidationVI III ΔOxZ<0

Cr2O72-+6e-+14H3O+ ⇌ 2Cr3++21H2O e--Aufnahme Reduktion

6Fe2++Cr2O72-+14H3O+ → 6Fe3++2Cr3++21H2O e--Austausch Redoxreaktion

3.DisproportionierungundSymproportionierunga.DisproportionierungDasEduktistsowohlOxidations-wieauchReduktionsmittel.Beispiel: Stelle das Redoxsystem von Chlor zu Natriumchlorid und Natriumhypochlorid (NaClO) inalkalischerLösungauf.

b.SymproportionierungDasOxidationsproduktistgleichdemReduktionsprodukt.Beispiel:StelledasRedoxsystemvonAmmoniumchloridundNatriumnitrit zuStickstoff insaurerLösungauf.

10

III.Atombau

1.Atommodelle

ImLaufederZeithabendieAtommodelle immerwiedergeändertumneuenErkentnissenRechnungzutragen.

a.Demokrit(4.Jahrhundertv.Chr.)undLeukippDemokrit (griechischerPhilosoph,Schüler vonLeukipp)warderAnsicht, dassdieMaterieauskleinstesTeilchen aufgebaut ist, die nicht weiter zerteilbar sind: den Atomen (von "atomos" = griechisch fürunteilbar). Nach Demokrit unterscheiden sich dieAtome durch ihre Gestalt und ihre Grösse. Demokritführte aber keine Versuche durch (im Gegensatz zu Naturwissenschaftlern) um die Richtigkeit seinerBehauptungzubelegen.

b.JohnDalton(1808)DaltongriffdieIdeevonDemokritwiederaufundvervollständigtesie(AtommodellnachDalton).

• DieAtomesinddiekleinstenBausteinederStoffe.• DieAtomesindkugelförmig,unveränderlichundunteilbar• JedeschemischeElementbestehtauseinerbestimmtenAtomart.

• DieAtomedereinzelnenAtomartenunterscheidensichdurchihreGrößeundihreMasse.

• BeichemischenReaktionenkommteszueinerUmgruppierungvonAtomen.

Mit diesemAtommodell konnte JohnDalton dasGesetz von derErhaltung derMasse erklären und dieZusammensetzung von Verbindungen (Salzen und Molekülen) ausAtomen aus experimentellen Datendeuten.

c.JosephJohnThomson(1897)ThomsonkonnteinVersuchennegativgeladeneTeilchen,dieElektronen,nachweisen.DadieseausdenAtomenherausgelöstwerdenkonnten,musstensieBestandteiledesAtomssein.DaltonsAtommodellistunzureichend,umdieseBeobachtungzuerklären.ThomsonstelltefolgendesAtommodellvorumdiesenErkenntnissenRechnungzutragen:

AtomesindpositivgeladeneKugeln,indenendieElektroneneingelagertsind.DasAtomistneutraldadiepositiveLadunggleichderAnzahlElektronenist.NeutraleAtomekönnenElektronenabgeben,dannerhaltensieglobaleinepositiveLadung.NeutraleAtomekönnenElektronenaufnehmen,dannerhaltensieglobaleinenegativeLadung.

Bei der Untersuchung der Radioaktivität stellte man fest, dass Atome auch positiv geladene Teilchenenthaltenmüssen.EinleichtgeändertesThomson-ModellkannauchdieserErkenntnisRechnungtragen:

AtomesindneutraleKugeln,dadieAnzahlElektronengleichderAnzahlpositivgeladenerTeilchenist.NeutraleAtomekönnenElektronenabgeben,dannerhaltensieglobaleinepositiveLadung.NeutraleAtomekönnenElektronenaufnehmen,dannerhaltensieglobaleinenegativeLadung.AtomekönnenpositivgeladeneTeilchenabgeben.

11

d.DasAtommodellnachRutherford-ChadwickAlsRutherfordeinedünneGoldfoliemitmit α-Teilchen (positiv geladenenTeilchen) beschoss, stellte erfest,dassdiemeistenα-TeilchendieGoldfolie(>99,99%)einfachdurchdrangen,nurvereinzelte,wenigeα-Teilchenwurdenabgelenkt.DurchdieseneuenErkenntnissenkonntedasAtommodelweiterverfeinertwerden:

DerKernistetwa100.000malkleineralsdieHülledesAtoms,bestehtaberzumgrößtenTeilaus"nichts".Die Protonen (p+, Masse ≈ 1u) und die Neutronen (no, Masse ≈ 1u) bilden die Kernbausteine. DieNeutronen wurden von Chadwick nachgewiesen. Die Wechselwirkungen zwischen Neutronen undProtonen ermöglichen das Zusammensein der Protonen auf kleinstem Raum.Die riesige Hülle (imVergleichzumKern)enthältnurElektronen(e-,Masse≈0,00055u).

e.DasBohr-Modell(Schalenmodell)

Nach Rutherfords Atommodell kreisen die Elektronen sehr schnell um denwinzigenAtomkern, umdieAnziehungskraftdesKerns durcheinegleichgroßeZentrifugalkraftauszugleichen.DabeimüsstedasElektronaberEnergieverlierenund somit immer energieärmer werden um schlussendlichin den Kern zustürzen.Dieskannmanabernichtbeobachten!Man nahm deshalb an, dass dieAtome nur bestimmte sogenannte stationäreZustände besitzen,in denen Elektronen auf ihrer Umlaufbahn keine Energieverlieren.

Im Atommodell nach Rutherford befinden sind die Elektronen in der Atomhülle. Genauer werden dieElektronennichtbeschrieben.ImBohr-ModellbefindensichdieElektronenimmernochinderAtomhülle,abersiesindaufverschiedenenEnergiestufenverteilt.Dieserklärt zumBeispielwarummanunterschiedliche IonisierungsenergienbenötigtumElektronenausderHüllezuentfernen.

WennmanAtomeerhitztgebensieunteranderemLichtenergieab,manerhältein Emissionsspektrum (farbige Linien auf schwarzem Hintergrund). DieAbgabevonLichtenergieerfolgtwenneinElektronvoneinerenergetischhöherliegendenStufe (bedingt durch dieEnergieaufnahme) auf eine tiefer liegendeStufefällt.JedesElementistdurchseinAtomspektrumcharakterisiert.DadurchkannmanzumBeispieldieZusammensetzungderHüllevonSternenermitteln.

Bei der Berechnung dieser Atomspektren stösst das Bohrmodell an seine Grenzen, für dasWasserstoffatom reicht das Bohrmodell noch halbwegs aus, aber für mehrelektronige Atome ist eineBerechnungunmöglich, ein erweitertesAtommodellwird notwendig: dasOrbitalmodellwelchesmitHilfederQuantenmechanikberechnetwird.

12

2.KlassischeMechanikundQuantenmechanik

InderklassischenMechanikkannmanunterAnwendungderGesetzevonNewton,denOrt,dieMasseundGeschwindigkeiteinesmakroskopischenGegenstandesunterBerücksichtigungderaufihnwirkendenKräfteberechnen:• DieUmlaufbahnenderPlanetenumdieSonnekannsomitmitsehrhoherGenauigkeitbestimmtwerden.

• AuchdieBahneinesWurfgeschosses,BalloderKugelodereinessonstigenmakroskopischenGegenstandeskannunterAnwendungderklassischenMechanikproblemlosberechnetwerden.

Im mikroskopisch kleinen Bereich der Elementarteilchen aber versagt die Anwendung der klassischenPhysikweildieseTeilchenbesondereEigenschaftenaufweisen.

Die Quantenmechanik berücksichtigt die Eigenarten dieser Teilchen. Der grosse Unterschied zurklassischenMechanikbestehtdarin,dassdieQuantenmechanikkeineAussageüberdengenauenOrtunddieGeschwindigkeitvonEinzelteilchengebenkann(siekanndasVerhaltenvonEinzelteilchennichtgenauberechnen),sondernsiegibtstatistischeAngabenüberdasVerhalteneinerVielzahlvonTeilchenan.Die Quantenmechanik wurde entwickelt um dem Verhalten der Teilchen im mikroskopisch kleinematomarenBereichgerechtzuwerden.

a.NaturdesLichts

(i)DasLichtalsWelleWeißes Sonnenlicht wird von einem Prisma in die Regenbogenfarben aufgetrennt, man erhält einkontinuierlichesSpektrum.JedemFarbtondesLichtspektrumsentsprichteinebestimmteLichtwelle:

WellenlängeλundFrequenzf(oftauchν)- dasMusterderWellenängeλ1wiederholtsichzweimalproSekunde:dieFrequenzf1=2s-1(Hz)

- dasMusterderWellenängeλ2wiederholtsichviermalproSekunde:dieFrequenzf2=4s-1(Hz)

- dasMusterderWellenängeλ3wiederholtsichachtmalproSekunde:dieFrequenzf3=8s-1(Hz)

DieAmplitude(siebeschreibtdieIntensitätderStrahlung)wurdejeweilsgleichgewählt.

FürLichtwellen(eigentlicheineelektromagnetischeStrahlung)giltfolgendeBeziehung:c=λ·f c: Lichtgeschwindigkeit(m·s-1)

(~3·108m·s-1,imVakuum2,997·108m·s-1)λ: Wellenlänge(m)

(gibtdenFarbtonan,dassichtbareSpektrumumfasstWellenvonλ=400nm-800nm)f: Frequenz(s-1,Hz)

(beschreibtdieAnzahlVibrationenproSekunde)

13

(ii)DasLichtalsTeilchenBei der Interpretation des photoelektrischen Effekts fandAlbert Einstein, dass die elektromagnetischenWellen selbst quantisiert sind, das heißt, dassman sich Lichtwellen als einen Strom von Lichtteilchen(Photonen, Ruhemasse=0) vorstellen kann. Die Energie eines Photons errechnet man mit Hilfe derFrequenzderentsprechendenLichtwelle:

E=h·f=h· cλ E:h:

Energie(J)Planck-Konstante(J·s);h=6,624·10-34J·s

f:

c:λ:

Frequenz(s-1;Hz)Lichtgeschwindigkeit(m·s-1)λ:Wellenlänge(m)

(iii)SchlussfolgerungLichtkannsichalsWelleoderalsTeilchenverhalten,jenachdemwelcheseinerEigenschaftenmanmisstverhältessichalsTeilchenoderalsWelle,mansprichtvomWelle-Teilchen-Dualismus.

b.NaturderElektronenDie Elektronen sind Elementarteilchen und Bestandteile der Atome. Man kann ihnen eine bestimmteMasse und eine bestimmte Ladung zuteilen: Die Elektronen scheinen eindeutigTeilchen zu sein. NachdemAtommodell von Bohr sind die Elektronen einesAtoms auf verschiedenen Energieniveaus verteilt.Dies belegen die Emissionsspektren der Elemente, sie zeigen, dass Atome nur ganz bestimmteEnergiebeträgeabgebenkönnen

(i)ElektronenalsTeilchenWerner Heisenberg benutzte das Teilchenmodell der Elektronen und konnte nachweisen, dass esprinzipiell unmöglich ist, gleichzeitig den Ort und die Geschwindigkeit eines Elektrons genau zubestimmen.MansprichtvonderHeisenbergschenUnschärferelation:

Δx·Δ(m·v)≥ h4·π⇒Δx·Δv≥

h4·π·m

m:h:Δx:Δv:

Masse(konstant)Planck-KonstantePositionsfehlerGeschwindigkeitsfehler

FallsΔxsehrkleinist(geringerPositionsfehler)dannwirdΔvsehrgroß.FallsΔvsehrkleinist(geringerGeschwindigkeitsfehler)dannwirdΔxsehrgroß.WennmandieGeschwindigkeitdesElektronssehrgenaubestimmt,dannkannmandenAufenthaltsortnur noch sehr grob einschätzen. Bestimmtman dagegen denAufenthaltsort desElektrons sehr genau,dannistesunmöglichdieGeschwindigkeitdesElektronsgenauzuermitteln!Daraus folgt, dass man nur die Wahrscheinlichkeit angeben kann, Elektronen in einem bestimmtenVolumenanzutreffen.

(ii)ElektronenalsWellenExperimentelleBefundehabengezeigt,dassdieElektronensich imAtomalsdreidimensionalestehendeWellen verhalten, die je nach Energie einen oder mehrere Wellenbäuche ausbilden. In diesenWellenbereichenistdieWahrscheinlichkeitgroßdieElektronenanzutreffen.

(iii)SchlussfolgerungDer französischePhysiker LouisdeBroglie schlug1924vor, jedem inBewegungbefindlichemTeilcheneine Welle zuzuordnen. Der experimentelle Nachweis dieser Materiewellen gelang schließlich 1927(DavissonundGermer).ElektronenbesitzensomitsowohlTeilchen-alsauchWellennatur!

14

3.DasOrbitalmodellAusgehend von derWellennatur der Elektronen, hat der Mathematiker Erwin Schrödinger Gleichungenaufgestellt, welche die Berechnungen der Wahrscheinlichkeits-Räume der Elektronen im Atomermöglichen. Man bezeichnet den Bereich des Raumes, in dem man ein Elektron mit 90-prozentigerWahrscheinlichkeitantreffenkann,alsOrbital.DieBerechnungenderOrbitalemitHilfederSchrödingerGleichungsindzwaraußerordentlichschwierig,dieAuflösung der Gleichungen liefert jedoch vier verschiedene Parameter (Quantenzahlen), die relativeinfachzuinterpretierensind.

a.DievierQuantenzahlen(n,l,munds)undihreBedeutung

Name Symbol Wertebereich BedeutungHauptquantenzahl n n∈ℕ gibtdieEnergiestufendesElektronsan

n=1K-Schalen=2L-Schalen=3M-Schale...

Nebenquantenzahl l l∈ℕ0≤l≤n-1

bestimmtdieArtdesOrbitalsl=0l=1l=2l=3

s-Orbitalp-Orbitaled-Orbitalef-Orbitale

KugelformHantelformkomplizierte3D-Strukturenkomplizierte3D-Strukturen

Magnetquantenzahl m m∈ℤ-l≤m≤+l

bestimmtdieOrientierungdesOrbitalsineinemelektromagnetischenFeldBeispiel:längsderx-Achse,dery-Achseoderderz-Achse

Spinquantenzahl ss=+ 12oder

s=- 12

bestimmtdieEigenrotationdesElektrons(imUhrzeigersinnoderimentgegengesetztenUhrzeigersinn)

•DieHauptquantenzahlngibtdieEnergiestufe(Schale)desElektronsan.•DieNebenquantenzahllverfeinertdieBeschreibungdesElektrons.DieNebenquantenzahllbestimmtdieArtdesOrbitalsindemsichdasElektronbefindet.• Die Magnetquantenzahl m liefert weitere Angaben über das Elektron. Die Magnetquantenzahl mbestimmtdieOrientierungdesOrbitalsineinemelektromagnetischenFeld.•DieSpinquantenzahlsbestimmtdieEigenrotationdesElektrons.DaOrbitalemaximalzweiElektronenaufnehmenkönnen,unterscheidensichzweiElektronenzumindestinihrerSpinquantenzahl.

Die Quantenzahlen charakterisieren das Elektron somit vollständig, sie stellen sozusagen denAusweiseinesElektronsdar!

Aufgaben1. a. Welches Orbital stellen die Quantenzahlen n=3, l=2, m=0 dar? Welchen Wert kann dieSpinquantenzahlbesitzen?b.WelchesOrbital stellendieQuantenzahlenn=4, l=3dar?WelcheWertekanndieMagnetquantenzahlbesitzen?

15

2.ErklärejeweilsobfolgendeOrbitalemöglichsindundfallsja,gibdieArtdesOrbitalsan:a.n=4,l=4,m=-3b.n=2,l=1,m=0,s=-½c.n=3,l=0,m=-1,s=½

b.EinigeOrbitaledesWasserstoffatoms

n l m Orbital Darstellung VereinfachteDarstellung

n=1 l=0 m=0 s1s

n=2 l=0 m=0 s

2s

l=1

m=-1

m=0

m=1

p

p

p 2px 2py 2pz

n=3 l=0 m=0 s

3s

l=1

m=-1

m=0

m=1

p

p

p 3px 3py 3pz

l=2

m=-2

m=-1

m=0

m=1

m=2

d

d

d

d

d

3dx2-y2 3dxz 3dz2

3dyz 3dxy

DieOrbitalewerdendurchKästchendargestellt,welchemaximalzweiElektronenmitentgegengesetztemSpinaufnehmenkönnen:

leer: 1e-: 2e-:

16

c.ElektronenkonfigurationderElementeDieElektronenkonfigurationderElementegibtdieVerteilungderElektronenindieverschiedenenOrbitale(alsKästchendargestellt,Pauling-Schreibweise)an.

FolgendeRegelnsindzubeachten:• EinOrbitalwirddurcheinKästchendargestelltundkannmaximal2Elektronenaufnehmen.Die

ElektronenwerdendurchkleinePfeiledargestellt.• Pauli-Prinzip:2ElektronenkönnennichtdieselbenQuantenzahlenbesitzen,sieunterscheidensich

zumindestinihrerSpinquantenzahl(durchnachobenodernachuntengerichtetePfeiledargestellt).• Hund-Regel:inp,dundf-OrbitalenwirdjedesOrbitalzuerstmiteinemElektronbesetzt,bevormanein

zweitesElektronineinemOrbitalvorfindenkann.

Elektronenkonfiguration der ersten 18 Elemente (1., 2. und3. Periode) in der Pauling- und in dervereinfachtenSchreibweise:Symbol Pauling-Schreibweise VollständigeSchreibweise

H 1s1

He 1s2

Li 1s2 2s1

Be 1s2 2s2

B 1s2 2s2 2p1

C 1s2 2s2 2p2

N 1s2 2s2 2p3

O 1s2 2s2 2p4

F 1s2 2s2 2p5

Ne 1s2 2s2 2p6

Na 1s2 2s2 2p6 3s1

Mg 1s2 2s2 2p6 3s2

Al 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

Si 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

P 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3

S 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

Ar 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

1s 2s 2p 3s 3p 1s 2s 2p 3s 3p

K- L- M-Schale K- L- M-Schale

AufgabeGibdieElektronenkonfigurationvonCalciuman(Pauling-undvollständigeSchreibweise)

17

d.OrbitaleundPSEDasPeriodensystemkannmanineinens-Block(HenimmteineSonderstellungein),einenp-Block,einend-Blockundeinenf-Blockeinteilen.·s-Block:ElementederI.undII.HauptgruppesowieHelium·p-Block:ElementederIII.-VIII.HauptgruppeausserHelium·d-Block:NebengruppenelementeausserLanthanoideundActinoide·f-Block:LanthanoideundActinoideAchtung:died-Orbitalebeginnenschonbein=3,dief-Orbitalebein=4!

MitHilfedesPSEisteseinfachdieElektronenkonfigurationeinesElementesanzugeben.Beispiele:•Kalium Elektronenkonfiguration:1s22s22p63s23p64s1

VerkürzteElektronenkonfiguration:[Ar]4s1(18+1=19e-,Z=19)•Eisen VerkürzteElektronenkonfiguration:[Ar]3d64s2(18+8=26e-,Z=26)•Quecksilber VerkürzteElektronenkonfiguration:[Xe]4f145d106s2(54+26=70e-,Z=80)InderElektronenkonfigurationwerdendieOrbitale inderReihenfolgederHauptquantenzahlangegeben:fürQuecksilberistdieElektronenkonfigurationalso[Xe]4f145d106s2undnicht[Xe]6s24f145d10.

AusnahmenEinige Elemente besitzen eine Elektronenkonfiguration die nicht der im obigen PSE entspricht. EinigeBeispielevonbekanntenElementen:FürChromistdieElektronenkonfiguration[Ar]3d54s1undnicht[Ar]3d44s2.IndiesemFallisteinehalbbesetzte d-Schale energetisch günstiger als eine voll besetzte s-Schale. Gleiches gilt für dasdarunterliegendeMolybdänMo.FürKupferistdieElektronenkonfiguration[Ar]3d104s1undnicht[Ar]3d94s2.IndiesemFallisteinevollbesetzte d-Schale energetisch günstiger als eine voll besetzte s-Schale. Gleiches gilt für diedarunterliegendenElementeSilberundGold.

AufgabenGibjeweilsdieElektronenkonfigurationan:a.Nickel(vollständigeSchreibweise)

b.Zink(vereinfachteSchreibweise)

c.Osmium(vereinfachteSchreibweise)

18

e.DarstellungderOrbitale

(i)ImGrundzustand

Beispiele:Symbol Anzahle- Schreibweise Orbitale

He 2e-1s2

Li 3e-1s22s1

F 9e-1s22s22p5

AufgabeGib jeweilsdieElektronenkonfigurationan (vollständigeSchreibweise)undzeichnedanndieOrbitale imGrundzustand:a.Wasserstoff

b.Sauerstoff

19

(ii)ImangeregtenZustand

DurchäußereEinflüssewerdendieAtomeineinenangeregtenZustandversetzt:dieOrbitale"vermischen"sichzuHybridorbitalenwelchesichmaximalabstoßen.

Beispiele:

•BerylliumExperimentellstelltmanfest,dassBerylliumzweiwertigistundlineareMolekülebildet, indenendiezweiEinfachbindungengleichwertigsind.ImGrundzustandistdieWertigkeitvonBerylliumgleichnull,dakeineEinzelektronenvorhandensind.Im angeregten Zustand besitzt Beryllium zwar die experimentell festgestellte Zweiwertigkeit, eine derBindungenwürdeabermiteinems-Orbitalunddieanderemiteinemp-Orbitalgebildetwerden,siewärenalsonichtgleichwertig.DurchBildungvonHybridorbitalenerhältman2gleichwertigeOrbitale.

K-L-Schale

Be1s22s2 Grundzustand

AngeregterZustand

2s2p2sp-Orbitale

+ → 2

1s-Orbital + 1p-Orbital → 2 sp-Orbitale

Die2sp-Orbitalestoßensichmaximalab,manerhälteinelineareAnordnung,zwischendenbeidenOrbitalenbestehteinWinkelvon180°:

Beispiel:BeCl2

20

•BorExperimentell stellt man fest, dass Bor dreiwertig ist und ebene Moleküle bildet, in denen die dreiEinfachbindungengleichwertigsind.ImGrundzustandistdieWertigkeitvonBorgleicheins,danureinEinzelektronenvorhandenist.ImangeregtenZustandbesitztBorzwardieexperimentellfestgestellteDreiwertigkeit,einederBindungenwürde aber mit einem s-Orbital und die zwei anderen mit jeweils einem p-Orbital gebildet werden, siewärenalsonichtgleichwertig.DurchBildungvonHybridorbitalenerhältman3gleichwertigeOrbitale.

K-L-Schale

B1s22s22p1 Grundzustand

AngeregterZustand

2s2p3sp2-Orbitale

+ 2 → 3

1s-Orbital + 2 p-Orbitale → 3 sp2-Orbitale

Die3sp2-Orbitalestoßensichmaximalab,manerhälteinetrigonaleplaneAnordnung,zwischendendreiOrbitalenbestehteinWinkelvon120°:

Beispiel:BF3

HilfezumZeichnenderStruktur:

21

•KohlenstoffExperimentellstelltmanfest,dassKohlenstoffvierwertigistundtetraedrischeMolekülebildet,indenendievierEinfachbindungengleichwertigsind.Im Grundzustand ist die Wertigkeit von Kohlenstoff gleich zwei, da nur zwei Einzelektronen vorhandensind.Im angeregten Zustand besitzt Kohlenstoff zwar die experimentell festgestellte Vierwertigkeit, eine derBindungen würde aber mit einem s-Orbital und die drei anderen mit jeweils einem p-Orbital gebildetwerden,siewärenalsonichtgleichwertig.DurchBildungvonHybridorbitalenerhältman4gleichwertigeOrbitale.

K-L-Schale

C1s22s22p2 Grundzustand

AngeregterZustand

2s2p4sp3-Orbitale

+ 3 → 4

1s-Orbital + 3 p-Orbitale → 4 sp3-Orbitale

Die4sp3-Orbitalestoßensichmaximalab,manerhälteinetetraedrischeAnordnung,zwischendenvierOrbitalenbestehteinWinkelvon≈109°:

Beispiel:CH4

HilfezumZeichnenderStruktur:

22

(iii)OrbitalevonMolekülen

DasValenzbindungsmodell(VB-Modell)

UmdieStrukturvonMolekülenvorherzusagenbenutztmandasElektronenPaar-Abstoßungs-Modell(EPA)undkombiniertesmitderÜberlappungderOrbitalederValenzelektronenderverschiedenenAtomedesMoleküls.DieresultierendenAufenthaltsräumebeziehensichalsoeinzigundalleinaufdieBindungwelchevondenValenzelektronen(Außenelektronen)stammt.

PraktischgehtmanindreiSchrittenvor:• dieStrukturdesMolekülswirdmitHilfedesEPA-Modellsbestimmt• fürjedesAtomdesMolekülsbestimmtmandieOrbitale(indererfordertenHybridisierung)derjeweiligenValenzelektronen• durchfrontalesÜberlappenerhältmanσ-Bindungen,durchseitlichesÜberlappenerhältmanπ-Bindungen.

Beispiele:

•WasserstoffgasH2

H:1s1 1s-Orbital

+ →

1s(Atomorbital)

+

1s(Atomorbital) →

1resultierendesOrbitalσ-Bindung(Einfachbindung)

axensymmetrischeÜberlappungderAtomorbitale

•WasserH2O

H:1s1 1s-Orbital

K-L-Schale

O:1s22s22p4

2s2p4sp3-Orbitale(Tetraederstruktur)

23

BindungenimMolekül Strukturformel Raumstruktur

frontaleÜberlappungderp-Orbitale:Bildungvonzweiσ-Bindungen

σ-BindungenElektronenpaare

•MethanCH4

H:1s1 1s-Orbital

K-L-Schale

C1s22s22p2 Grundzustand

AngeregterZustand

2s2p4sp3-Orbitale(Tetraederstruktur)

BindungenimMolekül Strukturformel Raumstruktur

frontaleÜberlappungderp-Orbitale:Bildungvonvierσ-Bindungen σ-Bindungen

24

•EthenCH2=CH2

H:1s1 1s-Orbital

K-L-Schale

C1s22s22p2 Grundzustand

AngeregterZustand

2s2p3sp2-Orbitaleund1p-Orbital

OrientierungderOrbitaledesC-Atoms:

Sigma-(σ)undPi-Bindungen(π)FrontaleÜberlappungenvonOrbitalenergebenσ-Bindungen,seitlichesÜberlappenvonOrbitalenergebenπ-Bindungen:

AusdiesenÜberlappungenergebensichfolgendeBindungenimMolekül:

25

VonobengesehenerhältmandannfürdieStrukturformel:

DasEthenmolekülenthält5σ-Bindungenund1π-Bindung.DieDoppelbindungbestehtaus1σ-und1π-Bindung.

•EthinCH≡CH

H:1s1 1s-Orbital

K-L-Schale

C1s22s22p2 Grundzustand

AngeregterZustand

2s2p2sp-Orbitaleund2p-Orbitale

OrientierungderOrbitaledesC-Atoms:

Sigma-(σ)undPi-Bindungen(π)FrontaleÜberlappungenvonOrbitalenergebenσ-Bindungen,seitlichesÜberlappenvonOrbitalenergebenπ-Bindungen:

AusdiesenÜberlappungenergebensichfolgendeBindungenimMolekül:

26

ManerhältdannfürdieStrukturformel:

DasEthinmolekülenthält3σ-Bindungenund2π-Bindungen.DieDreifachbindungbestehtaus1σ-und2π-Bindungen.

AufgabeGib jeweils die Orbitale (oder Hybridorbitale) der äußeren Schale in denAtomen an. Zeichne dann dasMolekülmitdenentsprechendenÜberlappungenundgiban,umwelcheArtvonBindungenessichjeweilshandelt.•CHCl3

•NH3

•C2H6

27

•CH2O

•N2H4

•C2HBr3

28

IV.Kinetik

1.SchnelleundlangsameReaktionen

a.SchnelleReaktionenBeispiele:Neutralisationsreaktion:HCl(aq)+NaOH(aq)→NaCl(aq)+H2O(l)

Fällungsreaktion:AgNO3(aq)+NaCl(aq)→AgCl(s)+NaNO3(aq)

b.MittelschnelleReaktionenBeispiel:ReaktionvonNatriumthiosulfatmitSalzsäure:Na2S2O3(aq)+2HCl(aq)→2NaCl(aq)+H2O(l)+S(s)+SO2(g)

c.LangsameReaktionenBeispiele:Korrosion(RostenvonEisen)Verdauung

d.ExtremlangsameReaktionenBeispiel:BildungvonfossilenBrennstoffen(mehrereMillionenJahre)

2.BestimmungderGeschwindigkeiteinerReaktionBeispiel:ReaktionvonZinkmitSalzsäure2HCl(aq)+Zn(s)→H2(g)+ZnCl2(s)

MaßfürdieReaktionsgeschwindigkeit(RG):VolumenzunahmevonH2

Zeitintervall= ΔV

ΔtΔt1 = Δt2 = Δt3 = Δt4 = konstantΔV1 > ΔV2 > ΔV3 > ΔV4

⇒DieRGnimmtmitderZeitab!

29

3.MittlereReaktionsgeschwindigkeit (MRG)undaugenblickliche (momentane)Reaktionsgeschwindigkeit(ARG)

WährendderZeitspanneΔtbleibtdieReaktionsgeschwindigkeitnichtkonstant.DeshalbdefiniertmaneinemittlereReaktionsgeschwindigkeit V fürdasZeitintervallΔt:

V = ΔVΔt =V2-V1t2-t1

[L·s-1]

DadasVolumenVproportionalzurStoffmengenist,kannmandieMRGauchaufBasisderStoffmengedefinieren:

V = ΔnΔt =n2-n1t2-t1

[mol·s-1]

FürhomogeneReaktionen(dieineinerPhaseablaufen)benutztmandieStoffmengenkonzentrationc(cistproportionalzun)alsMaßfürdieReaktionsgeschwindigkeit:

V = ΔcΔt =c2-c1t2-t1

[mol·L-1·s-1]

MRG: V = ΔcΔt =tanα

jegrößerdieSteigung,destogrößerdieMRGjekleinerdieSteigung,destokleinerdieMRGjekleinerΔt,destonäherkommtdieSteigungderSekanteandiederTangenteheran:

ARG:v= limΔt→0ΔcΔt =

dcdt =tanβ

Schlussfolgerung

MittlereReaktionsgeschwindigkeit(MRG): V = ΔcΔt =c2-c1t2-t1

[mol·L-1·s-1]

AugenblicklicheReaktionsgeschwindigkeit(ARG): v = dcdt [mol·L-1·s-1]

30

Verallgemeinerung:

a·A+b·B→d·D+e·E

AlsMassfürdieReaktionsgeschwindigkeit(RG)kannman:·dieZunahmederStoffmengenkonzentrationeinesProduktes/Zeitintervallnehmen

V = 1d

ΔcDΔt

= 1e

ΔcEΔt

Δc=c2-c1>0,weilc2>c1

1d ;1e

manbeziehtdieRGaufeinTeilchenvonDbeziehungsweiseE

·dieAbnahmederStoffmengenkonzentrationeinesEduktes/Zeitintervallnehmen

V =- 1aΔcAΔt

=- 1bΔcBΔt

negativesVorzeichenweilΔc=c2-c1<0,weilc2<c1damitRG>0!

- 1a ;-1b

manbeziehtdieRGaufeinTeilchenvonAbeziehungsweiseB

Allgemein:

V =- 1kΔc(Edukte)

Δt= 1k'

Δc(Produkte)Δt

Aufgaben1.ReaktionvonZinkmitSalzsäurea.GibdieReaktionsgleichung,dieIonengleichungunddievereinfachteIonengleichungan.

b.GibdenAusdruckfürdiemittlereGeschwindigkeitbezüglichderOxonium-IonenundderZink-Ionenan.

c. Berechne aus dem Diagramm sowohl graphisch wie auch trigonometrisch die MRG für Salzsäure(Oxonium-Ionen) für die Zeitabschnitte Δt = 0 - 4 min; 4 - 10 min und 10 - 20 min. Gib jeweils denUnterschiedderReaktionsgeschwindigkeitenbeidenzweiBerechnungsartenin%an!d.BerechneausdemDiagrammsowohlgraphischwieauchtrigonometrischdieARGfürSalzsäurefürt=2; 8 und 14 min. Gib jeweils den Unterschied der Reaktionsgeschwindigkeiten bei den zweiBerechnungsartenin%an!

2.WasbedeutetesfürdieReaktionsgeschwindigkeit,wenndieKonzentrationeinesProduktes linearmitderZeitzunimmt?

31

4.EinflüsseaufdieReaktionsgeschwindigkeit

a.ExperimentelleErmittelung

Beispiel: ReaktionvonZinkmitSalzäure2HCl(aq)+Zn(s)→H2(g)+ZnCl2(s)

Versuch:wennmananstatt RG Faktor Schlussfolgerung

verdünnteSalzsäure,konzentrierteSalzsäurenimmt

↑ Stoffmengenkonzentrationc wennc↑⇒RG↑

kalterSalzsäure,warmeSalzsäurenimmt

↑ Temperaturθ wennθ↑⇒RG↑

grosseZinkstücke,kleineZinkstückenimmt

↑ Zerteilungsgrad wennZerteilungsgrad↑⇒RG↑

keinenKatalysator,einenKatalysatornimmt

↑ Katalyse fallsKatalysatorvorhanden⇒RG↑

b.TheoretischeErmittelung

(i)Phasengrenze

Beispiel:Zerteilungsgrad.a.BerechnedieOberfläche(O1inmm2)einesWürfelsdessenVolumen1dm3beträgt.

b.DerWürfelwirdverlustfreiinkleinereWürfelvon1mm3Volumengeteilt.-WievielekleinereWürfelerhältman?

-BerechnedieGesamtoberfläche(O2)dieserkleinerenWürfel.

c.BerechnedasOberflächenverhältnis.

d.Schlussfolgerung

JegrößerderZerteilungsgraddestogrößerdieOberfläche.JegrößerdieOberfläche,destoschnellerverläufteineReaktion!

32

(ii)Stoffmengenkonzentrationc

A.Elementarreaktionen

Beispiel:H2(g)+I2(g)→2HI(g)Die Reaktion kann nur erfolgen, wenn H2 und I2 mit der benötigten Geschwindigkeit (so dass genugEnergieübertragenwerdenkann)undinderrichtigenOrientierungaufeinandertreffen.

richtigeOrientierungderbeidenMoleküleaberkeineReaktionweilnichtgenugEnergievorhandenist,umdieBindungenzuzerstören!

H2→

I2← langsamesAufeinandertreffen

genügendEnergievorhandenaberkeineReaktionweildieOrientierungderMolekülefalschist!

H2→→→

I2←←← schnellesheftigesAufeinandertreffen

→

chemischeReaktionweil:-diebeidenMolekülerichtigorientiertsind-genügendEnergievorhandenist,umdieBindungenzuzerstören!

H2 I2 → 2HI→→→←←← schnellesheftigesAufeinandertreffen• MansprichtvoneinerElementarreaktion:hiersehrwahrscheinlichweilnurzweiTeilchenbeteiligtsind(dieReaktionverläuftmittelseinesZweierstosses,bimolekulareReaktion).

• Ein Dreierstoss ist zwar möglich aber eher unwahrscheinlich da drei Teilchen gleichzeitigaufeinandertreffenmüssen.

Dreierstoss,eherunwahrscheinlich.

MeistensverläuftdieReaktioninzweiElementarreaktionen:

1.Elementarreaktion:ZweierstossinderrichtigenRichtungundmitgenügendEnergie

Zwischenprodukt

2.Elementarreaktion:erneutZweierstossinderrichtigenRichtungundmitgenügendEnergie

Endprodukt

VerallgemeinerungWenn die Stoffmengenkonzentration c größer wird, dann wird auch die Anzahl der Zusammenstössegrößer(dieAnzahlderElementarreaktionennimmtzu)unddieReaktionsgeschwindigkeitnimmtzu.DieAbhängigkeit der Stoffmengenkonzentration c auf die RG kann allerdings nur experimentellermitteltwerden!

33

B.ExperimentelleBestimmungdesGeschwindigkeitsgesetzes(ZusammenhangzwischenRGundc)

(1)MethodederAnfangsgeschwindigkeiten

FürdieReaktionkAA+kBB→kDD+kEEgiltfürdasGeschwindigkeitsgesetzv:

v~cAa

v~cBb →v=k·cAa·cBba,b:Teilordnungen(ganzeZahl)a+b:Reaktionsordnungk:Geschwindigkeitskonstante

DieTeilordnungena,b,...jenachAnzahlderEduktesindunabhängigvondenKoeffizientenkA,kB,...DieTeilordnungenmüssenmitHilfevonVersuchenbestimmtwerden!DazuändertmannurdieStoffmengenkonzentrationceineseinzigenEduktesundmisstdenEinflussaufdieAnfangsgeschwindigkeitv.Manunterscheidetzwischen3verschiedenenFällen:

Fall1:EineVerdoppelungodereineandereVervielfachungvoncbringtkeineVeränderungvonvmitsich.DieReaktionsgeschwindigkeitvistunabhängigvonc.

Beobachtung SchlussfolgerungcA cB RG

c12c13c1

c2c2c2

v1v1v1

⇒v~cAo

DieTeilordunginBezugaufEduktAbeträgt0.

Fall2: EineVerdoppelung oder eine andere Vervielfachung von c bringt eineVerdoppelung oder dieselbeVervielfachungvonvmitsich.DieReaktionsgeschwindigkeitvistabhängigvonc.

Beobachtung SchlussfolgerungcA cB RG

c12c13c1

c2c2c2

v12v13v1

⇒v~cA1

DieTeilordunginBezugaufEduktAbeträgt1.

Fall3: EineVerdoppelung oder eine andere Vervielfachung von c bringt eineVervierfachung oder dieselbeVervielfachung2vonvmitsich.DieReaktionsgeschwindigkeitvistabhängigvoncimQuadrat.

Beobachtung SchlussfolgerungcA cB RG

c12c13c1

c2c2c2

v14v19v1

⇒v~cA2

DieTeilordunginBezugaufEduktAbeträgt2.

34

Beispiele:

BestimmejeweilsdieTeilordnungen,dieGesamtordnungsowiedasGeschwindigkeitsgesetz.

•Reaktionzwischentert-Butylalkohol(CH3)3COHundBromwasserstoff(CH3)3C-OH+H-Br→(CH3)3C-Br+H2O

Beobachtung Schlussfolgerungc(CH3)3COH cHBr RG (R=(CH3)3C-)

c12c13c1

c2c2c2

v12v13v1

c1c1

2c23c2

v1v1

•ReaktionzwischenStickstoff(II)-oxidundChlorzuNitrosylchlorid(NOCl)inderGasphase

2NO(g)+Cl2(g)→2NOCl(g)Beobachtung Schlussfolgerung

cNO cCl2 RG

c12c13c1

c2c2c2

v14v19v1

c1c1

2c23c2

2v13v1

Aufgaben1.BestimmejeweilsdasGeschwindigkeitsgesetzfürdiefolgendenGleichungenundberechnejeweilsdieGeschwindigkeitskonstante.a.S2O82-+2I-→2SO42-+I2

Versuch c(S2O82-)[mol·L-1] c(I-)[mol·L-1] v[mol·L-1·s-1]

1 2,50·10-5 7,50·10-3 1,22·10-7

2 3,75·10-5 7,50·10-3 1,83·10-7

3 3,75·10-5 1,88·10-2 4,58·10-7

b.2N2O5→4NO2+O2Versuch Stoffmengenkonzentration

c(N2O5)[mol·L-1]Geschwindigkeitv[mol·L-1·s-1]

1 2,5·10-3 1,25·10-5

2 7,5·10-3 3,80·10-5

3 1,5·10-2 7,55·10-5

35

2.BestimmefürfolgendeGleichungendieTeilordnungen,sowiedieReaktionsordnung(Gesamtordnung)undgibtdieGleichungdesZeitgesetzes(Geschwindigkeitsgesetzes)an.BerechnedanndieGeschwindigkeitskonstante.a.BrO3-(aq)+5Br-(aq)+6H3O+(aq)→3Br2(aq)+9H2O(l)

Versuch c(BrO3-)[mol·L-1] c(Br-)[mol·L-1] c(H3O+)[mol·L-1] v[mol·L-1·s-1]

1 0,10 0,10 0,10 1,2·10-3

2 0,20 0,10 0,10 2,4·10-3

3 0,10 0,30 0,10 3,5·10-3

4 0,20 0,10 0,15 5,4·10-3

b.S2O82-(aq)+3I-(aq)→2SO42-(aq)+I3-(aq)

Versuch c(S2O82-)[mol·L-1] c(I-)[mol·L-1] v[mol·L-1·s-1]

1 0,15 0,21 1,14

2 0,22 0,21 1,70

3 0,22 0,12 0,98

c.2A+2B→2C+D2

Versuch c(A)[mol·L-1] c(B)[mol·L-1] v[mol·L-1·h-1]

1 10-3 10-3 10-3

2 10-3 2·10-3 4·10-3

3 2·10-3 2·10-3 8·10-3

3.BestimmefürfolgendeGleichungenjeweilsdieTeilordnungen,sowiedieReaktionsordnungundgibtdieGleichungdesZeitgesetzesan.BerechnedanndieGeschwindigkeitskonstanteunddiefehlendeGeschwindigkeit.a.NO2(g)+O3(g)→NO3(g)+O2(g)

Versuch c(NO2)[mmol·L-1] c(O3)[mmol·L-1] v[mmol·L-1·s-1]

1 0,21 0,70 6,3

2 0,21 1,39 12,5

3 0,38 0,70 11,4

4 0,66 0,18 ?

36

b.2ICl+H2→I2+2HCl

Versuch c(ICl)[mol·L-1] c(H2)[mol·L-1] v[mol·L-1·s-1]

1 1,5 1,5 3,70·10-7

2 3,0 1,5 7,40·10-7

3 3,0 4,5 2,22·10-6

4 4,7 2,7 ?

(2)MethodederFunktionen

FürdieReaktionaA+bB→Produktegiltfürdieaugenblickliche(momentane)Geschwindigkeitv:

v=-1a

dcAdt

=ko·cAn·cBm

FallscB >>cA dannbleibt cB praktisch konstantwährend cA beständig abnimmt, cB kann in eineneueGeschwindigkeitskonstantekintegriertwerden:k=ko·cAn·aFürdieaugenblickliche(momentane)Geschwindigkeitverhältman:

v=-dcAdt

=k·cAn

Durch Integration (mathematischeRechenmethode) erhältman je nachWert von n (Reaktionsordnung)folgendelinearenFunktionen:Reaktionsordnung Augenblicksgeschwindigkeit LineareFunktion

y = a ·x + b

n=0 v=-dcAdt

=k cA = -k ·t + coA

n=1 v=-dcAdt

=k·cA ln(cA) = -k ·t + ln(coA)

n=2 v=-dcAdt

=k·cA2 1cA

= k ·t +1coA

MitHilfeeinesTabellenkalkulationsprogrammeszeichnetmandiedreiGeradenc=f(t),ln(c)=f(t)und1/c=f(t)undfügtjeweilseinelineareTrendlinieeinundberechnetdasBestimmungsmaßR2.DerR2-Wert liegtzwischen0und1:R2=0bedeutet,dasskein linearerZusammenhangzwischendenDatenundderFunktionbestehtundR2=1bedeutet,dasseinperfekterlinearerZusammenhangzwischender Funktion und den Daten besteht. Je besser sich daher R2 an 1 annähert, desto besser liegen dieDatenpaareaufeinerGeraden.DieTrendliniedessenR2-WertsichamBestenan1annähert,bestimmtdieFunktionwelchedieDatenamBestendarstelltundsomitauchdieReaktionsordnung.

37

AufgabeDasMolekülAreagiertmitB(Ethanol,Lösungsmittel)zudenProdukten.DieStoffmengenkonzentrationvonBbleibtwährendderReaktionkonstant(17,2M)weilcBvielgrößeralsdievonAist(Größenordnung:10-5M).FolgendeDatenwurdenaufgenommen:Zeit(min) 0 10 31 67 100 133 178cA·10-5(mol·L-1) 2,11 1,98 1,76 1,33 1,16 0,956 0,743

BestimmemitHilfeeinesTabellenkalkulationsprogrammesdieReaktionsordnung

(3)DieHalbwertszeitt1/2

DieHalbwertszeiteinerReaktionbezeichnetdenZeitrauminderdieAnfangsstoffmengenkonzentrationcoeinesReaktantenbiszurHälfteco/2verringertwird.BeispieleinerReaktion1.Ordnung:

Manstellt fest, dassbei einerReaktion1.OrdnungdieHalbwertszeit konstant ist.Dies kannmanauchleichtnachweisendurchEinsetzenvoncoA/2inderFunktion1.Ordnung:

38

FüreineReaktion1.OrdnungistdieHalbwertszeitnichtvonderAusgangskonzentrationabhängig.Kenntman die Halbwertszeit einer Reaktion 1. Ordnung, dann kann man die Geschwindigkeitskonstanteberechnenoderumgekehrt.

FüreineReaktion2.OrdnungerhältmandurchEinsetzenvoncoA/2inderFunktion:

FüreineReaktion2.Ordnung istdieHalbwertszeitvonderAusgangskonzentrationabhängigundändertimVerlaufderReaktion.

39

(iii)Temperaturθ

A.AktivierungsenergieEAundentsprechendeGeschwindigkeitvADamit die Edukte einer Reaktion reagieren können, müssen sie unter anderem die richtigeGeschwindigkeitvAbesitzen.DiekinetischeEnergie,welchedieserGeschwindigkeitvAentspricht istdieAktivierungsenergieEA.

Beispiel:SynthesevonWasser2H2+O2→2H2O

B.Maxwell-BoltzmannVerteilung

Maxwell und Boltzmann konnten nachweisen, dass die Anzahl der Teilchen, die eineMindestgeschwindigkeitvAüberschreitenmitsteigenderTemperaturzunimmt:

ΔNΔv AnzahlTeilchenproGeschwindigkeitsintervall

DieGesamtflächeAunterden3Kurvenistimmergleich(dieAnzahlderTeilchenändertnicht)•T1,A1 beideklein,

nurwenigeTeilchenbesitzeneineGeschwindigkeitv>=vA⇒langsameReaktion

•T2,A2 T2>T1,A2>A1mehrTeilchenbesitzeneineGeschwindigkeitv>=vA

⇒schnelleReaktion

•T3,A3 T3>T2,A3>A2nochmehrTeilchenbesitzeneineGeschwindigkeitv>=vA

⇒sehrschnelleReaktion

40

RGT-Regel(ReaktionsGeschwindigkeitsTemperatur-Regel)EineErhöhungderTemperaturTum10°C(ΔT=10°C)bedingteineVerdoppelungderRG(v1=2·vo).

Die Arrhenius-Gleichung erlaubt eine wesentlich genauere Bestimmung zwischen Temperatur undReaktionsgeschwindigkeit.

AufgabeUmEnergie zu sparen verringertman die Temperatur einer Reaktion von 105 °C auf Raumtemperatur(23°C).UmwelchenFaktorändertdieReaktionsgeschwindigkeitungefähr?

(iv)Katalyse

WirkungsweiseeinesKatalysators

Beispiele:

- HeterogeneKatalyseDerKatalysatorunddieEduktebefindensichinverschiedenenPhasen.ZueinemGemischausZinkundSalzsäuregibtmaneinegeringeMengenKupfer(mangibtetwasKupfer(II)-sulfatzumReaktionsgemisch,Cu2+wirdvomZinkzuKupferreduziert)

2HCl(aq)+Zn(s) ZnCl2(aq)+H2(g)·ZinkundSalzsäurewerdenverbraucht,·dieReaktionverläuftschnellerimBeiseinvonKupferpulver,·dasKupferpulverbleibtunverändertzurück

- HomogeneKatalyseDerKatalysatorunddieEduktebefindensichindergleichenPhase.ZersetzungvonWasserstoffperoxyddurchBromid-Ionen(mangibtetwasNatriumbromidzumangesäuertenWasserstoffperoxid)2Br-(aq)+H2O2(aq)+2H3O+(aq)→Br2(aq)+2H2O(l)DasgebildeteBrom(braun-rotverfärbteLösung)reagiertweitermitWasserstoffperoxid,esbildetsichSauerstoffundeswerdenwiederBromid-Ionenerzeugt:Br2(aq)+H2O2(aq)→2Br-(aq)+2H3O+(aq)+O2(g)NachdemReaktionabgelaufenist,wirddasRestgemischwiederfarblos.·DasWasserstoffperoxidwirdverbraucht,·dieReaktionverläuftschnellerimBeiseinvonBromid-Ionen,·dieBromid-Ionenwerdennichtverbraucht

In beiden Fällen wird die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Die Katalysatoren liegen vor und nach derReaktiongleichvor,siewerdennichtverbraucht.

41

AllgemeinegraphischeDarstellung:

OhneKatalysator:NachdemdieAktivierungsenergieEAandieEdukteA und B geliefert wurde, reagieren diese zumProduktAB.

MitKatalysator:Es bildet sich eine Zwischenverbindung AK wenndasEduktAmitdemKatalysatorKreagiert(nureinsehrkleinerEnergiebetragmussgeliefertwerden).Nachdem erneut ein sehr kleiner Energiebetraggeliefert wurde verläuft die Reaktion derZwischenverbindung AK mit B, man erhält dasProduktABunddenunveränderenKatalysatorK.InsgesamtmussdiegeringeAktivierungsenergieEAgeliefertwerden.

OhneKatalysator: A+B→AB dieAktivierungsenergieEAwirdbenötigtMitKatalysatorK: A+K→AK diebenötigteAktivierungsenergie<<EA

AK+B→AB+KA+B→AB

dieAktivierungsenergieEA<<EAwirdbenötigtdiefreigesetzteWärmeenergiebleibtunverändert

Schlussfolgerung- EinKatalysatorverringertdieAktivierungsenergieeinerchemischenReaktionunderhöhtdamitdieGeschwindigkeitderReaktion.

- EinKatalysatorwirdbeieinerReaktionnichtverbraucht,deshalbgenügenschongeringeMengenumeineReaktionzubeschleunigen.AusdiesemGrundwirdderKatalysatorauchüberdenReaktionspfeilgeschrieben.

- EinKatalysatorhatkeinenEinflussdaraufobeineReaktionspontanabläuftodernicht,einKatalysatorkannnureinespontaneReaktionbeschleunigen!

- BeiderheterogenenKatalyseliegendieEdukteundderKatalysatorinverschiedenenPhasenvor,Beispiel:SynthesevonAmmoniakausElementenmitHilfevonMetallen(Katalysator)

- BeiderhomogenenKatalyseliegendieEdukteundderKatalysatorinderselbenPhasevor,Beispiel:diethermischeZersetzungderAmeisensäuremitHilfevonSchwefelsäure(Katalysator)

AufgabeEinStückMagnesiumbandreagiertbeieinerbestimmtenTemperaturmitverdünnterSalzsäure.Eswird:a.Magnesiumgriesverwendet,b.dieTemperaturverringert,c.dieStoffmengenkonzentrationderSäureverringert,d.dasVolumendesReaktionsgemischesdurchZugabevondestilliertemWasservergrößert.GibdieReaktionsgleichungmitdenAggregatzuständenanunderkläre,welchenEinflussdiejeweiligeVeränderungaufdieReaktionsgeschwindigkeithat.

42

IV.ChemischesGleichgewicht

1.VollständigeReaktion

Beispiel:Knallgasreaktion(ReaktionzwischenWasserstoffundSauerstoffimStoffmengenverhältnis2:1)2H2 + O2 → 2H2O

Start: 2mol 1mol 0molEnde: 0mol 0mol 2mol

DieEduktewerdenvollständigindieProdukteumgewandelt!

2.UnvollständigeReaktion

•Beispiel1:ReaktionzwischenEisen(III)-chloridundKaliumthiocyanatimStoffmengenverhältnis1:3

GlobaleGleichung: FeCl3+3KSCN→Fe(SCN)3+3KCl

Ionengleichung: Fe3++3Cl-+3K++3SCN-→Fe(SCN)3+3K++3Cl-

VereinfachteIonengleichung: Fe3++3SCN-→Fe(SCN)3

VersucheundBeobachtung: Fe3+ + 3SCN- → Fe(SCN)3 hellgelb farblos rot Beobachtung:Versuch1 +SCN- stärkereroteFarbeVersuch2 +Fe3+ stärkereroteFarbe

SchlussfolgerungDieReaktionistnichtvollständig,weilnachZugabevoneinemeinzigenEduktdieReaktionweiterabläuft.Nach dem Reaktionsstart liegen zu keinem Zeitpunkt nur die Edukte oder nur die Produkte vor, dasReaktionsgemischbestehtimmerauseinemGemischderEdukteundderProdukte.DieswirddurchdieGleichgewichtspfeile(⇌)inderReaktionsgleichungverdeutlicht.DieEdukteunddieProduktebefindensichimGleichgewicht:

Fe3+ + 3SCN- ⇌ Fe(SCN)3

Start: 1mol 3mol 0mol -xmol -3xmol +xmolGleichgewicht: 1-xmol 3-3xmol xmol

43

•Beispiel2:ReaktionzwischenKaliumchromatundSalzsäureimStoffmengenverhältnis1:1GG: 2K2CrO4+2HCl→K2Cr2O7+2KCl+H2O

IG: 4K++2CrO42-+2H3O++2Cl-→2K++Cr2O72-+2K++2Cl-+3H2O

VIG: 2CrO42-+2H3O+→Cr2O72-+3H2O

VersucheundBeobachtung: 2CrO42- + 2H3O+ → Cr2O72- + 3H2O gelb farblos orange Beobachtung:Versuch1 +H3O+ orangeVersuch2 -H3O+

(+OH-)

gelb

SchlussfolgerungDurch Zugabe von Säure bildet sichmehr Dichromat (orange), die Reaktion ist nach rechts (Produkte)verschoben.DurchZugabevonBasebildetsichmehrChromat(gelb),dieReaktionistnachlinks(Edukte)verschoben.DieEdukteunddieProduktebefindensichimGleichgewicht!

2CrO42- + 2H3O+ ⇌ Cr2O72- + 3H2O

Start: 1mol 1mol 0mol 0mol-2xmol -2xmol +xmol +3xmol

Gleichgewicht: 1-2xmol 1-2xmol xmol 3xmol

•Beispiel3:ReaktionzwischenSchwefelsäureundNatriumchloridH2SO4(aq)+NaCl(aq)⇌NaHSO4(aq)+HCl(g)

DieReaktionverläuftnurvollständig, fallsdasGasChlorwasserstoffentweichenkann. IneinemoffenenSystemistdieReaktionvollständig.IneinemgeschlossenenSystembestehteinGleichgewicht:

H2SO4(aq) + NaCl(aq) ⇌ NaHSO4(aq) + HCl(g)Start: 1mol 1mol 0mol 0molGleichgewicht: 1-xmol 1-xmol xmol xmol

•Beispiel4:ReaktionzwischenSilbernitratundNatriumchloridGlobaleGleichung: AgNO3(aq)+NaCl(aq)⇌NaNO3(aq)+AgCl(s)

Ionengleichung: Ag+(aq)+NO3-(aq)+Na+(aq)+Cl-(aq)⇌Na+(aq)+NO3-(aq)+AgCl(s)

VereinfachteIonengleichung: Ag+(aq)+Cl-(aq)⇌AgCl(s)

EsbestehteinGleichgewichtzwischenSilberchloridunddenSilber-undChlorid-Ionen:Ag+(aq) + Cl-(aq) ⇌ AgCl(s)

Start: 1mol 1mol 0molGleichgewicht: 1-xmol 1-xmol xmol

44

3.PrinzipdeskleinstenZwanges(LeChâtelier)

a.VeränderungenderTemperatur

Beispiele:- 2NO2(g) ⇌ N2O4(g) ΔH<0 exotherm(Rückreaktion:endotherm)

braun farblosTemperaturerhöhung: dunkelbraun Gleichgewichtnachlinks(Edukt)verschobenTemperaturverminderung: fastfarblos Gleichgewichtnachrechts(Produkt)verschoben

-CaCO3(s)⇌CaO(s)+CO2(g)

ΔH>0 endotherm(Rückreaktion:exotherm)

Temperaturerhöhung: mehrCO2 Gleichgewichtnachrechts(Produkte)verschoben

Temperaturverminderung: mehrCaCO3 Gleichgewichtnachlinks(Edukt)verschoben

EinflussderTemperatur-EineTemperaturerhöhungverschiebtdasGleichgewichtindieendothermeRichtung.-EineTemperaturverminderungverschiebtdasGleichgewichtindieexothermeRichtung.

b.VeränderungenderStoffmengenkonzentration

Beispiele:-2CrO42-+2H3O+⇌Cr2O72-+3H2OcH3O+größer:Gleichgewichtnachrechts(Produkte)verschobencH3O+kleiner:Gleichgewichtnachlinks(Edukte)verschoben

-PBr5(s)⇌PBr3(l)+Br2(l)cBr2größer:Gleichgewichtnachlinks(Edukt)verschobencBr2kleiner:Gleichgewichtnachrechts(Produkte)verschoben

EinflussderStoffmengenkonzentration-EineErhöhungderStoffmengenkonzentrationeinesEduktesoderdieVerminderungderStoffmengenkonzentrationeinesProduktesverschiebtdasGleichgewichtinRichtungderProdukte.-EineVerminderungderStoffmengenkonzentrationeinesEduktesoderdieErhöhungderStoffmengenkonzentrationeinesProduktesverschiebtdasGleichgewichtinRichtungderEdukte.

c.VeränderungendesVolumens(oderdesDruckes)beikonstanterTemperatur

Beispiele:- 2NO2(g) ⇌ N2O4(g)

braun farblosVerminderungdesVolumens:oderErhöhungdesDrucks

Gleichgewichtnachrechts(Produkt)verschoben

ErhöhungdesVolumens:oderVerminderungdesDrucks

Gleichgewichtnachlinks(Edukt)verschoben

- H2SO4(aq)+NaCl(aq)⇌NaHSO4(aq)+HCl(g)VerminderungdesVolumensoderErhöhungdesDrucks

Gleichgewichtnachlinks(Edukt)verschoben

ErhöhungdesVolumensoderVerminderungdesDrucks

Gleichgewichtnachrechts(Produkt)verschoben

45

EinflussdesVolumensundEinflussdesDruckes-EineErhöhungdesVolumensodereineVerminderungdesDrucksverschiebtdasGleichgewichtinRichtungderGleichungwodiemeistenGasteilchenvorhandensind.-EineVerminderungdesVolumensodereineErhöhungdesDrucksverschiebtdasGleichgewichtinRichtungderGleichungwodiewenigstenGasteilchenvorhandensind.

d.PrinzipdeskleinstenZwanges(LeChâtelier)

EinGleichgewichtverschiebtsichimmerindieRichtung,inderdieFolgendesZwangesverringertwerden!

e.Aufgaben

1.ZwischenKohlenstoffdioxidundWasserbestehtfolgendesGleichgewicht:CO2+2H2O⇄HCO3-+2H3O+

a.WiewirktsichdieZugabevonNatronlaugeaufdiesesGleichgewichtaus?BegründedeineAntwort!

b.WiewirktsichdieZugabevonZitronensäureaufdiesesGleichgewichtaus?BegründedeineAntwort!

2 .Die katalytische Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid ist eine exothermeGleichgewichtsreaktion.a.StelledieGleichungaufundrichteein.

b.WiewirktsichZufuhrvonWärmeaufdasGleichgewichtaus?BegründedeineAntwort.

c.WiewirktsicheineVolumenverminderung(Druckerhöhung)aufdasGleichgewichtaus?BegründedeineAntwort.

46

d.WiewirktsicheineEntfernungvonSchwefeltrioxidaufdasGleichgewichtaus?BegründedeineAntwort.

e.WiewirktsicheineDruckverminderung(Volumenerhöhung)aufdasGleichgewichtaus?BegründedeineAntwort.

f.WiewirktsichAbkühlenaufdasGleichgewichtaus?BegründedeineAntwort.

2 .Bei hoher Temperatur ist die Zersetzung von Calciumcarbonat in Calciumoxid und KohlenstoffdioxideineendothermeGleichgewichtsreaktion.a.StelledieGleichungaufundrichteein.

b.WiewirktsichZufuhrvonWärmeaufdasGleichgewichtaus?BegründedeineAntwort.

c.WiewirktsicheineVolumenverminderung(Druckerhöhung)aufdasGleichgewichtaus?BegründedeineAntwort.

d .Wie wirkt sich eine Entfernung von Kohlenstoffdioxid auf das Gleichgewicht aus? Begründe deineAntwort.

47

4.Massenwirkungsgesetz(MWG)

a.GleichgewichtspunktBeispiel:H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g)

Hinreaktion:Edukte

Rückreaktion:Produkte

→

Reaktionsgemisch

Beieiner chemischenReaktion (Gleichgewicht) nimmtdieStoffmengenkonzentrationderEdukte ständigab,bisdasGleichgewichterreichtist.DieStoffmengenkonzentrationderProduktenimmtständigzu,bisdasGleichgewichterreichtist.AmGleichgewichtspunktbildensichimselbenMaßeProduktewieEdukteausdenProduktenentstehen:v(Hin)=v(Rück)vHin=kHin·cH2·cI2vRück=kRück·c2HIImGleichgewichtistvHin=vRück,manerhält:kHin·cH2·cI2=kRück·c

2HI

kHinkRück

=(cHI)2cH2·cI2

=Kc

b.Verallgemeinerunga·A+b·B⇌d·D+e·E

Kc=(cD)d·(cE)e(cA)a·(cB)b

KchängtvonderTemperaturunddemDruckab!

•Kc<<1 DasGleichgewichtiststarkinRichtungderEdukteverschoben;Produkt(cEdukte)>>Produkt(cProdukte);dieReaktionläuftfastnichtab.

•Kc<1 DasGleichgewichtistinRichtungderEdukteverschoben;Produkt(cEdukte)>Produkt(cProdukte).

•Kc=1 DasGleichgewichtistgleichmässigverschoben;Produkt(cEdukte)=Produkt(cProdukte).

•Kc>1 DasGleichgewichtistinRichtungderProdukteverschoben;Produkt(cEdukte)<Produkt(cProdukte).

•Kc>>1 DasGleichgewichtiststarkinRichtungderProdukteverschoben;Produkt(cEdukte)<<Produkt(cProdukte);dieReaktionistfastvollständig.

Bemerkung: Das MWG ist auch dann gültig, wenn die Geschwindigkeitsgesetze der Hin- und derRückreaktionandereTeilordnungenbesitzenalsdieKoeffizientenderEdukteundProdukte!

48

FallsA,B,DundEGasesind,danngiltfolgendesGasgesetz:p·V=n·R·TR=Konstante=0,082[l·atm·mol-1·K-1]Darausfolgt:

p= nV ·R·T=c·R·T

und

c= pR·T

durchEinsetzeninKcerhältman:

Kc=( pDRT )

d(pERT )

e

( pART )a(

pBRT )

b=

(pD)d(pE)

e(pA)

a(pB)b(RT)(a+b-d-e)

Kc=Kp·(RT)(a+b-d-e)=Kp·(RT)[(a+b)-(d+e)]

WenndieTeilchenanzahlwährendderReaktionnichtändert,dannistKcgleichKp:Kc=Kpdenn(RT)o=1;(a+b)=(d+e)

c.Aufgaben

1.FormulierefürfolgendeGleichungeninderGasphaseKpundKc!WiehängendiebeidenGleichgewichtskonstantenzusammen?

a.SO2(g)+12

O2(g)⇌SO3(g)

b.2H2(g)+O2(g)⇌2H2O(g)

c.CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2(g)

d.2NO2(g)⇌N2O4(g)

49

2 .Die Reaktion zwischen Stickstoffmonooxid und Sauerstoff zu Stickstoffdioxid ist eine exothermeGleichgewichtsreaktioninderGasphase.a.StelledieGleichungauf,richteeinundformulieredenAusdruckfürdieGleichgewichtskonstanteKc.

b.WieändertdieGleichgewichtskonstantebeieinerTemperaturveränderung?BegründedeineAntwort.

3 .Bei der Esterifikation reagiert Ethanol (C2H5OH) mit Essigsäure (CH3COOH) zu einem Ester(CH3COOC2H5)undWasser.a.StelledieGleichungauf.

b.StelledasMassenwirkungsgesetzaufundberechneKcfallsimGleichgewicht99,36gEthanol,129,60gEssigsäuresowie380,16gEsterund77,76gWasservorliegen.

4.GegebensindfolgendeGleichgewichtsreaktionen:(a)KohlensäuredissoziiertinWasserzuOxonium-IonenundHydrogencarbonat-Ionen(b)Hydrogencarbonat-IonendissoziiereninWasserzuOxonium-IonenundCarbonat-Ionen(c)KohlensäuredissoziiertinWasserzuOxonium-IonenundCarbonat-Ionena.GibdiedreiGleichungen(a),(b)und(c)an.

50

b.GibjeweilsdenAusdruckfürdieGleichgewichtskonstantenKc(a),Kc(b)undKc(c)an.

c.WelcheVerbindungbestehtzwischendendreiGleichungen?

d.WelcheVerbindungbestehtzwischendendreiGleichgewichtskonstanten?

5.SynthesevonIodwasserstoffa.GibdieGleichungfürdieseGleichgewichtsreaktionan.

b.IneinemReaktionsbehälterwerdenbei20°C1200mLWasserstoff(VM=24L·mol-1)und12,69gIodvermischtundauf448°Cerhitzt.NachEinstellendesGleichgewichtsbestimmtmandieMasseanIodzu2,794g.BerechnedieGleichgewichtskonstanteKc.

6.SyntheseeinesEstersUmeinenEster herzustellen,wirdEthanolmitEthansäure vermischt.AlsReaktionsprodukte erhältmaneinenEsterundWasser.ImReaktionsgemischbetragendieStoffmengenkonzentrationenvorderReaktion3,00mol·L-1Ethanol,6,00mol·L-1Ethansäureund2,75mol·L-1Wasser.a .Gib die Reaktionsgleichung mit den Namen der Edukte und der Produkte für dieseGleichgewichtsreaktionan.AlleKoeffizientensindgleich1.

51

b.BerechnedieZusammensetzungdesGemischesimGleichgewicht(Kc=4).

7.FürdieReaktionCO(g)+H2O(g)⇌CO2(g)+H2(g)besitztKcbei850°CdenWert1.EinBehältervon12LwirdbeidieserTemperaturmit3LKohlenstoffmonoxid,4LKohlenstoffdioxidund5LWasserstoffgefüllt.InwelchenVolumenanteilen(in%)sinddieseGasenachEinstellungdesGleichgewichtsvorhanden?

8.FüreinDissoziationsgleichgewichtAB⇌A+BbesitztKcbei25°CdenWert1.DieursprünglichenGleichgewichtskonzentrationen(cA=cB=cAB=1M)werdendurchZufügenvon1molAverändert(dasVolumendesReaktionsgemischesbeträgtunverändert1L).BerechnedieGleichgewichtskonzentrationendessichneueinstellendenGleichgewichts!

52

9.Ameisensäure(HCOOH)0,25MreagiertmitWasserzuOxonium-Ionen(H3O+)undFormiat-Ionen.a.StelledieReaktionsgleichungauf.

b. Wasser ist in dieser Reaktion sowohl Reaktionspartner wie auch Lösungsmittel. Berechne dieStoffmengenkonzentrationvonWasser(bei20°Chat1LWassereineMassevon0,9982kg).

c. Bei dieser Reaktion reagiert eine so geringe Menge von Ameisensäure, dass die Stoffmengen-konzentration von Wasser praktisch konstant bleibt. Deshalb definiert man Ks = cH2O · Kc. Gib dieAusdrückevonKcundvonKsan.

d. Für diese Reaktion istKs = 10-3,75. Berechne die Stoffmengenkonzentrationen von Ameisensäure,Oxonium-undFormiat-IonenimGleichgewicht.

10.Ammoniaksynthesea.GibdieReaktionsgleichungderBildungvonAmmoniakausElementenan.

b. Bei 600°C beträgt Kp für diese Reaktion 10-12. Gib denAusdruck für Kp an.WelcheGase sind beidiesenBedingungenhauptsächlichvorhanden?

c. Berechne bei 600°C die Gleichgewichtsdrücke der verschiedenen Gase, falls man Stickstoffgas(Partialdruck2000hPa)undWasserstoff(Partialdruck6000hPa)miteinanderreagierenlässt.

53

5.GleichgewichteanPhasengrenzflächen

a.FlüssigkeitundentsprechenderDampf

fortwährendverdunstet(verdampft)WasserzuWasserdampf,gleichzeitigkondensiertWasserdampfzuWasser:globalbleibtdieWasserdampfkonzentrationbeigegebenerTemperaturkonstant,esbestehteinGleichgewichtzwischenflüssigerPhaseundDampfphase

DasVerdampfenisteinendothermerVorgang,dasKondensiereneinexothermerVorgang:H2O(l)⇌H2O(g)ΔH=44kJ·mol-1

Aufgaben

1.WieändertderInnendruckeinesgeschlossenenSystemswelcheseinGasenthältbei:a.einerVolumenvergrößerungb.einerVolumenverminderung

2. Wie ändert der Innendruck eines geschlossenen Systems welches etwas Flüssigkeit enthält imVergleichmitAufgabe1bei:a.einerVolumenvergrößerungb.einerVolumenverminderung

3. Warum bleibt die Temperatur beim Verdampfen einer Flüssigkeit unter Wärmezufuhr oder beimKondensierendesentsprechendenDampfeskonstant?

54

b.GesättigteLösung

fortwährendlöstsichfestesSalzimWasserzuKationenundAnionenauf,gleichzeitigkristallisierenKationenundAnionenausderLösungzufestemSalz:globalbleibtdieStoffmengenkonzentrationdesSalzesbeigegebenerTemperaturkonstant,esbestehteinGleichgewichtzwischenflüssigerPhaseundfesterPhase

LöslichkeitundEnergieumsatz: dieLöslichkeit-exothermerLösungsvorgang ΔH<0 sinktbeiWärmezufuhr-endothermerLösungsvorgang ΔH>0 steigtbeiWärmezufuhr

-wederexo-nochendotherm ΔH=0(oderΔH~0)

ist(fast)unabhängigvonderTemperatur

(i)LöslichkeitsproduktKL(gesättigteLösungen)

Beispiel:schwerlöslichesSalzAaBbAaBb(s)⇌a·An+(aq)+b·Bm-(aq)KL=caAn+·cbBm-;konstantbeieinerbestimmtenTemperatur

LöslichkeitsprodukteeinigerSalze(25°C):AgBr KL=7,7·10-13mol2·L-2 Ag2S KL=8·10-51mol3·L-3

AgCl KL=1,77·10-10mol2·L-

2CaCO3 KL=4,96·10-9mol2L-2

Ag2CO3 KL=8,46·10-12mol3L-3 Ca(OH)2 KL=1,3·10-6mol3L-3

AgI KL=8,52·10-17mol2·L-

2PbCl2

KL=1,70·10-5mol3·L-

3

AgOH KL=1,5·10-8mol2·L-2 PbI2KL=8,51·10-9mol3·L-

3

Ag3PO4 KL=1,4·10-21mol4·L-4 Pb3(PO4)3 KL=1,0·10-54mol5L-5

Aufgaben1.BerechnedieLöslichkeit(Sättigungskonzentration)vonBlei(II)-iodidinWasser.

2.BerechnejeweilsmitHilfedesLöslichkeitsproduktesdieSättigungskonzentrationeninWasservona.Silberchlorid

55

b.Silberphosphat

3. Berechne jeweils das Löslichkeitsprodukt bei der angegebenen Temperatur aus den folgendenSättigungskonzentrationen:a.csSilberbromid=8,77·10

-7mol·L-1,T=25°C

b.csEisen(II)-hydroxid=1,60·10-5mol·L-1,T=18°C

c.csEisen(III)-hydroxid=4,49·10-10mol·L-1,T=18°C

4.BerechnedasLöslichkeitsproduktvonBismutsulfid(Bismut:Bi),ineinergesättigtenLösungbeträgtdieStoffmengenkonzentrationderSulfid-Ionen4,68·10-20mol·L-1.

56

5.BerechnedieLöslichkeitvonBlei(II)-phosphatsowiederinLösungbefindlichenIoneninmgL-1.

6.Aus 1,317 gSilbercarbonat und destilliertemWasser stelltman 5,0 L eines heterogenenGemischesher.BerechnedieMassedesBodensatzesinmg.

7.BerechnejeweilswelcheMasseSalzmaximalgelöstwerdenkann:a.Calciumhydroxidin250mLWasser(dest.).

b.MarmorineinemSchwimmbecken25mlang,12mbreitund1m50tiefmitWasser(dest.)gefüllt.

57

(ii)IonenproduktBariumnitratundNatriumsulfatsindzweisehrgutlöslicheSalze,wennmanLösungendieserSalzevermischt,bildetsichdasschwerlöslicheSalzBariumsulfatunddasgutlöslicheSalzNatriumnitrat:Ba(NO3)2(aq)+Na2SO4(aq)→BaSO4(s)+2NaNO3(aq)Umherauszufinden,obbeimZusammenschüttenvonzweiLösungeneineFällungstattfindet,berechnetmandasIonenproduktQdesschwerlöslichenSalzes:Q=cBa2+·cSO4

2-

FallsQ>KLdannfindeteineFällungstatt!

DiesgiltauchfürandereschwerlöslicheSalzeAaBb.DasIonenproduktQistdasProduktderStoffmengenkonzentrationenderIonendesentsprechendenschwerlöslichenSalzesAaBb:Q=caAn+·cbBm-FallsQ>KLdannfindeteineFällungstatt!

HinweisezurLösungderAufgaben:• WennzweiverschiedenehomogeneSalzlösungenvermischtwerden,bestimmtmanzuerstwelchesschwerlöslicheSalzAaBbsichbildenkann.

• ManbestimmtdasGesamtvolumendesReaktionsgemischesundbestimmtdieAnfangsstoffmengenkonzentrationencoAn+undcoBm-derIonendesschwerlöslichenSalzes.

• FallsdasIonenproduktQ=coaAn+·cobBm-denWertvonKLüberschreitet,dannfindeteineFällungstatt.

Aufgaben1. Eine wässrige Lösung enthält Chlorid-Ionen und Iodid-Ionen in gleicher Konzentration. WelchesSilberhalogenidfälltbeiZugabevonSilbernitratlösungzuerstaus?

2.ManwillSilber-IonensovollständigwiemöglichauseinerLösungentfernen.WelchederdreifolgendenMethodenistdiebeste?a.EswirdNatriumiodidhinzugegebenbiscI-=0,01mol·L-1

b.EswirdNatriumhydroxidhinzugegebenbiscOH-=0,1mol·L-1

c.EswirdNatriumsulfidhinzugegebenbiscS2-=0,001mol·L-1

58

3.Gibjeweilsan,obeineFällungstattfindet:a.100mL0,5MBlei(II)-nitratwerdenmit200mL0,1MNatriumiodidvermengt.

b.Mangibt10mLeinergesättigtenBlei(II)-chloridlösungzu10mLeiner0,2MKaliumiodidlösung.

59

4.Zu100mLeiner10-6MSilberhydroxid-Lösunggibtman50mLeiner0,1MNatronlauge.a.Giban,obeineFällungeintritt.

b.BerechnedieStoffmengenkonzentrationenimGleichgewicht.

c.BerechnedieMassedesNiederschlages.

60

VI.ChemischeReaktionundEnergie

1.ReaktionsenergieundReaktionsenthalpie

a.ExothermeundendothermeReaktionen

Beispiele:

•ReaktionvonZinkmitSalzsäure: dieTemperaturderLösungerhöhtsich⇒Wärmeenergiewirdfreigesetzt⇒exothermeReaktion

•AuflösenvonAmmoniumchloridinWasser: dieTemperaturderLösungverringertsich⇒Wärmeenergiewirdaufgenommen⇒endothermeReaktion

-ExothermeReaktion: Wärmeenergiewirdfreigesetzt Q<0-EndothermeReaktion: Wärmeenergiewirdaufgenommen Q>0

b.SystemundUmgebung

-System: RaumoderGefäßindemeineReaktionabläuft-Umgebung: verbleibenderRest-offenesSystem: Stoff-undEnergieaustauschsindmöglich

Beispiel:einReagenzglas.-geschlossenesSystem: keinStoffaustauschaberEnergieaustauschistmöglich

Beispiel:geschlossenerStahlbehälter.-isoliertesSystem: wederStoff-nochEnergieaustausch

Beispiel:geschlosseneThermosflasche.

c.StandardenthalpieNormalerweise laufen chemische Reaktionen in offenen Systemen und daher bei konstantem Druck(Umgebzungsdruck, Luftdruck) ab. Die bei offenen Systemen ausgetauschte Energie wird alsReaktionsenthalpie bezeichnet. Die Reaktionsenthalpie ist nicht nur druck- sondern auchtemperaturabhängig, deshalbdefiniertmanStandardbedingungenunter denenmanReaktionsenthalpienbestimmt:T=298K,p=1013hPa=1atm.,Symbol:ΔrHoStandardreaktionsenthalpie(inkJ)

DieStandardreaktionsenthalpiegibtan,welcheEnergiemengebeieiner chemischenReaktion ineinemoffenenSystemunterStandardbedingungeninsgesamtaufgenommenoderabgegebenwird.Die MolareStandardbildungsenthalpieΔfHo gibtan,welcheEnergiemengezurBildungeinesmoleinesReinstoffesunterStandardbedingungenbenötigtwird(ffürformation'Bildung'imEnglischen).

Für die Elemente ist die Molare Standardbildungsenthalpie gleich null, aber AchtungAUSNAHME:ClOHNBrIF,dieMolareStandardenthalpieistnullfürCl2,O2,H2,N2,Br2,I2undF2.

61

Beispiel:2H2(g)+O2(g)→2H2O(l)ΔrHo=-570kJfür2molWasser

darausfolgt:ΔfHoH2O(l)=

ΔrHon(H2O(l))

=-5702 =-285kJ·mol-1

AllgemeingiltfürdieBildungsenthalpie:ΔfHo=ΔrHon

DieStandardbildungsenthalpienfürdiegängigstenChemikaliensindtabellarischerfasst.

d.BerechnungenzuEnthalpieänderungenKenntmandieStandardbildungsenthalpienfüralleReaktionspartnereinerbestimmtenReaktion,sokannandieStandardreaktionsenthalpieberechnenohneeineeinzigeMessungvorzunehmen.

ΔrHo=Σin(Produkti)·ΔfHoProdukti-Σi

n(Edukti)·ΔfHoEduktiΔrHo=Summe(Stoffmenge·Bildungsenthalpie)Produkte-Summe(Stoffmenge·Bildungsenthalpie)EdukteBeispiel:BerechnedieStandardreaktionsenthalpiefürfolgendeReaktion:

Fe2O3(s)+3CO(g)→2Fe(s)+3CO2(g)

ΔrHo=n(Fe(s))·ΔfHoFe(s)+n(CO2(g))·ΔfHoCO2(g)-[n(Fe2O3(s))·ΔfHoFe2O3(s)+n(CO(g))·ΔfH

oCO(g)]

ΔrHo=2·0+3·(-393)-[1·(-824)+3·(-111)]ΔrHo=-22kJ

e.Aufgaben1.WielautetdieStandardreaktionsenthalpiefürdievollständigeVerbrennungsreaktionvonPropanol(C3H8O(l),ΔfH=-305kJ·mol-1),wennnurgasförmigeProdukteentstehen?

2.BeidervollständigenVerbrennungdesGasesButan(C4H10)werdenpromolButan2878kJWärmefreigesetzt.WielautetdieBildungsenthalpievonButanwennnurGasundWasserentstehen?

3.FormulierenSiedieReaktionendesMethans(CH4,gasförmig)unddesMethanols(CH3OH,flüssig,ΔfHo=-239kJ·mol-1)mitSauerstoff.EsentstehennurgasförmigeProdukte.BerechnenSiejeweilsdiemolareStandard-ReaktionsenthalpieundvergleichenSiedieWerte.

62

4.BerechnenSie fürdievollständigeVerbrennungdesMethanolsdieStandard-Reaktionsenthalpie, fallsnureinGasundWasserentstehen.

5.StellenSiefolgendeGleichungenaufundberechnenSiejeweilsdieStandard-Reaktionsenthalpien.a.ReaktionvonHydrazin(N2H4)mitSauerstoffzuStickstoffundWasserdampf.

b.ReaktionvonHydrazinmitDistickstofftetraoxidzudengleichenReaktionsprodukten.

c.BeiwelcherReaktionistdiefreigesetzteWärmemengeauf1molHydrazinbezogenamgrößten?

6 .DieReduktionvonBlei(II)-oxid (ΔfHo= -218kJ ·mol-1) mit KohlenstofflieferteinMetall undeinGaswelchesKalkwassertrübt.StellensiedieGleichungaufundberechnenSiedieStandard-Reaktionsenthalpiefür3,45gBlei(II)-oxid.

63

7.a.WennmanWasserdampfüberglühendeKohlenleitetdannerhältmanWassergas,einequimolaresGemischausKohlenstoffmonooxidundWasserstoff.StellenSiedieGleichungaufundberechnenSieobdieseReaktionunterStandardbedingungenendothermoderexothermverläuft.

b.BerechnenSiewelcheWärmemengefreigesetztwird,wenndasWassergas,dasmanaus1,00kgKohlenstofferhaltenhat,vollständigverbranntwird.

8.GebenSiedieGleichungfürdieReaktionvonSalzsäuremitZinkan.Wiekannmanexperimentellfeststellen,obdieseReaktionendothermoderexothermverläuft?

9.Methylamid(CH3CONH2(s))verbrenntvollständigzuKohlenstoffdioxid,StickstoffundWasser.StellenSiedieGleichungaufundberechnenSiedieStandard-BildungsenthalpievonMethylamid(1molMethylamidsetzt1178,5kJWärmeenergiefrei.)

64

2.SpezifischeWärmekapazität

DiespezifischeWärmekapazitätgibtdieEnergiemengean,diebenötigtwirdumdieTemperaturvoneinerStoffportionm=1gum1Kzuerhöhen.

Beispiele:-SpezifischeWärmekapazitätvondestilliertemWasser:cw=4,186Jg-1K-1

-VerdünntewässerigeLösungen:c=4,2Jg-1K-1

-Glas:c=0,8Jg-1K-1

BenötigteEnergiemengeummgWasserumΔTKzuerhöhen:Q=cw·m·ΔT[J](Jg-1K-1·g·K)

Beispielaufgaben:•WelcheEnergiemengeinkJwirdbenötigt,um2,50kgWasservon17°Cauf95°Czuerhitzen?

• Welche Wärmemenge in kJ wird beim Abkühlen einer Teekanne (0,480 kg) von 90°C auf 40 °Cfreigesetzt?

3.EnthalpieänderungenbeiAggregatzuständen

Aufgaben1.BerechnedieEnergiemengeinkJdiemanbenötigtum0,155LWasserzuverdampfen(ρWasser=0,998g·mL-1;molareVerdampfungsenthalpieΔVHm=40,7kJ·mol-1)

2 .Welche Energiemenge ist notwendig um 375 g Eis (0°C) zu verflüssigen und anschliessend zuverdampfen?(molareSchmelzenthalpieΔSHm=6kJmol-1).

65

3.a.EinFreilandschwimmbecken(50mlang,12mbreit)wirdimWintervoneiner5cmdickenEisschichtüberzogen (ρEis = 0,916 g ·mL-1). Berechne dieWärmemengewelche bei diesemVorgang freigesetztwird.

b .Berechne die Wärmemenge welche benötigt wird, um eine 5 mm dicke Wasserschicht desSchwimmbeckenszuverdampfen.

4.Verbrennungsenthalpie

Primärenergieträger:Steinkohle,Braunkohle,Erdöl,Erdgas,Sonnenenergie,Windenergie...

Sekundärenergieträger:werdenausPrimärenergieträgernhergestellt:-ausErdölerhältmanBenzin,Diesel,Gas;-ausSteinkohleBriketts;-ausKohle,Sonnenenergie,Windenergie...elektrischeEnergie

Verbrennungsenthalpie (kJ): Verbrennungswärme welche durch die vollständige Verbrennung einerbestimmtenStoffmengeeinesBrennstoffsfreigesetztwird.

-MolareVerbrennungsenthalpie= VerbrennungsenthalpieStoffmenge (kJ·mol-1)

-SpezifischeVerbrennungsenthalpie= VerbrennungsenthalpieMasse (MJ·kg-1)

-Enthalpiedichte= VerbrennungsenthalpieVolumen (MJ·L-1)

Aufgaben1.BerechnedieMasseanErdöl,dasmanverbrennenmüsste,um1,75TonnenEisauftauenzukönnen.

2. a. Formuliere die Reaktionsgleichung der Umsetzung von Alkohol (C2H6O) mit Sauerstoff zuKohlenstoffdioxidundWasser.

b.BerechnedieentstehendeVerbrennungswärme,dieimKörpereinesMenschenwährendeinesJahresgebildetwird,derimDurchschnitttäglichzweiGläserRotwein(12,5%vol,150mL/Glas)trinkt(SpezifischeVerbrennungswärmeAlkohol=29,7MJ·kg-1;ρRotwein=0,992g·ml-1;ρAlkohol=0,79g·ml-1).

66

c.BerechnedieGewichtszunahmefalls80ProzentderVerbrennungswärmeinFormvonFettgespeichertwürde(benutzediespezifischeVerbrennungswärmevonFett).

3.a.StelledieGleichungenfürdievollständigeVerbrennungvonPropan(C3H8(g),ΔfHo=-104kJ·mol-1)undAceton(C3H6O(l),ΔfHo=-248kJ·mol-1)auf,undberechnejeweilsdieReaktionsenthalpie(esentstehennurgasförmigeProdukte).

b.BerechnejeweilsdiespezifischeEnthalpieunddieEnthalpiedichte(VM=24,0L·mol-1,ρ(Aceton)=0,784g·mL-1).

5.SatzvonHess

Beispiel1:BestimmungderStandard-Reaktionsenthalpie(ΔrHo)fürdieBildungvonKohlenstoffmonoxid.TheoretischlässtsichdieserVorgangleichtdurchfolgendeGleichungdarstellen:2C(s)+O2(g)→2CO(g)ΔrHo=?ΔrHo kann experimentell nicht bestimmtwerdenweil dasReaktionsprodukt CO gleichzeitig teilweise zuCO2oxidiertwird.WennmandieReaktionsbedingungensowählt,dassgenügendSauerstoffvorhandenist,dannerfolgtdievollständigeVerbrennungvonKohlenstoffzuKohlenstoffdioxid:C(s)+O2(g)→CO2(g)ΔrHo1=-393kJ;problemlosexperimentellermittelbarChemischkannmanCOauchreinherstellen(ZersetzungvonAmeisensäure)unddannverbrennen:2CO(g)+O2(g)→2CO2(g)ΔrHo2=-564kJ;problemlosexperimentellermittelbarDie vollständige Verbrennung von Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid kann man auch mit Hilfe von 2Teilgleichungen(1)und(2)darstellen:

(1) 2C(s)+O2(g)→2CO(g) ΔrHo

(2) 2CO(g)+O2(g)→2CO2(g) ΔrHo2_______________________

(1)+(2) 2C(s)+2O2(g)→2CO2(g) 2·ΔrHo1

DiesgiltnatürlichauchfürdieausgetauschtenEnthalpien:Enthalpie(1)+(2) = Enthalpie(1) + Enthalpie(2)2·ΔrHo1 = ΔrHo + ΔrHo2

67

DurchEinsetzenderWerteundUmstellungerhältman:2·(-393)=ΔrHo+(-564)ΔrHo=2·(-393)+564=-222kJ=ReaktionsenthalpiefürdieBildungvonKohlenstoffmonoxid!DieStandard-BildungsenthalpiefürKohlenstoffmonoxidlässtsichjetztauchleichtberechnen:ΔfHo=-222/2=-111kJ·mol-1

DarstellungderVorgängeimEnergiediagramm:

Weg1oderWeg2:VomenergetischenStandpunktausgesehensindbeideWegegleich,dadieselbeEnergiemengefreigesetztwird.

SatzvonHessDieEnthalpieänderungΔHistunabhängigvomReaktionsweg.

Beispiel2:BestimmungderBildungsenthalpievonMethangasCH4(g)

•C(s)+2H2(g)→CH4(g)ΔrHo=?experimentellnichtermittelbarweilReaktionunvollständig!•DieReaktionsenthalpiefürdievollständigeVerbrennungvonMethanhingegenistleichtzubestimmen:CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(l)ΔrHo1=-888kJ•DieReaktionsenthalpiefürdievollständigeVerbrennungeinesKohlenstoff/WasserstoffgemischesistmitHilfederBildungsenthalpienproblemloszuberechnen:C(s)+2H2(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(l)ΔrHo2=(-393)+2·(-285)=-963kJ

•SchematischeDarstellungundBerechnung:

Weg1oderWeg2:ΔrHo+ΔrHo1=ΔrHo2ΔrHo-888=-963ΔrHo=-963+888ΔrHo=-75kJ

68

6.MolareBildungsenthalpienfürIonen

Beispiel:BildungvonSalzsäureausChlorwasserstoffundWasserHCl(g)+H2O(l)→H3O+(aq)+Cl-(aq)ΔrHo=-75kJ·mol-1

DabeiderBildungeinesAnionsautomatischaucheinKationgebildetwird,istesunmöglichdieBildungsenthalpieΔfHoeinesbestimmtenAnionsoderKationszubestimmen.UmtrotzdemvergleichbareWertezuerhaltensetztmanΔfHoH3O+(aq)=ΔfHoH2O(l)=-285kJ·mol-1

DarausfolgtnunfürdiemolareBildungsenthalpiefürdasChlorid-Ion:ΔrHo=ΔfHoH3O+(aq)+ΔfHoCl-(aq)-ΔfHoHCl(g)-ΔfHoH2O(l)

-75=-285+ΔfHoCl-(aq)-(-92)-(-285)ΔfHoCl-(aq)=-167kJ·mol-1

AufgabeBeimAuflösenvonAmmoniumnitrat(ΔfHo=-366kJ·mol-1)imWassersinktdieTemperatur,dieWärmedieentzogenwirdbeträgt26kJ·mol-1.BerechnediemolareBildungsenthalpiefürdasNitrat-Ion.

69

7.EnthalpieundspontanerAblaufvonchemischenReaktionen

Spontane Reaktion: Eine Reaktion, welche (einmal gestartet) selbständig abläuft, dabei spielt dieGeschwindigkeitkeineRolle.

Beispiele(einKatalysatorbeschleunigtdieseReaktionen):- BildungvonRost(exotherm)- Knallgasreaktion(exotherm)- Verbrennungsreaktionen(exotherm)Aus ähnlichen Beispielen stellte unter anderen der französische Chemiker Marcellin Berthelot (1827 -1907)folgendeRegelauf:EineexothermeReaktionläuftfreiwilligab!

EsgibtaberauchvieleGegenbeispiele:- DasAuflösenvonAmmoniumchloridinWasseristendothermundtrotzdemspontan!

NH4Cl(s) NH4+(aq)+Cl-(aq)Q>0- DieVerbindungDistickstoffpentaoxidkannmanzwarherstellen,sieistaberinstabilundexplodiert

selbständigendotherm!2N2O5(s)→4NO2(g)+O2(g)Q>0

- DasKondensieren(ÜbergangvonDämpfenzuFlüssigkeiten)unddasErstarren(ÜbergangvonFlüssigkeitenzuFeststoffen)sindexothermeVorgänge,wennBerthelotsRegelstimmenwürde,dannmüsstejederDampfspontanzueinerFlüssigkeitkondensierenundjedeFlüssigkeitspontanzueinemFeststofferstarren!DiesistabernichtderFall!

Schlussfolgerung:EineexothermeReaktionistnichtnotwendigerweisespontan:BerthelotsBehauptungstimmtnicht!AndereFaktorensindauchnochvonBedeutung.

8.DieEntropieSeinesSystems

DieEntropieSeinesSystemskannmanalsMaßfürdieUnordnungeinesSystemsinterpretieren:SpontanephysikalischeundchemischeVorgängegehenstetsmiteinerErhöhungderEntropie(ErhöhungderUnordnung)desGesamtsystemseinher(PrinzipdesEntropiemaximums,dermaximalenEntropie).

Beispiele:- endothermesVerdunsteneinerFlüssigkeit(zumBeispielWasserbeiRaumtemperatur)

H2O(l)→H2O(g)DieUnordnungnimmtzu,dieTeilchenkönnensichinderLuftnochschneller,chaotischerfortbewegen.

- endothermes Auflösen eines kristallinen löslichen Feststoffes in einer Flüssigkeit (zum BeispielAuflösenvonNH4ClimWasser)Die Unordnung nimmt zu, im kristallinen Zustand ist die Ordnung sehr gross, in der Lösung ist dieUnordnungsehrgross.

- ZunahmederTeilchenanzahl2N2O5(s)→4NO2(g)+O2(g)JemehrTeilchen(EduktekeinGasteilchen,Produkte6Gasteilchen)destogrößerdieUnordnung.

DieEntropiewirdgrößer,fallsdieTemperaturerhöhtwird,denndadurcherhöhtsichdieEigenbewegungderTeilchen,dieUnordnungwirdgrößer.GleichesgiltfallsdieStoffmengenkonzentrationerhöhtwird,oderderDruckverringertwird.Je geringer die Temperatur desto kleiner die Eigenbewegung der Teilchen und somit geringer dieUnordnungundsomit auchkleinerdieEntropie.AmabsolutenNullpunkt (T→0K)besitzendieAtomekeineEigenbewegungmehr,dieEntropieistgleichnull.

70

ZunahmederEntropieeinesReinstoffesvon~0KbiszurStandardtemperatur:Beispiel:Chlorwasserstoff,Schmelzpunkt=159K,Siedepunkt=188K.

DieÄnderungderStandard-EntropieΔrSowährendeinerchemischenReaktionlässtsichaufähnlicheArtundWeiseberechnenwiedieÄnderungderStandard-Enthalpie-Werte:ΔrSo=Summe(Stoffmenge·Entropie)Produkte-Summe(Stoffmenge·Entropie)Edukte

9.FreieEnthalpieΔG:BestimmungobeinechemischeReaktionspontanverläuft

DieGibbs-Helmholtz-GleichungzeigtdasZusammenspielzwischenEnthalpieundEntropie:

Gibbs-Helmholtz-Gleichung

ΔG=ΔH-T·ΔS;

ΔG:freieEnthalpieΔH:Enthalpiefaktor(ÄnderungderEnthalpiekJ·mol-1)-T·ΔS:Entropiefaktor(TabsoluteTemperaturinK,ΔSÄnderungderEntropieinkJ·mol-1·K-1)

EineReaktionverläuftspontanfallsΔG<0,exergonischeReaktionEineReaktionverläuftnichtspontanfallsΔG>0,endergonischeReaktionEineReaktionistimGleichgewichtfallsΔG=0

71

ZusammenwirkenvonEnthalpieΔHundEntropiefaktor(-T·ΔS:)

Beispiele:a.VollständigeVerbrennungvonPropanC3H8(g)C3H8(g)+5O2(g)→3CO2(g)+4H2O(g)

exothermeReaktion⇒ΔrH<0

AnzahlTeilchen↑Unordnung↑Entropie↑⇒ΔrS>0,

-T·ΔrS<0

DieseReaktionverläuftimmerexergonisch,dennΔrG<0injedemFall!

b.SynthesevonAmmoniakN2(g)+3H2(g)→2NH3(g)

exothermeReaktion⇒ΔrH<0

AnzahlTeilchen↓Unordnung↓Entropie↓⇒ΔrS<0,

-T·ΔrS>0

DieseReaktionverläuftexergonisch,falls|ΔrH|>|-T·ΔrS|BeizuhoherTemperaturverläuftdieseReaktionendergonisch!

c.SynthesevonWassergasH2O(g)+C(s)→CO(g)+H2(g)

endothermeReaktion⇒ΔrH>0

AnzahlTeilchen↑Unordnung↑Entropie↑⇒ΔrS>0,

-T·ΔrS<0

DieseReaktionverläuftexergonisch,falls|ΔrH|<|-T·ΔrS|BeizuniedrigerTemperaturverläuftdieseReaktionendergonisch!

72

d.BildungvonOzonausSauerstoff3O2(g)→2O3(g)

endothermeReaktion⇒ΔrH>0

AnzahlTeilchen↓Unordnung↓Entropie↓⇒ΔrS<0,

-T·ΔrS>0

DieseReaktionverläuftimmerendergonisch,dennΔrG>0injedemFall!

10.Aufgaben

1.Eisen(III)-oxidreagiertmitKohlenstoffmonooxidzueinemMetallundKohlenstoffdioxid.StelledieGleichungaufundberechnediefreieStandard-Enthalpie.

2.StellefürdiefolgendenReaktionenjeweilsdieGleichungaufundberechnedieEnthalpie,dieEntropieunddiefreieEnthalpie.InterpretierejeweilsdieEntropie-Werte.a.DasSalzCobalt(II)-chloridhexahydratreagiertmitderFlüssigkeitThionylchlorid(SOCl2;So=216JK-1

mol-1)zuChlorwasserstoff,SchwefeldioxidundCobalt(II)-chlorid.

b.DerFeststoffDistickstoffpentoxidzerfälltzuStickstoffdioxidundSauerstoffgas.

73

3.ImLiebig-KühlerwirdAceton((CH3)2CO,farbloseFüssigkeitbeiRaumtemperatur)kondensiert.ErkläremitHilfederGibbs-Helmholtz-Gleichung(Formeln+Energiediagramm)wiesodieserVorgangnichtspontanabläuft.

4.BeiderElektrolysevonWasserwerdenzweigasförmigeElementegebildet.ErkläremitHilfederGibbs-Helmholtz-Gleichung(Formeln+Energiediagramm).

5.BerechnediefreieStandardenthalpiefürdieSynthesevonWasserdampf.

6.a.WieändertdieEntropiewenn50mlEthanol(ρ=0,79g·mL-1)bei25°Cverdunsten?

b.WieändertdieEntropiewenn50mlEthanol(ΔVH=40,5kJ·mol-1)bei78°C(Siedepunkt)verdampfen?

74

7.a.StelledieGleichungfürdieSynthesevonAmmoniakauf(Gleichgewichtsreaktion).

b.BerechnediefreieStandardenthalpie.

c.BerechnediefreieEnthalpiebei650°C(unterderAnnahme,dassdieStandardenthalpie-undStandardentropie-WertebeidieserTemperaturnochgültigsind).

d.AbwelcherTemperaturverläuftdieReaktionendergonisch?(Hinweis:amWendepunktgiltΔG=0)

75

VII.Säure-Base-Reaktionen

1.Protonenübergänge

a.Säure-Base-DefinitionnachBrönsted- Teilchen, die bei einer Reaktion Protonen abgeben, nennt man im Sinne von Brönsted Säuren(Protonendonatoren).

- Teilchen, die bei einer Reaktion Protonen aufnehmen, nennt man Brönsted Basen(Protonenakzeptoren).

b.ProtolysenProtolysensindchemischeReaktionenbeidenenProtonenvonSäurenaufBasenübergehen.

AufgabeBenutzeStrukturformelnumdiestufenweiseProtolysevonSchwefelwasserstoffzuerklären.GibaucheinevereinfachteSchreibweisean.

c.Säure-Base-Paare

HA + B- → A- + BH HA / A-

S1 B2 B1 S2 BH / B-

HAisteineSäure(S1,Protonendonator)undgibteinProtonab,derSäurerestA-istdiekorrespondierendeBase (B1, Protonenakzeptor) denn durchAufnahme eines Protons kann wieder die Säure HA gebildetwerden:HA/A-isteinSäure/BasePaar

H2OverhältsichalsBase(B2,Protonenakzeptor)undbildetH3O+durchAufnahmeeinesProtons.H3O+

istdiekorrespondierendeSäure(S2,Protonenakzeptor)vonH2O:H3O+/H2OisteinSäure/BasePaar

AufgabeGib die stufenweise Protolse von Phosphorsäure an. Gib alle Säure-Base-Paare an und benenne dieTeilchen.

76

d.Ampholyte

Teilchen,diejenachReaktionspartneralsSäureoderalsBasereagieren,bezeichnetmanalsamphotereTeilchenoderAmpholyte.

Beispiele:(i)WasserH2O

-H+ -H+ Säure / Base-Paar

H3O+ ⇌ H2O ⇌ OH- H3O+ / H2O

+H+ +H+ H2O / OH-S1 ⇌ B1

S2 ⇌ B2

H2OkannsowohlProtonenabgeben(Säurecharakter)wieauchaufnehmen(Basecharakter).Wasser isteinAmpholyt!

(ii)HydrogenphosphatHPO42-

-H+ -H+ Säure / Base-Paar

H2PO4- ⇌ HPO42- ⇌ PO43- H2PO4- / HPO42-

+H+ +H+ HPO42- / PO43-

S1 ⇌ B1S2 ⇌ B2

HPO42- kann sowohl Protonen abgeben (Säurecharakter) wie auch aufnehmen (Basecharakter).HydrogenphosphatisteinAmpholyt!DiePhosphat-Gruppe(PO43-,B2)kannnurProtonenaufnehmen,PO43-kannsichnuralsBaseverhalten.

AufgabeGibanobfolgendeTeilchenAmpholytesind.BegründejeweilsdeineAntwort!a.Hydrogencarbonat

b.Wasserstoffbromid

c.Hydrogensulfid

77

d.Oxid-Ion

2.AutoprotolysedesWassersundpH-Wert

a.DasIonenproduktdesWassers

Reines Wasser leitet geringfügig den elektrischen Strom: in reinem Wasser müssen deshalb Ionenvorhandensein!DieseIonenstammenvonderAutoprotolysedesWassers:H2O + H2O ⇌ OH- + H3O+S1 B2 B1 S2

FürdieGleichgewichtskonstanteKerhältman:

K=cOH-·cH3O+

(cH2O)2

(1)

DieexperimentelleBestimmungvoncOH-undcH3O+bei25°CergibtgeringeWerte:

cOH-=cH3O+=10-7mol·L-1

BesondersgeringistdieseStoffmengenkonzentrationimVergleichmitderStoffmengenkonzentrationdesWassers:

ρ(H2O)=0,997g·mL-1,1LWasserhatdahereineMassem=997g,

diesentsprichteinerStoffmenge n=mH2OMH2O

= 99718≈55,4mol

DarausfolgtcH2O=nH2OVH2O

= 55,41 =55,4mol·L-1>>10-7mol·L-1;

DieVeränderungderStoffmengenkonzentrationistsogering,dasscH2Opraktischkonstantbleibt!

DeshalbintegriertmandenWertinK,sodassmaneineneueGleichgewichtskonstanteKwerhält:

Aus(1): K·c2H2O=cOH-·cH3O+

Kw=cOH-·cH3O+

DasProduktcOH-·cH3O+nenntmandasIonenproduktdesWassers.

Für25°CgiltcOH-=cH3O+=10-7mol·L-1;mankannKwalsoberechnen:

Kw=cOH-·cH3O+=10-7.10-7=10-14mol2.L-2

DieserKw-WertgiltauchfürverdünnteLösungen!

DasProduktderKonzentrationenderOxonium-IonenundderHydroxid-IonennenntmandasIonenproduktdesWassers.BeieinerTemperaturvon25°CistKw=10-14mol2.L-2.

78

b.DerpH-Wert

DefinitionenpH=-log(cH3O+) 10-pH=cH3O+

pOH=-log(cOH-) 10-pOH=cOH-

pKw=-log(Kw) 10-pKw=Kw

Der pH-Wert berechnet sich aus dem negativen Logarithmus des Zahlenwertes der Oxonium-Ionenkonzentration.

Kw=cOH-·cH3O+|-log()log(a·b)=log(a)+log(b)-log(Kw)=-log(cOH-)-log(cH3O+)pKw=pOH+pHBei25°Cerhältman:pOH+pH=14

pH+pOH=14(bei25°C)

IneinerneutralenverdünntenLösung(25°C)gilt:cH3O+=cOH-=10-7mol·L-1.Dies gilt natürlich auch für destilliertes Wasser. Man kann nun den pH-Wert einer neutralen Lösungberechnen:pH=-log(cH3O+)=-log(10-7)=7

DieZusammenhängezwischencH3O+,cOH-undpH-Bereichewerden inderpH-Skalaundder folgendenTabelleverdeutlicht:

Lösung pH pOH

Neutral cOH-=cH3O+ cH3O+=10-7M =7 cOH-=10-7M =7

Sauer cOH-<<cH3O+ cH3O+>10-7M <7 cOH-<10-7M >7

Basisch cOH->>cH3O+ cH3O+<10-7M >7 cOH->10-7M <7

AufgabeBerechnejeweilsdenpH-WertderfolgendenLösungenundgibdenpH-Bereichan.a.cH3O+=3,5·10-4mol·L-1 c.cH3O+=0,0025mol·L-1

b.cOH-=3,5·10-4mol·L-1 d.cOH-=0,0075mol·L-1

79

3.BerechnungdespH-WertesvonstarkenSäurenundstarkenBasen

a.StarkeSäuren

DiestarkeSäureHAistinWasservollständigprotolysiert:HA + H2O → H3O+ + A-

Start co 55,4M 0* 0

Ende 0 55,4M cH3O+=co cA-=co*Eigentlich10-7MH3O+,fürSäurekonzentration≥10-4MwirddieAutoprotolysedesWassersvernachlässigt

WeildieProtolysevollständigistgiltfüreinestarkeSäureHA:cH3O+=coHADerpH-WertderLösungkannnuneinfachberechnetwerden:pH=-log(cH3O+)=-log(coHA)

b.StarkeBasen

Durch das vollständigeAuflösen vonHydroxidbasen erhältman Laugen, dieHydroxidbasen sind starkeBasen.WeildieProtolysevollständigistgiltfüreinestarkeHydroxidbaseB(OH)x:cOH-=x·coB(OH)nDerpH-WertderLösungkannnuneinfachberechnetwerden:pH=14-pOH=14+log(cOH-)=14+log(x·coB(OH)x)

AufgabeGib jeweils die Gleichung für die vollständige Protolyse der starken Säure oder das Auflösen desHydroxidsinWasseran.BerechnedannjeweilsdenpH-WertderLösung.a.Salzsäure0,05M

b.Kalilauge0,025M

c.Salpetersäure,in250mLLösungbefindensich0,315gSalpetersäure

d.Kalkwasser0,025M

e.250mLSalzsäure0,05Mwerdenmit100mLSalzsäure0,075MvermischtundgenügenddestilliertesWassserhinzugefügtbisdasVolumenderLösung500mLbeträgt.

80

VIII.OrganischeChemie

1.NomenklaturderAlkoholeundderHalogenalkane

a.DiehomologeReihederAlkanoleName VereinfachteStrukturformel ChemischeFormel

Methanol CH3-OH CH3-OHoderCH4O

Ethanol CH3-CH2-OH C2H5-OHoderC2H6O

Propan-1-ol CH3-CH2-CH2-OH C3H7-OHoderC3H8O

Butan-1-ol CH3-CH2-CH2-CH2-OH C4H9-OHoderC4H10O

Pentan-1-ol CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-OH C5H11-OHoderC5H12O

1H-AtomdesentsprechendenAlkanswirddurcheineHydroxy-Gruppe(-OH,veraltetHydroxyl)ersetzt.Name:Alkanol⇒Endsilbe"ol"AllgemeineSummenformel:CnH2n+1OHoderCnH2n+2O

b.BenennungderAlkohole

DieNomenklaturerfolgtanalogzurNomenklaturderAlkane,derStammnamewirddurchdielängsteKettewelchedieHydroxy-Funktionträgtbestimmt.

Beispiel:Butanol 1-Butanol primärerAlkanol 1C-C-Bindung*

2-Butanol sekundärerAlkanol 2C-C-Bindungen*

2-Methyl-1-propanol primärerAlkanol 1C-C-Bindungen*

2-Methyl-2-propanol tertiärerAlkanol 3C-C-Bindungen*

*C-AtomwelchesdieOH-GruppeträgtbesitztxC-C-Bindungen

c.Aufgaben

1.GiballeIsomere(HalbstrukturformelnundNamen)vonC5H11OHan.JedeStrukturmusseineHydroxy-Gruppeenthalten.

81

2.GibjeweilsdieHalbstrukturformelunddieSkelettformelan.a.2,3,4,5-Tetramethylhexan-3-ol b.3-Ethyl-2,6-dimethylheptan-1-ol

c.2,2,3,3-Tetramethylpentan-1-ol d.2,2,3,4,5-Pentamethylnonan-3-ol

e.3-Ethyl-2-methylpentan-2-ol f.3,3-Diethyl-2-methylpentan-1-ol

g.2-Brom-2,3,4-trichlor-4-methylhexan-1-ol

h.3-Chlor-3-ethyl-2-methylpentan-1-ol

i.4-Ethyl-2,3-dimethyloctan-2-ol j.1-Ethyl-2,3-dimethylcyclohexanol

k.2-Brom-2,3-dichlor-4-methylhexan-1-ol l.3,4-Diethyl-2,2,5-trimethylheptan-3-ol

82

2.Additionsreaktionen

a.EinetypischeReaktionderAlkene

•Versuche:Hexan+Bromwasser;schütteln keineReaktion

Hex-1-en+Bromwasser;schütteln; Entfärbung,chemischeReaktion

DiesisteineNachweisreaktionderAlkene:sieentfärbenBromwasser!

•Erklärung(amBeispielvonEthen):

+

Ethen Brom 1,2-Dibromethan

Bindungendiezerstörtwerden neueBindungen

-DieDoppelbindungwirdzerstörtunddurch2Einfachbindungenersetzt-ImReaktionsproduktsindalleAtomederEdukteenthalten⇒eshandeltsichumeineAdditionsreaktion.

b.AdditionaufsymmetrischeAlkene

Beispiele:- Hydrierung:AdditionvonWasserstoff

Ethan

- AdditionvonWasser

Ethanol

- AdditionvonBromwasserstoff

Bromethan

BeiderAdditionaufeinsymmetrischesAlkenentstehtnureinReaktionsprodukt.ImReaktionsproduktsindalleAtomederEdukteenthalten.DieseReaktionensindalleexotherm,benötigenabereinenKatalysatorumbrauchbareMengenanProduktenzuerhalten.

83

c.AdditionaufunsymmetrischeAlkene

Beispiele:- AdditionvonWasser

Propan-2-olgroßerAnteil*

Propan-1-olkleinerAnteil*

- AdditionvonBromwasserstoff

2-BrompropangroßerAnteil*

1-BrompropankleinerAnteil*

*Markovnikov-Regel:DasH-AtombindetsichvorzugsweiseaufdasC-Atom(desEduktes)mitdenmeistenH-Atomen.

Bei der Addition auf ein Alken entstehenzwei Produktefalls dasAdditionsmolekül auchunsymmetrisch ist. Die Anteile der beiden Produkte kann man mit Hilfe der Markovnikov-Regelbestimmen.Obwohl zwei Produkte entstehen sind die angegebenenGleichungen eingerichtet, weil alleAtomederEdukteinverschiedenenAnteilenaufdiezweiProdukteverteiltsind.Wenn dasAdditionsmolekül symmetrisch ist (Wasserstoff oder ein Halogen), dann entsteht nureinProdukt.

d.AufgabeGib jeweils die Reaktionsgleichung mit Halbstrukturformeln an und gib die Namen (und Anteile) derProduktean.a.ReaktionvonChlormit(E)-2-Penten.

b.ReaktionvonBrommit2-Methylpropen.

c.ReaktionvonIodmit2,3-Dimethyl-2-buten.

84

d.ReaktionvonChlorwasserstoffmit2-Methyl-2-penten.

e.ReaktionvonBromwasserstoffmit2-Methyl-2-buten.

f.ReaktionvonWassermit2,3-Dimethyl-2-hexen.

g.ReaktionvonWasserstoffmitPropin.

h.ReaktionvonChlormit2-Butin.

85

3.Eliminierungsreaktionen

DieEliminierungistdieUmkehrreaktionderAddition.AusAlkanen(verzweigtoderunverzweigt)erhältmanAlkene.DieEliminierungerfordertmeistenshoheTemperaturenundKatalysatorenumabzulaufen.

a.BeispielevonEliminierungsreaktionen

- DehydrierungvonAlkanen:EliminierungvonWasserstoff

Ethan Ethen Wasserstoff

- EliminierungvonHalogenwasserstoffmolekülen

Bromethan Ethen Bromwasserstoff

AusAlkoholenerhältmanebenfallsAlkenedurchEliminierungvonWasser.

b.Aufgabe

GibjeweilsdieReaktionsgleichungmitHalbstrukturformelnanundgibdieNamenderProduktean.a.EliminierungvonWasserausPropan-2-ol.

b.EliminierungvonWasserstoffausPropan.

c.EliminierungvonChlorwasserstoffaus2-Chlorbutan.

86

4.Substitutionsreaktionen

a.HalogenierungvonAlkanen

Beispiel:HalogenierenvonHexanmitBrom

1-Bromhexan(DerivatdesHexans)

1H-Atomwirddurch1Br-Atomersetzt(substituiert)⇒SubstitutionsreaktionDieseSubstitutionisteineunselektiveReaktion,dennnebenallenanderenMonobromhexanenerhältmanauchnochmehrfachsubstituierteDerivatedesHexans.

b.HalogenierungvonAlkoholen

Beispiel:HalogenierenvonEthanolmitBromwasserstoffsäureHBr(aq)(H3O++Br-)

1OH-Gruppewirddurch1Br-Atomersetzt(substituiert)⇒SubstitutionsreaktionDieseSubstitutionisteineselektiveReaktion,dennsiefindetnuraufdemC-AtomwelchesdieOH-Gruppeträgtstatt.

- EinechemischeReaktion,beiderAtomeoderAtomgruppenineinemMoleküldurchandereAtomeoderAtomgruppenersetztwerden,nenntmanSubstitution.

- AlkanekönnenvonHalogenenunterLichteinwirkungsubstituiertwerden.- AlkoholekönnenvonHalogenwasserstoffensubstituiertwerden.

c.Aufgaben

1.GibjeweilsdieReaktionsgleichungmitHalbstrukturformelnanundgibdieNamenderProduktean.a.ReaktionvonMethanmitChlorunterLichteinwirkung

b.ReaktionvonMethanolmitChlorwasserstoff

c.ReaktionvonChlorwasserstoffmit1-Penten

87

d.ReaktionvonWassermitE-2-Penten.

e.ReaktionvonBromwasserstoffmit2-Methyl-2-buten

f.EliminierungvonChlorwasserstoffaus3-Chlor-3-methylhexan

g.EliminierungvonWasseraus3-Pentanol

h.EliminierungvonWasseraus2-Pentanol

i.ReaktionvonEthanmitBromunterLichteinwirkung

88

j.Reaktionvon2,3-Dimethyl-1-butanolmitBromwasserstoff

k.ReaktionvonChlorwasserstoffmit2,3-Dimethyl-2-hexen

l.EliminierungvonBromwasserstoffaus2-Brom-2,3-dimethylhexan

m.EliminierungvonWasseraus2-Methyl-2-propanol

n.EliminierungvonWasseraus2-Methyl-3-pentanol

o.ReaktionvonBromwasserstoffmit2,3,4-Trimethyl-1-hexanol