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Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie Andreas Rammo Allgemeine und Anorganische Chemie Universität des Saarlandes E-Mail: [email protected]

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Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie

Andreas Rammo

Allgemeine und Anorganische Chemie

Universität des Saarlandes

E-Mail: [email protected]

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Copyright Hinweis

Alle elektronischen Unterlagen zu dieser Vorlesung sind ausschließlich

für das eigene Studium bestimmt und dürfen nicht weitergegeben,

reproduziert oder in anderen Dokumenten verwendet werden.

Auch wenn nicht ausdrücklich gekennzeichnet, können einzelne

Abbildungen aus copyright geschützten Quellen stammen.

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Lehrbücher

• allgemeine chemische und physikalisch-chemische

Grundlagen sowie das Grundwissen über anorganische

und organische Chemie, Biochemie und Kernchemie

• leicht verständlich und gut lesbar

• 35 didaktisch aufbereitete Kapitel zu allgemein

chemischen und physikalisch-chemischen Grundlagen

• anschaulich und übersichtlich gestaltet

• Glossar zu jedem Kapitel

• Komplett vierfarbig

• Beispiele zur Veranschaulichung von

Rechenverfahren, Übungsaufgaben mit Lösungen zur

Selbstkontrolle, Lösungswege im Internet abrufbar

• aufklappbares Periodensystem

• Kapitel zum Umgang mit Gefahrstoffen

Charles E. Mortimer, Ulrich

Müller, Chemie, Georg Thieme

Verlag, 2010

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Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 4

Lehrbücher

• chemische Querverbindungen zwischen den

Grundlagen und technologischen Anwendungen

• Alltagschemie in diesem Buch eine besondere Rolle:

Der Student soll die Bedeutung von grundlegenden

chemischen Vorgängen für den Menschen im

Allgemeinen und dem Ingenieur im Besonderen

nachvollziehen lernen.

• einleitende Fragestellungen und praktische Beispiele

am Kapitelbeginn

• Lösungsvorschläge, welche die Chemie zu

Problemstellungen anbieten kann

• jedes Kapitel schließt mit einer Zusammenfassung

der wichtigsten Begriffe und Definitionen

• Übungsaufgaben und reflektierende Fragen

• Glossar mit zentralen Fachbegriffen und

Erläuterungen

Guido Kickelbick, Chemie für

Ingenieure, Pearson Verlag,

2008

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Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 5

Lehrbücher

Chemie - Studieren kompakt

• Lehrstoff wird wissenschaftlich präzise,

stilistisch klar und leicht verständlich

präsentiert

• zahlreiche Bezüge zum Alltag

• schöne und übersichtliche grafische

Aufbereitung

• Anschauungsmaterial auf der Companion

Website

• Übungsaufgaben online gestellt

Chemie - Prüfungstraining:

Übungsaufgaben mit Lösungen

Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay,

Bruce E. Bursten, Chemie – Studieren

kompakt, Pearson Verlag, 2011

Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay,

Bruce E. Bursten, Chemie-

Prüfungstraining, Pearson Verlag, 2011

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Allgemeines – Vorlesungszeiten, Klausuren großer Hörsaal der Chemie, Gebäude C4.3

Vorlesungen mit Übungen:

montags: 14.15 - 15.45 Uhr (Doppelstunde)

mittwochs: 12.15 - 13.45 Uhr (Doppelstunde)

donnerstags: 08.30 - 09.15 Uhr

Bei den Klausuren sind folgende Hilfsmittel erlaubt:

- Schreibutensilien

- Taschenrechner

- iPhones und Handys sind nicht erlaubt und müssen

ausgeschaltet sein!

Nicht vergessen: Studentenausweis!

1.Klausurtermin:

07.12.16

12.15 – 13.45 Uhr ! !

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Allgemeines – E-Learning Plattform

Informationen zu den Vorlesungen werden am „schwarzen Brett“ von Prof.

Scheschkewitz im Foyer der Chemie bekannt gegeben oder sind einsehbar im

Internet unter:

http://www.uni-saarland.de/fak8/scheschkewitz/html/student_page.html

Hier:

• können Folien der Vorlesung als pdf-Files heruntergeladen werden.

• werden Klausurergebnisse bekannt gegeben.

• werden Beispielklausuren eingestellt.

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1. Materie, Stoff, Verbindung, Element

2. Aufbau der Atome

3. Aufbau des Periodensystems

4. Theorie der chemischen Bindung

5. Chemische Reaktion

6. Chemische Gleichgewichte

Vorlesungsgliederung

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Was ist Chemie?

Chemie Physik

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Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 10

Was ist Chemie?

Definition Chemie:

Chemie ist die Lehre

vom Aufbau, Verhalten

und der Umwandlung

von Stoffen sowie den

dabei geltenden Ge-

setzmäßigkeiten.

Definition Physik:

Die Physik ist die Lehre von den

Eigenschaften und Zustandsformen

sowie den Bewegungen der

unbelebten Materie, den diese

Bewegungen hervorrufenden Kräf-

ten oder Wechselwirkungen und

den dabei wirkenden Gesetz-

mäßigkeiten.

Chemie Physik

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Was ist Chemie?

Bei einer chemischen

Reaktion entsteht ein neuer

Stoff mit anderen Eigen-

schaften (z.B. Farbe).

Dabei entsteht aus einem

oder mehreren „Edukten“

ein oder mehrere

„Produkte“.

Bei einem physikalischen Vor-

gang bleiben die Eigenschaften

eines Stoffes erhalten.

Lediglich eine Zustands-

änderung tritt ein, z.B. die

äußere Form eines Stoffes

oder sein Aggregatzustand

ändern sich.

Bsp.:

Wasserstoff + Sauerstoff Wasser

Bsp.:

Verformen eines Metalls

Chemie Physik

Aggregatzustand: Er bezeichnet qualitativ verschiedene, temperatur- und druckabhängige

physikalische Zustände von Stoffen (fest, flüssig, gasförmig, kristallin, amorph).

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Chemie

Technische

Chemie

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Fachgebiete der Chemie

Analytische

Chemie

Physikalische

Chemie

Organische

Chemie

Biochemie

Anorganische

Chemie

Allgemeine

Chemie

Kernchemie

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Gesetz der Erhaltung der Masse

Antoine Lavoisier: Begründer der modernen Chemie

Antoine Lavoisier,

1743 - 1794

Gesetz der Erhaltung der Masse:

Bei chemischen Reaktionen ist die Summe aller Massen der

Ausgangsstoffe genau gleich groß wie die Summe der Massen aller

Endstoffe.

Zerlegung von Quecksilberoxid

Quecksilberoxid Sauerstoff

Quecksilber

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Quecksilberoxid

Zerlegung von Quecksilberoxid

Quecksilberoxid

Quecksilber

Sauerstoff

Quecksilberoxid

Elemente, Verbindungen, Gemische

Verbindung: lässt

sich weiter zerlegen.

A. Lavoisier:

(Robert Boyle, 1661)

Element: lässt sich

NICHT weiter zerlegen.

Quecksilberoxid Sauerstoff

Quecksilber

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Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 15

Klassifizierung der Stoffe

Heterogene Gemische:

Veränderliche Zusammensetzung aus

erkennbar unterschiedlichen Teilchen

Homogene Stoffe:

Veränderliche Zusammensetzung aber

einheitliches Aussehen

Homogene Gemische:

Homogene Gemische reiner Stoffe

(veränderliche Zusammensetzung)

Reine Stoffe:

Aus Elementen oder Verbindungen

aufgebaut (feste Zusammensetzung)

Verbindungen:

Aus verschiedenen Elementen in

definierte Zusammensetzung

aufgebaut.

Materie

Heterogene Gemische

Homogene Stoffe

Homogene Gemische

Reine Stoffe

Verbin-dungen

Elemente

Physikalische Trennung

Physikalische Trennung

Chemische Trennung

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Beispiele für heterogene Gemische

Glitter make up

Müsli Gummibärchen

Hefe-Weizenbier

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Klassifizierung der Stoffe

Heterogene Gemische:

Veränderliche Zusammensetzung aus

erkennbar unterschiedlichen Teilchen

Homogene Stoffe:

Veränderliche Zusammensetzung aber

einheitliches Aussehen

Homogene Gemische:

Homogene Gemische reiner Stoffe

(veränderliche Zusammensetzung)

Reine Stoffe:

Aus Elementen oder Verbindungen

aufgebaut (feste Zusammensetzung)

Verbindungen:

Aus verschiedenen Elementen in

definierte Zusammensetzung

aufgebaut.

Materie

Heterogene Gemische

Homogene Stoffe

Homogene Gemische

Reine Stoffe

Verbin-dungen

Elemente

Physikalische Trennung

Physikalische Trennung

Chemische Trennung

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Homogene Gemische - Beispiele

Gasgemische:

Legierung = feste Lösung

Lösungen:

- feste Lösungen

- flüssige Lösungen

- gelöste Gase in Flüssigkeiten

Messing (Kupfer/Zink)

Bronze (Kupfer ≥ 60%)

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Klassifizierung heterogener Gemische

Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele

fest - fest

fest – flüssig

fest - gasförmig

festes Sol

feste Emulsion

fester, kolloidaler

Schaum

Granit

Butter

Bimsstein

flüssig – fest

flüssig – flüssig

flüssig –gasförmig

kolloidale Lösung

Emulsion

Schaum

Malerfarbe

Milch

Seifenschaum

gasförmig – fest

gasförmig - flüssig

Rauch

Nebel

Aerosol

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Klassifizierung heterogener Gemische

Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele

fest - fest

fest – flüssig

fest - gasförmig

festes Sol

feste Emulsion

fester, kolloidaler

Schaum

Granit

Butter

Bimsstein

flüssig – fest

flüssig – flüssig

flüssig –gasförmig

kolloidale Lösung

Emulsion

Schaum

Malerfarbe

Milch

Seifenschaum

gasförmig – fest

gasförmig - flüssig

Rauch

Nebel

Aerosol

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Festes Sol - Granit

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Klassifizierung heterogener Gemische

Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele

fest - fest

fest – flüssig

fest - gasförmig

festes Sol

feste Emulsion

fester, kolloidaler

Schaum

Granit

Butter

Bimsstein

flüssig – fest

flüssig – flüssig

flüssig –gasförmig

kolloidale Lösung

Emulsion

Schaum

Malerfarbe

Milch

Seifenschaum

gasförmig – fest

gasförmig - flüssig

Rauch

Nebel

Aerosol

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Herstellung von Margarine

Bei Bio-Margarinen dürfen keine chemischen Verfahren eingesetzt werden. Die

Streichfähigkeit wird stattdessen auf physikalischem Weg durch Kälteprozesse oder

durch die Beimischung fester Fette (z. Bsp. Palmfett) erzeugt.

Katalytische Hydrierung

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Klassifizierung heterogener Gemische

Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele

fest - fest

fest – flüssig

fest - gasförmig

festes Sol

feste Emulsion

fester, kolloidaler

Schaum

Granit

Butter

Bimsstein

flüssig – fest

flüssig – flüssig

flüssig –gasförmig

kolloidale Lösung

Emulsion

Schaum

Malerfarbe

Milch

Seifenschaum

gasförmig – fest

gasförmig - flüssig

Rauch

Nebel

Aerosol

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Kolloidaler Schaum - Bimsstein

Bimsstein: fester, kolloidaler Schaum Sol (fest-gasförmig)

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Kolloidaler Schaum - Styropor

Styropor: fester, kolloidaler Schaum Sol (fest-gasförmig)

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Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 27

Klassifizierung heterogener Gemische

Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele

fest - fest

fest – flüssig

fest - gasförmig

festes Sol

feste Emulsion

fester, kolloidaler

Schaum

Granit

Butter

Bimsstein

flüssig – fest

flüssig – flüssig

flüssig –gasförmig

kolloidale Lösung

Emulsion

Schaum

Malerfarbe

Milch

Seifenschaum

gasförmig – fest

gasförmig - flüssig

Rauch

Nebel

Aerosol

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Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 28

Kolloidale Lösung - Malerfarbe

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Klassifizierung heterogener Gemische

Kolloide:

Kolloide sind Teilchen oder Tröpfchen, die in einem anderen Medium (Feststoff, Gas

oder Flüssigkeit), dem Dispersionsmedium, fein verteilt sind. Das einzelne Kolloid

ist typischerweise zwischen 1 nm und 1 µm groß.

Einteilung der dispersen Phase nach ihrer Teilchengröße:

Tyndall-Effekt:

Streuung von Licht an submikroskopischen Schwebeteilchen, mit Abmessungen

ähnlich der Lichtwellenlänge, die in einer Flüssigkeit oder einem Gas suspendiert

sind.

Bezeichnung Teilchengröße Beispiel

molekular dispers gelöst < 1 nm echte Lösung, fluide

Phasen

kolloid dispers gelöst 1 nm - 1μm Proteinlösungen

grob dispers gelöst > 1μm Milchfettkügelchen

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Tyndall-Effekt

NaCl-Lösung Tensidlösung

Anwendung des Tyndall-Effekts in optischen Rauchmeldern.

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Klassifizierung heterogener Gemische

Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele

fest - fest

fest – flüssig

fest - gasförmig

festes Sol

feste Emulsion

fester, kolloidaler

Schaum

Granit

Butter

Bimsstein

flüssig – fest

flüssig – flüssig

flüssig –gasförmig

kolloidale Lösung

Emulsion

Schaum

Malerfarbe

Milch

Seifenschaum

gasförmig – fest

gasförmig - flüssig

Rauch

Nebel

Aerosol

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Emulsion - Milch

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Klassifizierung heterogener Gemische

Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele

fest - fest

fest – flüssig

fest - gasförmig

festes Sol

feste Emulsion

fester, kolloidaler

Schaum

Granit

Butter

Bimsstein

flüssig – fest

flüssig – flüssig

flüssig –gasförmig

kolloidale Lösung

Emulsion

Schaum

Malerfarbe

Milch

Seifenschaum

gasförmig – fest

gasförmig - flüssig

Rauch

Nebel

Aerosol

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Schaum - Seifenschaum

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Klassifizierung heterogener Gemische

Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele

fest - fest

fest – flüssig

fest - gasförmig

festes Sol

feste Emulsion

fester, kolloidaler

Schaum

Granit

Butter

Bimsstein

flüssig – fest

flüssig – flüssig

flüssig –gasförmig

kolloidale Lösung

Emulsion

Schaum

Malerfarbe

Milch

Seifenschaum

gasförmig – fest

gasförmig - flüssig

Rauch

Nebel

Aerosol

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Aerosol - Rauch

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Klassifizierung heterogener Gemische

Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele

fest - fest

fest – flüssig

fest - gasförmig

festes Sol

feste Emulsion

fester, kolloidaler

Schaum

Granit

Butter

Bimsstein

flüssig – fest

flüssig – flüssig

flüssig –gasförmig

kolloidale Lösung

Emulsion

Schaum

Malerfarbe

Milch

Seifenschaum

gasförmig – fest

gasförmig - flüssig

Rauch

Nebel

Aerosol

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Aerosol - Nebel

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Stofftrennung

Heterogene Gemische

Trennung durch physikalische Verfahren:

Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden

(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).

Sieben (Trennung über Teilchengröße)

Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)

Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)

Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen

Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter

Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen

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Stofftrennung

Heterogene Gemische

Trennung durch physikalische Verfahren:

Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden

(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).

Sieben (Trennung über Teilchengröße)

Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)

Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)

Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen

Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter

Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen

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Stofftrennung

sortieren / aussortieren

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Stofftrennung

Heterogene Gemische

Trennung durch physikalische Verfahren:

Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden

(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).

Sieben (Trennung über Teilchengröße)

Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)

Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)

Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen

Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter

Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen

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Stofftrennung - Sieben

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Molekularsiebe - Zeolithe

Zeolith A

Na12((AlO2)12(SiO2)12) • 27 H2O

Faujasit

(Na,Ca0,5,Mg0,5,K)• (AlxSi12- x O24) • 16 H2O

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Stofftrennung

Heterogene Gemische

Trennung durch physikalische Verfahren:

Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden

(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).

Sieben (Trennung über Teilchengröße)

Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)

Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)

Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen

Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter

Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen

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Stofftrennung

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Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 48

Stofftrennung

Heterogene Gemische

Trennung durch physikalische Verfahren:

Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden

(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).

Sieben (Trennung über Teilchengröße)

Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)

Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)

Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen

Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter

Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen

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Stofftrennung

90 % aller Kupfer-, Zink- und Bleierze werden durch Flotation aufkonzentriert

Flotiertes Kupfersulfid

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Stofftrennung

Heterogene Gemische

Trennung durch physikalische Verfahren:

Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden

(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).

Sieben (Trennung über Teilchengröße)

Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)

Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)

Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen

Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter

Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen

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Stofftrennung

Absetzbecken Kläranlage - Sedimentation Sedimentation und

Dekantieren

Zentrifuge

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Stofftrennung

Heterogene Gemische

Trennung durch physikalische Verfahren:

Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden

(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).

Sieben (Trennung über Teilchengröße)

Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)

Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)

Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen

Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter

Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen

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Stofftrennung

Luftfilter - Auto Büchnertrichter

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Stofftrennung

Heterogene Gemische

Trennung durch physikalische Verfahren:

Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten

Abdampfen, Trocknen: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte

Sublimieren: Trennung durch unterschiedlicher Sublimationspunkte

Sublimation:

Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand

ohne sich vorher zu verflüssigen (schmelzen).

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Stofftrennung

Heterogene Gemische

Trennung durch physikalische Verfahren:

Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten

Abdampfen, Trocknen: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte

Sublimieren: Trennung durch unterschiedlicher Sublimationspunkte

Sublimation:

Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand

ohne sich vorher zu verflüssigen (schmelzen).

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Stofftrennung

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Stofftrennung

Heterogene Gemische

Trennung durch physikalische Verfahren:

Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten

Abdampfen, Trocknen: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte

Sublimieren: Trennung durch unterschiedlicher Sublimationspunkte

Sublimation:

Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand

ohne sich vorher zu verflüssigen (schmelzen).

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Stofftrennung

sublimiertes Iod

sublimiertes Ferrocen

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Stofftrennung

Homogene Gemische

Trennung durch Änderung der physikalischen Bedingungen:

Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten

Kristallisation: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten

Destillation: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte

Chromatographie: Trennung durch unterschiedliche Verteilung von

Stoffen zwischen mobiler und stationärer Phase

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Stofftrennung

Homogene Gemische

Trennung durch Änderung der physikalischen Bedingungen:

Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten

Kristallisation: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten

Destillation: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte

Chromatographie: Trennung durch unterschiedliche Verteilung von

Stoffen zwischen mobiler und stationärer Phase

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Stofftrennung

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Destillation von Erdöl

Fördermengen der OPEC-

Mitgliedsländer (Mio Barrel, tägl.)

Naher

Osten

Saudi Arabien

Iran

Irak

V. A. Emirate

Kuwait

Katar

8,4

3,72

2,55

2,35

2,32

0,82

Afrika

Nigeria

Libyen

Algerien

2,1

1,59

1,25

Amerika Venezuela 2,21

Ecuador 0,47

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Stofftrennung

Homogene Gemische

Trennung durch Änderung der physikalischen Bedingungen:

Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten

Kristallisation: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten

Destillation: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte

Chromatographie: Trennung durch unterschiedliche Verteilung von

Stoffen zwischen mobiler und stationärer Phase

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Stofftrennung

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Gesetz der konstanten Proportionen

2 Volumenanteile

Wasserstoff

1 Volumenanteil

Sauerstoff

Hofmann´scher Zersetzungsapparat

Wasser + Energie Wasserstoff + Sauerstoff

Volumenverhältnis: 2 : 1

Massenverhältnis : 1 : 7,936

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Analoge Beobachtungen bei anderen Verbindungen:

Chlorwasserstoff: Wasserstoff : Chlor = 1 : 35,175

Ammoniak: Wasserstoff : Stickstoff = 1 : 4,632

Methan: Wasserstoff : Kohlenstoff = 1 : 2,979

Gesetz der konstanten Proportionen

Joseph Louis Proust

1754 - 1826

Gesetz der konstanten Proportionen:

Das Massenverhältnis zweier sich zu einer chemischen Verbindung vereini-

gender Elemente ist konstant.

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Gesetz der multiplen Proportionen

Sauerstoff + Stickstoff 5 unterschiedliche Verbindungen

Verb. 1: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 0,571 : 1 = (1 • 0,571) : 1

Verb. 2: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 1,142 : 1 = (2 • 0,571) : 1

Verb. 3: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 1,713 : 1 = (3 • 0,571) : 1

Verb. 4: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 2,284 : 1 = (4 • 0,571) : 1

Verb. 5: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 2,855 : 1 = (5 • 0,571) : 1

John Dalton, 1766 - 1844

Gesetz der multiplen Proportionen:

Die Massenverhältnisse zweier sich zu verschiedenen

chemischen Verbindungen vereinigender Elemente

stehen im Verhältnis ganzer Zahlen zueinander.

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Einführung in die Atomtheorie

John Dalton, 1766 - 1844

Dalton´sche Atomtheorie (1803- 1808):

Elemente bestehen aus extrem kleinen Teilchen, den

Atomen. Alle Atome eine Elements sind gleich und die

Atome verschiedener Elemente sind verschieden.

Bei chemischen Reaktionen werden Atome miteinander

verbunden oder voneinander getrennt. Dabei werden nie

Atome zerstört oder neu gebildet, und kein Atom eines

Elements wird in das eines anderen Elements verwandelt.

Eine chemische Verbindung resultiert aus der Verknüpfung

der Atome von zwei oder mehr Elementen. Eine gegebene

Verbindung enthält immer die gleichen Atomsorten, die in

einem festen Mengenverhältnis miteinander verknüpft sind.

Atom

Der Name leitet sich vom griechischen ἄτομος átomos ab, was „das Unzerschneidbare“

bedeutet (von ἀ a ‚un-‘ und τέμνειν témnein ‚schneiden‘, häufig auch übersetzt mit „das

Unteilbare“). Atome sind die kleinste Einheit, in die sich Materie mit chemischen oder

mechanischen Mitteln zerlegen lässt.

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Chemisches Volumengesetz

1 Vol. Wasserstoff + 1 Vol. Chlor 2 Vol. Chlorwasserstoff

3 Vol. Wasserstoff + 1 Vol. Stickstoff 2 Vol. Ammoniak

Joseph Louis Gay-Lussac

1778 - 1850

Chemisches Volumengesetz:

Das Volumenverhältnis gasförmiger, an einer chemischen

Umsetzung beteiligter Stoffe lässt sich bei gegebener

Temperatur und Druck durch einfache ganze Zahlen

wiedergegeben.

Amedeo Avogadro

1776 - 1856

Die Massen gleicher Volumina elementarer Gase verhalten

sich wie die Verbindungsmassen dieser Gase oder deren

Vielfache.

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Avogadrosche Molekülhypothese

Amedeo Avogadro

1776 - 1856

Erwartet:

1 Vol. Wasserstoff + 1 Vol. Chlor 1 Vol. Chlorwasserstoff

Schlussfolgerung:

Gleiche Volumina von Wasserstoff und Chlor besitzen nicht die gleiche Anzahl von

Atomen, sondern eine gleiche Anzahl größerer, mindestens aus zwei Atomen

bestehenden Komplexen, den sog. Molekülen (A. Avogadro, 1811).

,,, +

+

Gefunden:

1 Vol. Wasserstoff + 1 Vol. Chlor 2 Vol. Chlorwasserstoff

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Avogadrosches Gesetz

Amedeo Avogadro

1776 - 1856

Avogadrosches Gesetz:

Gleiche Volumina idealer Gase enthalten bei gleichem Druck und gleicher

Temperatur gleich viele Moleküle.

+ =

1 Vol. 1 Vol. 2 Vol.

Wasserstoff Chlor Chlorwasserstoff

+ =

1 Vol. 2 Vol.

Wasserstoff Sauerstoff

2 Vol.

Wasserdampf

3 Vol.

Wasserstoff

+ =

1 Vol.

Stickstoff

2 Vol.

Ammoniak

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Das Elektron

Dalton´sche Atomtheorie: Atome sind die kleinstmöglichen Bausteine der Materie.

Humphry Davy (1778 – 1829)

Zersetzung von Verbindungen mit elektrischem Strom.

Anziehungskräfte werden auf elektrische Gründe zurück geführt

(1807 – 1808).

Michael Faraday (1791 – 1867):

Beziehung zwischen zersetzter Stoffmenge und eingesetzter

Strommenge (1832 – 1833).

Faradayschen Gesetze!

George Johnstone Stoney (1826 – 1911):

Schlägt die Existenz von elektrischen Ladungsträgern vor, die mit

Atomen assoziiert sind. 1891 gab er diesen Ladungsträgern den

Namen Elektron.

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Das Elektron

Julius Plücker (1801 – 1868):

Endeckung der Kathodenstrahlung, beim Versuch Strom durch

Vakuum zu leiten (1859).

Strahlen stellen schnell

bewegte, negativ

geladene Teilchenströme

dar, die Elektronen.

Unabhängig von der

Zusammensetzung der

Kathode werden immer

Elektronen gleicher Art

abgestrahlt.

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Die Ladung des Elektrons – Millikan-Versuch

Robert A. Millikan

1868 – 1953

Nobelpreis 1923

Elementarladung des Elektrons = 1,602177 • 10-19 C

Masse des Elektrons = 9,1094 • 10-28 g

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Das Proton

Erzeugung von positiv geladenen Kanalstrahlen

Joseph J. Thomson

1856 - 1940

Wilhelm Wien

1864 - 1928

Bsp.: Ne Ne+ Ne2+ e- e-

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Das Neutron

Elektrisch neutrale Atome: bestehen aus Elektronen + Protonen

Elektronenzahl = Protonenzahl

Problem: Masse der Atome (Ausnahme Wasserstoff) ist größer als die Summe

der Massen der darin enthaltenen Protonen und Elektronen.

Ernest Rutherford (1871 – 1937)

Postuliert 1920 die Existenz zusätzlicher,

ungeladener Teilchen.

James Chadwick (1891 – 1974)

Weist 1932 die Existenz des Neutrons aus

Messwerten von Kernprozessen nach.

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Das Rutherford-Atommodell

Ablenkung und Rückstoß von α-Teil-

chen durch die Atomkerne einer

Metallfolie.

Beschuss einer 0,004 mm dicken

Gold-, Silber- oder Kupferfolie mit

α-Teilchen (= 2-fach positiv

geladene Teilchen).

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Das Rutherford-Atommodell

Schlussfolgerungen:

• Ein Atom besteht aus einem Atomkern und Elektronen.

• Fast die gesamte Masse und die ganze positive Ladung ist im Atomkern

vereinigt.

• Protonen werden durch starke Kernkräfte zusammen gehalten (obwohl

Protonen sich gegenseitig abstoßen!)

• Die Elektronen nehmen fast das ganze Volumen des Atoms ein.

• Die Elektronen befinden sich außerhalb des Atomkerns und umkreisen ihn in

schneller Bewegung.

• Anzahl der Protonen im Kern stimmt mit der Anzahl der Elektronen überein

(Neutralitätsregel).

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Das Rutherford-Atommodell

Durchmesser von

Atomkernen = 10-15 m (1 fm = 1 Femtometer)

Atomen = 100 • 10-12 – 400 • 10-12 m (100 – 400 pm)

Verhältnis Durchmesser Atomkern : Atom = 1/10 000 – 1/ 100 000

Der Großteil eines Atoms ist leerer Raum!

Masse [g] Masse [u]* Ladung [e]** Symbol

Elektron 9,10939 • 10-28 0,00054858 - 1 e-

Proton 1,67262 • 10-24 1,007276 + 1 p

Neutron 1,67493 • 10-24 1,008665 0 n

* Eine Atommasseneinheit [u] ist 1/12 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C.

** Die Einheit der Ladung ist e = 1,602177 • 10-28 Coulomb.

Subatomare Teilchen

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Elementsymbole / Atomsymbole

Lavoisier Altphilosophen

Feuer Erde Wasser Luft

Alchemisten

Zinn Blei Gold Schwefel

Quecksilber Silber Eisen

Dalton

Wasser- Magne- Sauer- Schwefel

stoff sium stoff

Ammoniak Kohlendioxid

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Elementsymbole / Atomsymbole

El Massenzahl

Ordnungszahl El

Anzahl Protonen

Anzahl Neutronen

Anzahl Protonen

+

Anzahl Elektronen

=

H 1

1 1 Proton + 1 Elektron

Cl 35

17 17 Protonen + 18 Neutronen + 17 Elektronen

C 12

6 6 Protonen + 6 Neutronen + 6 Elektronen

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Isotope

1 Proton + 1 Neutron + 1 Elektron

H 1

1 1 Proton + 1 Elektron

H 2

1

H 3

1 1 Proton + 2 Neutronen + 1 Elektron

Wasserstoff

Deuterium

= schwerer Wasserstoff

Tritium

= überschwerer Wasserstoff

Isotope (griechisch ἴσος, ísos „gleich“ und τόπος, tópos „Ort, Stelle“)

Isotope sind Atome des selben Elements, aber mit unterschiedlichen Massen-

zahlen. Isotope eines Elements haben die gleiche Anzahl an Protonen, aber

eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen.

= D

= T

= H

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Isotope

Reinelement:

Chemisches Element, von dem nur ein einziges Isotop existiert. Es besteht aus

den gleichen Atomen, welche die selbe Anzahl an Protonen und Neutronen im

Atomkern enthalten.

Es existieren 22 Reinelemente, z. Bsp. F, Na, Al, P, …

Physikalische Eigenschaften von Wasserstoff

Eigenschaften H2 HD D2 T2

Siedepunkt [K] 20,39 22,13 23,67 25,04

Gefrierpunkt [K] 15,95 16,60 18,65 ---

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Isotope

Physikalische Eigenschaften von H2O und D2O

Eigenschaften H2O D2O

Siedepunkt [°C] 100 101,42

Gefrierpunkt [°C] 0 3,8

Temp. Dichtemax. [°C] 3,96 11,6

Dichte bei 20°C [g/cm3] 0,99823 1,10530

Ionenprodukt bei 25°C 1,01 • 10-14 0,195 • 10-14

[mol2/l2]

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Isotopentrennung - Massenspektrometrie

Ablenkung im Massenspektrometer ~ e/m Beispiel eines Massenspektrogramms

Massen-analysator

Dedektor Datensystem Ionenquelle

Einlass-System

Vakuum

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Isotopentrennung – Technisch wichtige Verfahren

Urananreicherung

Gaszentrifugenverfahren

Trennung von 235UF6 und 238UF6

Schweres Wasser D2O

Elektrolyse von Wasser

Ausnutzung des Isotopeneffekts

Anreicherung von

schwerem Wasser

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Isotopentrennung – Technisch wichtige Verfahren

K. Clusius, Chem. Ing. Tech. 35, 422 (1963).

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Absolute und relative Atommassen

Absolute Atommasse:

Die Atommasseneinheit ist der zwölfte Teil des Kohlenstoffisotops 12C

und hat die Einheit [u].

1 u wird auch als Atommasseneinheit bezeichnet.

1 u = 1,660 538 782(83) • 10−27 kg

Relative Atommasse:

Die relative Atommasse stellt das Verhältnis zwischen einem

betrachteten Element und der absoluten Atommasse dar

(dimensionslos!).

Die relative Atommasse gibt an, um wie viel schwerer ein betrachtetes

Element in Bezug auf die absolute Atommasse ist.

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Mittlere relative Atommassen

Beispiel:

Chlor kommt mit den natürlichen Isotopen 35Cl (Masse 34,969 u) und 37Cl

Masse 36,966 u) vor. Die Häufigkeit (ω) dieser beiden Isotope beträgt

75,77 % und 24,23 %. Die mittlere Atommasse ergibt sich somit zu:

35Cl: 0,7577 • 34,969 u = 26,496 u

37Cl: 0,2423 • 36,966 u = 8,957 u

mittlere Atommasse = 35,453 u

________

Mittlere relative Atommasse (mElement):

mElement = ∑ ωi • mIsotop ; ∑ ωi = 1

ω = Häufigkeit

i i

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Wasserstoff 1,00794

Helium 4,002602

Lithium 6,941

Beryllium 9,012182

Bor 10,811

Kohlenstoff 12,011

Stickstoff 14,00674

Sauerstoff 15,9994

Fluor 18,9984032

Neon 20,1797

Natrium 22,989768

Magnesium 24,305

Aluminium 26,981539

Silicium 28,0855

Phosphor 30,973762

Schwefel 32,066

Chlor 35,4527

Argon 39,948

Kalium 39,0983

Calcium 40,078

Scandium 44,95591

Titan 47,88

Vanadium 50,9415

Chrom 51,9961

Mangan 54,93805

Eisen 55,847

Cobalt 58,9332

Nickel 58,69

Kupfer 63,546

Zink 65,39

Gallium 69,723

Germanium 72,61

Arsen 74,92159

Selen 78,96

Brom 79,904

Krypton 83,8

Rubidium 85,4678

Strontium 87,62

Yttrium 88,90585

Zirconium 91,224

Niob 92,90638

Molybdän 95,94

Technetium 98,9063

Ruthenium 101,07

Rhodium 102,9055

Palladium 106,42

Silber 107,8682

Cadmium 112,411

Indium 114,82

Zinn 118,71

Antimon 121,75

Tellur 127,6

Iod 126,90447

Xenon 131,29

Cäsium 132,90543

Barium 137,327

Lanthan 138,9055

Cer 140,115

Praseodym 140,90765

Neodym 144,24

Relative Atommassen (Ersten 60 Elemente, nach steigenden Atommassen geordnet)

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Das Mol:

Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen

Einzelteilchen besteht, wie Atome in 12 Gramm des Kohlenstoffisotops 12C

enthalten sind; seine Einheit ist [mol].

Die Teilchenzahl (NA/L), die ein Mol eines jeden Stoffes enthält, beträgt:

NA/L = 6,02214 • 1023 mol-1

Sie wird als Avogadro-Konstante oder Loschmidt-Konstante bezeichnet.

Das Mol

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Molares Gasvolumen

Molares Gasvolumen (Molvolumen):

Das molare Volumen eines idealen Gases unter Normbedingungen

(273,15 K, 1 atm) beträgt:

VM = 22,4141 l / mol

Normbedingungen:

Tn = 273,15 K ( = 0 °C); Druck pn = 101.325 Pa ( = 1 atm)

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Die molare Masse

Vorteil der Angabe von Stoffmengen und nicht von Massen:

Gleiche Stoffmengen verschiedener Stoffe besitzen die gleiche

Teilchenzahl. Bei chemischen Reaktionen ist die Teilchenzahl wichtig.

Die molare Masse M eines Stoffes X ist der Quotient aus der Masse m(X)

und der Stoffmenge n(X) dieses Stoffes:

Bsp.: M(Na)* = 22,98977 g / mol

M(F)* = 18,998403 g / mol

M(S) = 32,06 g / mol

*Reinelement:

Ein Reinelement ist ein chemisches Element, von dem in der Natur nur ein einziges Isotop existiert.

M(X) = m(X)

n(X)

_____ [kg / mol]

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Relative Molekül- und Formelmasse

Relative Molekül- und Formelmasse:

Die relative Molekülmasse ist gleich der Summe der relativen

Atommassen (Ar) der im Molekül (Mr) enthaltenen Atome.

Besteht die Verbindung nicht aus Molekülen, wie z.B. bei Ionen-

verbindungen, so wird der Begriff Formelmasse (Mr) verwendet.

Beispiele:

Mr(CO2) = Ar(C) + 2 Ar(O) = (12,011 + 2 • 15,9994) g/mol = 44,0098 g/mol

Mr(NaCl) = Ar(Na) + Ar(Cl) = (22,98977 + 35,453) g/mol = 58,44277 g/mol

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Der Massendefekt

Die Beobachtung, dass die Masse eines Atoms (Ausnahme

Wasserstoff) stets kleiner ist als die Summe der Massen

seiner Potonen, Neutronen und Elektronen, wird als

Massendefekt bezeichnet.

E = m • c2

1879 - 1955

Der Massendefekt entspricht der Bindungsenergie des Atomkerns.

E = Energie; m = Masse; c = Lichtgeschwindigkeit (2,99 • 106 m/s)

Energiegewinn

durch

Kernfusion

Energiegewinn

durch

Kernspaltung

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Internationales Einheitensystem

SI-Einheiten

(franz. système international d’unités)

Basisgröße und

Dimensionsname

Einheit Symbol

Länge Meter m

Masse Kilogramm kg

Zeit Sekunde s

Elektrischer Strom Ampère A

Temperatur Kelvin K

Stoffmenge Mol mol

Leuchtstärke Candela cd

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SI-Einheiten

Internationaler Meterprototyp, Standardbarren aus Platin-Iridium,

der Standard bis 1960

17. Generalkonferenz für Maße und Gewichte 1983:

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum wurde auf 299.792.458 m/s

festgelegt und definierte ein Meter als „die Strecke, die das Licht im

Vakuum in einer Zeit von 1 / 299.792.458 Sekunde zurücklegt“.

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SI-Einheiten

Bezeichnung Einheit Faktor Vielfaches Anmerkung

Yottameter Ym 1024

Zettameter Zm 1021

Exameter Em 1018

Petameter Pm 1015

Terameter Tm 1012

Gigameter Gm 109 1.000.000 km

Megameter Mm 106 1.000 km gebräuchlich in der Ozeanologie

Myriameter 104 10 km veraltet

Kilometer km 103 1.000 m

Hektometer hm 102 100 m Vor allem verwendet bei Artillerie und Marine

Dekameter dam 101 10 m Anfang des 20. Jahrhunderts findet sich die Bezeichnung

„Kette“ als Synonym für Dekameter.

Meter m 100 Grundmaß

Dezimale Vielfache der Längeneinheit Meter

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Bezeichnung Einheit Faktor Vielfaches Anmerkung

Meter m 100 Grundmaß

Dezimeter dm 10-1 10 cm

Zentimeter cm 10-2 10 mm

Millimeter mm 10-3 1.000 µm 10 Millimeter sind 1 Zentimeter.

Mikrometer µm 10-6 0,001 mm Veraltete Bezeichnung: Mikron.

Nanometer nm 10-9 Entspricht einem Milliardstel Meter (einem Millionstel

Millimeter).

Ångström Å 10-10 100 pm gebräuchlich in der Atomphysik und in der Kristallographie

Pikometer pm 10-12 Entspricht einem Billionstel Meter (einem Milliardstel

Millimeter).

Femtometer fm 10-15 Unter der veralteten Bezeichnung Fermi in der Kernphysik und

in der Teilchenphysik gebräuchlich.

Attometer am 10-18

Zeptometer zm 10-21

Yoctometer ym 10-24

SI-Einheiten

Dezimale Vielfache der Längeneinheit Meter

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Internationales Einheitensystem

SI-Einheiten

(franz. système international d’unités)

Basisgröße und

Dimensionsname

Einheit Symbol

Länge Meter m

Masse Kilogramm kg

Zeit Sekunde s

Elektrischer Strom Ampère A

Temperatur Kelvin K

Stoffmenge Mol mol

Leuchtstärke Candela cd

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SI-Einheiten

Internationale Kilogrammprototyp

(seit 1889)

Es handelt sich um einen Zylinder

von 39 Millimeter Höhe und 39

Millimeter Durchmesser, der aus

einer Legierung von 90 % Platin und

10 % Iridium besteht

Avogadroprojekt: 28Si-Kugel für das Avogadroprojekt:

Bestimmung der Avogadro-Konstante NA aus Masse m

und Volumen V eines Körpers, der aus einem Material

bekannter Teilchendichte n und molarer Masse M

besteht: M • V • n

m NA =

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Internationales Einheitensystem

SI-Einheiten

(franz. système international d’unités)

Basisgröße und

Dimensionsname

Einheit Symbol

Länge Meter m

Masse Kilogramm kg

Zeit Sekunde s

Elektrischer Strom Ampère A

Temperatur Kelvin K

Stoffmenge Mol mol

Leuchtstärke Candela cd

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SI-Einheiten

Maßeinheit Sekunde [s]:

Definition der Sekunde als Vielfaches der Periode einer Mikrowelle, die

mit einem ausgewählten Niveauübergang im Caesiumatom in Resonanz

ist (-> Atomsekunde).

Definition Sekunde:

Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem

Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des

Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden

Strahlung.

Definition Ampere:

Ein Ampere ist die Stärke des zeitlich konstanten elektrische Stromes, der

im Vakuum zwischen zwei parallelen, unendlich langen, geraden Leitern

mit vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt und dem

Abstand von zwischen diesen Leitern eine Kraft von Newton pro Meter

Leiterlänge hervorrufen würde.

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Internationales Einheitensystem

SI-Einheiten

(franz. système international d’unités)

Basisgröße und

Dimensionsname

Einheit Symbol

Länge Meter m

Masse Kilogramm kg

Zeit Sekunde s

Elektrischer Strom Ampere A

Temperatur Kelvin K

Stoffmenge Mol mol

Leuchtstärke Candela cd

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SI-Einheiten

Defintion Temperatur [K]:

Ein Kelvin ist der 273,16te Teil der

thermodynamischen Temperatur

des Tripelpunktes von Wasser, bei

dem dessen feste, flüssige und

gasförmige Phase koexistieren.

Der Nullpunkt der Kelvinskala liegt

beim absoluten Nullpunkt. Der

Wert 273,16 ist so gewählt, dass

die Fixpunkte der historischen

Celsius-Skala etwa 100 K

auseinander liegen.

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SI-Einheiten

Temperatur in °C Objekt

14.800.000 Zentrum der Sonne

1.000.000 bis 2.000.000 Sonnenkorona

7.000 Erdkern

5.500 Oberfläche der Sonne

3.000 Flamme eines Schweißbrenners (Acetylen+Sauerstoff)

2.500 Glühwendel von Glühlampen

700–1.250 Magma

950 Flamme eines Gasherdes

800 Streichholzflamme

> 400 Pizzaofen

ca. 230 Bügeleisen (Einstellung: Leinen)

100 Siedepunkt von Wasser bei Normaldruck

36 bis 37 Körpertemperatur eines gesunden Menschen

0 Gefrierpunkt von Wasser bei Normaldruck

−78,5 Sublimation von Trockeneis bei Normaldruck

−195,8 Siedepunkt von Flüssigstickstoff bei Normaldruck

−270,4 Temperatur des Weltalls (Hintergrundstrahlung)

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Internationales Einheitensystem

SI-Einheiten

(franz. système international d’unités)

Basisgröße und

Dimensionsname

Einheit Symbol

Länge Meter m

Masse Kilogramm kg

Zeit Sekunde s

Elektrischer Strom Ampere A

Temperatur Kelvin K

Stoffmenge Mol mol

Leuchtstärke Candela cd

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Internationales Einheitensystem

Definition Candela [cd]:

Eine Lichtquelle hat in einer gegebenen Raumrichtung 1 cd

Lichtstärke, wenn sie auf einem Sensor mit der genormten

spektralen Empfindlichkeitsverteilung des menschlichen Auges

dasselbe Signal erzeugt wie monochromatisches Licht der Frequenz

540 · 1012 Hz und der Strahlungsstärke von 1/683 W/sr.

10-2 cd

2•1027 cd

800 cd

3•1016 cd 1 cd

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Größe Einheit Symbol

Kraft Newton = kg • m • s-2 N

Energie Joule = N • m = kg • m2 • s-2 J

Leistung Watt = J • s-1 = kg • m2 • s-3 W

Druck Pascal = N • m-2 = kg • m-1 • s-2 Pa

Elektrische Ladung Coulomb = A • s C

Elektrische Potentialdifferenz Volt = W • A-1 = J • C-1 V

Elektrischer Widerstand Ohm = V • A-1 Ω

Elektrische Leitfähigkeit Siemens = Ω-1 = V-1 • A S

Elektrische Kapazität Farad = C • V-1 F

Magnetischer Fluss Weber = V • s Wb

Induktivität Henry = V • s • A-1 H

Magnetische Induktion Tesla = V • s • m-2 T

Frequenz Hertz = s-1 Hz

Radioaktivität Becquerel = s-1 Bq

Absorbierte Energiedosis Gray = J • kg-1 Gy

Dosis-Äquivalent Sievert = J • kg-1 Sv

Abgeleitete-Einheiten

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Konstante Symbol Zahlenwert

Avogadro-Zahl NA 6,022137 • 1023 mol-1

Bohr-Radius a0 5,29177 • 10-11 m

Elektron, Ruhemasse 9,10939 • 10-28 g

5,485799 • 10-4 u

Elementarladung e 1,6021773 • 10-19 C

Faraday-Konstante F = NA • e 9,648531 • 104 C • mol-1

Ideale Gaskonstante R 8,31451 J • mol-1 • K-1

Lichtgeschwindigkeit c 2,99792458 • 108m s-1

Molares Volumen eines idealen

Gases

VM 22,4141 l • mol-1

Neutron, Ruhemasse 1,674929 • 10-24 g

1,00866501 u

Planck-Konstante h 6,626076 • 10-34 J • s

Proton, Ruhemasse 1,672623 • 10-24 g

1,00727647 u

Normalfallbeschleunigung gm 9,80665 m • s-2

Naturkonstanten

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Aggregatzustände (Teilchenmodell)

Gase

- frei voneinander bewegliche Teilchen

- füllen gesamten zur Verfügung stehenden Raum aus

- 1000 bis 2000-fachen Volumenanspruch im Vergleich zu

Flüssigkeit oder Festkörper

Flüssigkeiten

- Anziehungskräfte zw. Teilchen bedingen

def. Volumen aber keine Formstabilität

- Teilchen nehmen keine fixierten Plätze

ein, sie bewegen sich

- kaum Änderung des Volumens durch

Druckänderung

Festkörper

- Anziehungskräfte zw. Teilchen bedingen Zusammenhalt

- Teichen schwingen auf festen Positionen

- bedingte Verformbarkeit

Verdampfen

Kondensieren

Schmelzen

Erstarren

Sublimation

Resublimation

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Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 115

Gase

Ideales Gas

• Gasförmige Atome und Moleküle sind

vernachlässigbar klein verglichen mit ihrem

mittleren Abstand in der Gasphase.

• Die Gasteilchen üben keine

wechselseitigen Kräfte aufeinander aus.

• Bei Stößen untereinander oder mit den

Wänden wird Impuls und Energie

ausgetauscht. Die Stöße sind elastisch.

• Alle Geschwindigkeitsrichtungen kommen

gleich häufig vor.

• Bei Zufuhr von Energie (Temperatur-,

Druckerhöhung) ändert sich ihre kinetische

Energie.

• Die Beträge der Geschwindigkeiten aller

Gasteilchen haben eine Maxwell –

Boltzmann - Verteilung.

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Gase

Luftdruck Luftdruck

Quecksilber

Vakuum

760 mm Hg-Säule

760 mm Hg-Säule = 760 Torr = 1 atm = 101,325 kPa ≈ 1013 hPa = 1,013 bar

Die mm-Quecksilbersäule

stellt die gesetzliche Einheit

zur Angabe von Drücken von

Körperflüssigkeiten, insbe-

sondere des Blutdrucks in

Deutschland und in der

Schweiz dar.

Gasdruck:

Der Gasdruck entsteht als Summe aller durch ein Gas oder Gasgemisch

wirkenden Kräfte auf eine Gefäßwand ( ). Stößt ein Gasteilchen an eine Wand,

so tauschen beide einen Impuls aus. Je wärmer das Gas ist, desto schneller sind

die Teilchen und desto größer ist auch der Druck

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Gas-Gesetze

Vo

lum

en

Druck

Boyle-Mariotte:

T = const.

p • V = const.

p1 • V1 = p2 • V2

Bei konstanter Teilchenzahl n gelten folgende Gas-Gesetze

T [K], V [l], p [Pa]:

p • V

T = const. p1 • V1

T1

p2 • V2

T2

=

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Gas-Gesetze

Bei veränderlicher Teilchenzahl n gilt das allgemeine Gasgesetz:

p • V = n • R • T

p: Druck [Pa]

V: Volumen [l]

n: Teilchenzahl [mol]

R: 8,31451 [J• mol-1 • K-1] allgemeine Gaskonstante

T: Temperatur [K]

Vo

lum

en

Temp. [°C] - 273 0

Gay-Lussac:

p = const. V = const.

V ~ T p ~ T

V1 • T2 = V2 • T1 p1 • T2 = p2 • T1

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Gasverflüssigung: Linde-Verfahren

Substanz Kritische

Temperatur [K]

Kritischer Durck

[MPa]

He

H2

N2

CO

O2

CH4

CO2

NH3

H2O

5,3

33,3

126,1

134,0

154,4

190,2

304,2

405,6

647,2

0,229

1,30

3,39

3,55

5,04

4,62

7,38

11,30

22,05

Kritische Temperatur:

Oberhalb dieser Temperatur lässt sich ein Gas nicht mehr verflüssigen, gleichgültig wie hoch

der Druck ist.

Kritischer Druck:

Mindestdruck, welcher zur Verflüssigung des Gases bei seiner kritischen Temperatur benötigt

wird.

Ausnutzung des Joule-Thomson-Effekts

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Funktionsweise Kühlschrank / Wärmepumpe