Basiskonzepte

Basiskonzepte sind allgemeine Prinzipien, nach denen sich die Inhalte der Chemie strukturieren lassen. Sie sind also eine übergreifende Syste ma ti sierungshilfe. Wir betrachten fünf Basiskonzepte:

Um den Sinn von Basiskonzepten auf - zuzeigen, kann man sich des folgenden Beispiels bedienen: In einem CD-Geschäft sind die CDs nach den Namen der Interpreten angeordnet. Der Inhaber könnte nun die CDs nach Musikstilen, etwa Klassik, Jazz, Pop, Rock umsortieren. Eine andere Möglichkeit wäre es, Verzeichnisse anzulegen oder ein Computer-programm zu besorgen, welches die CDs je nach Bedürfnis in den verschiedenen Katego-rien sortiert und den Standort der CD anzeigt.

Die im Geschäft vorhandenen CDs entsprechen den Fachinhalten der Chemie. Schaut man sich die unterschiedlichen Sachverhalte, wie sie z. B. in diesem Lehrbuch dargestellt werden, zusammenfassend an, so stellt man fest, dass bestimmte Prinzipien immer wieder auftreten, sich sozusagen ein „roter Faden“ ergibt: Durch diese Basiskon-zepte werden die Fachinhalte neu strukturiert, so wie die CDs unter verschiedenen Gesichts-punkten sortiert werden können.

Auf den folgenden Seiten finden Sie zu den fünf Basiskonzepten Beispiele für Beobachtungen und Fragestellungen. Diese sollen Ihnen vor allem als Anregung dienen, weitere Beispiele zu suchen, die sich dem jeweiligen Basiskonzept zuordnen lassen. Schauen Sie dazu auch im Hauptteil des Lehrbuches nach.

Donator- Akzeptor-Konzept

Chemie

Struktur- Eigenschafts-Konzept

Energie - konzept

Stoff-Teilchen-Konzept

Gleichgewichts-konzept

129

Stoff-Teilchen-Konzept

B1  Stoff- und Teilchenebene

Die kleinsten Teilchen Was ist mit dem Begriff „kleinste Teilchen“ in der Chemie gemeint? Es sind die kleinsten gleichen Teilchen, aus denen ein Stoff aufgebaut ist

Chemiker und andere Naturwissenschaftler bewegen sich bei ihrer Arbeit gewisser - maßen in zwei Welten, in denen sie jeweils ein eigenes Vokabular benutzen.

Bei der Beschreibung der mit den Sinnen erfassbaren und mit Geräten messbaren Stoff- und Energieänderungen ist man auf der Stoffebene. Hier geht es um Beobachtungen, um Phänomene, weshalb man manchmal auch die Begriffe Beobachtungs- oder Phänomen-ebene gebraucht. Typische Begriffe dieser Ebene sind z. B. Farbe und elementarer Stoff.

Die Erklärung für die Beobachtungen liefert die mit dem bloßen Auge unsichtbare Welt der Atome, Ionen und Moleküle, die Teilchen-ebene. Bei der Deutung von Phänomenen aller Art hilft das Teilchenmodell, also das Wissen, dass alle Stoffe aus kleinsten Teilchen aufgebaut sind. Man spricht daher auch von der Deutungs- oder der Modellebene. Typische Begriffe der Teilchenebene sind z. B. Molekül, Doppel bindung, Wasserstoffbrücken, Struktur-formel, freies Elektronenpaar und Element.

Obwohl wir über die Teilchenebene haupt-sächlich in Modellen sprechen, existieren Atome, Moleküle usw. ebenso real wie die Gegenstände unserer Alltagswelt.

 A1  Nennen Sie Begriffe, die nur oder vor-wiegend auf der Stoffebene angewandt werden, und solche, die nur oder vor-wiegend auf der Teilchenebene verwendet werden können.

 A2  Nennen Sie Ihnen bekannte Stoffe, die aus Makromolekülen aufgebaut sind. Erklären Sie, was man unter einem Makromolekül versteht.

 A3  Die qualitative Analyse einer organischen Verbindung hat ergeben, dass deren Moleküle aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen aufgebaut sind. Die Masse eines Moleküls beträgt: mt(CxHyOz) = 46 u. Stellen Sie drei Struktur-formeln auf, die die experimentellen Ergebnisse erfüllen. Erklären Sie, ob auch eine Isomerie vorliegt.

 A4  Ein bekanntes Begriffspaar für das Stoff-Teilchen-Konzept lautet: Stoffklasse – funk-tionelle Gruppe. Untermauern Sie diese Zuordnung durch geeignete Beispiele.

 A5  Bennen Sie die Arten der Isomerie, die in B3 vorliegen.

Stoffe

Salze

Natrium-chlorid

Magnesium-oxid

Ammonium-chlorid

Nichtmetall-verbindungen

Nichtmetalleohne Edelgase

EdelgaseMetalle

EisenKupferSilberGold

HeliumNeonArgon

Krypton

EthenMethanal

ButtersäureGlucose

WasserstoffStickstoffSauerstoff

Chlor

FeCuAgAu

HeNeArKr

C2H2HCHO

C3H7COOHC6H12O6

H2N2O2Cl2

Atome Atome

Atome Atome ElementargruppenAtome

Moleküle Moleküle

Moleküle

Ionen

Teilchen

Elementare Stoffe Verbindungen

Na+Cl–

Mg2+O2–

NH4+Cl–

Aus diesen Teilchen sind die Stoffe aufgebaut:

Das sind die kleinsten gleichen Teilchen der jeweiligen Stoffe:

130 Basiskonzepte

Stoff -Tei lchen-Konzept

Das Stoff-Teilchen-Konzept und das Struktur-Eigenschafts-Konzept sind nicht überschnei-dungsfrei, sie sind meist eng miteinander verzahnt. Die folgenden Beispiele zeigen eine Auswahl von Teilchenstrukturen, die Aus-wirkungen auf die Stoffeigenschaften haben.

Besonders deutlich werden Beziehungen zwischen der Stoff- und der Teilchenebene z. B. bei Stoffen, die aus Molekülen mit funktionellen Gruppen bestehen.

Essigsäure ist eine schwache Säure. Die Säurestärke wird mit dem KS- oder pKS-Wert erfasst. Die Säurestärke wird an einer sehr große Anzahl von Molekülen, also dem Stoff Essigsäure ermittelt. Dagegen ist der Säure-Begriff im Sinne von Brønsted eher der Teilchenebene zuzuordnen. Auch wenn man die Frage klären möchte, warum z. B. Essig-säure mit Wasser eine saure Lösung bildet, Ethanol aber nicht, geht man u. a. dem Einfluss der funktionellen Gruppen auf den Molekül-aufbau nach.

Die Eigenschaften der Aromaten, z. B. die Hydrierungsenergie des Benzols, die elektro-phile Substitution oder die Reaktion von Phenol mit Wasser, werden häufig mit der Mesomeriestabilität ihrer Moleküle erklärt.

Aus der Betrachtung des Aufbaus des Ethanol-moleküls lassen sich Schlüsse zu möglichen Reaktionen ziehen. So führt die Abspaltung eines Wassermoleküls zu einem Ethenmolekül, es findet ein Eliminierung statt. Wird die Hydroxylgruppe z. B. durch ein Chloridion ersetzt, liegt eine Substitution vor. Reagieren Ethanolmoleküle mit Essigsäuremolekülen, erfolgt eine Kondensation.

Ein weiteres beeindruckendes Beispiel für die Wechselbeziehung von Teilchenaufbau und Stoffeigenschaften stellt die Isomerie dar. Nicht die Atomarten allein, sondern die Verknüpfung der Atome in den Molekülen ist entscheidend für die Eigenschaften der Moleküle und der Stoffe. So entspricht der Chiralität der Moleküle die optische Aktivität auf der Stoffebene.

Durch die Summenformel alleine kann nicht festgestellt werden, welchem Stoff die Teilchen zuzuordnen sind, geschweige denn eine Aussage über die Stoffeigenschaften gemacht werden. Zu einer Summenformel findet man meist mehrere Konstitutions-isomere. Die unterschiedliche Verknüpfung von Atomen führt also zu einer unterschiedlichen Teilchenstruktur mit unterschiedlichen Wechselbeziehungen zwischen den Teilchen und damit zu unterschiedlichen Stoffeigen-schaften. Konstitutionsisomere mit der Summenformel C4H10O sind in B3 dargestellt.

 A6 

C C O H

H

H

H

H

H

+ H2O C C O

H

H

H

H

H

+ H3O+

C C

H

H

H

+ H2O + H3O+O

O HC C

H

H

H

O

O

�

�

Erläutern Sie, warum das Ethanolation eine stärkere Base ist als das Acetation.

 A7  Erklären Sie, warum Cyclohexen mit Brom bevorzugt eine Additionsreaktion und Benzol mit Brom bevorzugt eine Substitu-tionsreaktion eingeht.

B2  Spiegelbildisomerie

B3  Isomere

B4  Modelle können den Aufbau von Molekülen verdeutlichen

C C C

H

H

H

H

H

C

H H

O

HH

H

Butan-1-olSiedetemperatur 117 °C

C C C

H

H

H

H

O

C

H H

H

HH

H

Butan-2-olSiedetemperatur 99 °C

C C O C

H

H

H

H

H

C

H H

H

HH

DiethyletherSiedetemperatur 35 °C

C C C

H

H

H

H

H

C

H H

O

HH

H

Butan-1-olSiedetemperatur 117 °C

C C C

H

H

H

H

O

C

H H

H

HH

H

Butan-2-olSiedetemperatur 99 °C

C C O C

H

H

H

H

H

C

H H

H

HH

DiethyletherSiedetemperatur 35 °C

C C C

H

H

H

H

H

C

H H

O

HH

H

Butan-1-olSiedetemperatur 117 °C

C C C

H

H

H

H

O

C

H H

H

HH

H

Butan-2-olSiedetemperatur 99 °C

C C O C

H

H

H

H

H

C

H H

H

HH

DiethyletherSiedetemperatur 35 °C

CH3

CHO H

COOH

CH3

COHH

HOOC

L-Milchsäure D-Milchsäure

Basiskonzepte 131

Struktur-Eigenschafts-Konzept

Beim Struktur-Eigenschafts-Konzept werden Bezüge zwischen der Teilchen- und der Stoffebene zur Erklärung ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften hergestellt.Die Fragen, welche die Teilchenebene betref-fen sind: Wie sind die Teilchen aufgebaut? Um welche Teilchen handelt es sich und in welcher Beziehung stehen diese zueinander? Unter „Beziehung“ versteht man in diesem Fall die räumliche Anordnung der Teilchen (v. a. bei Feststoffen) und die Kräfte zwischen den Teilchen. Zwischen Molekülen können sich Van-der-Waals-Kräfte, Dipol-Dipol-Kräfte oder Wasserstoffbrücken ausbilden. Ionen werden durch elektrostatische Kräfte zusammengehal-ten (Ionenbindung).

Eine die Stoffebene betreffende Frage ist: Welche Stoffeigenschaften (z. B. Schmelz- und Siedetemperatur, elektrische Leitfähigkeit, Löslichkeit, Viskosität) ergeben sich aus der Art der Teilchen und deren räumlichem Aufbau?

Glucose und Fructose sind sehr gut in Wasser löslich. Ursache sind die zahlreichen Wasser-stoffbrücken, die sich zwischen den Molekülen dieser Polyhydroxyverbindungen und den Wassermolekülen ausbilden können.Stärke und Cellulose zählen zu den wichtigs-ten Biopolymeren. Auch wenn beide Makro-moleküle aus Glucoseeinheiten aufgebaut sind, unterscheiden sie sich sehr stark in ihren Eigenschaften. Während Stärke als Reserve-polysaccharid genutzt wird, ist

B3  Zusammenhang von Struktur und Eigenschaften

B1  Zwitterion Glycin

B2  Zu Aufgabe 5

 A1  Zeichnen Sie zwei mögliche Struktur-formeln zur Summenformel C3H6O2. a) Um welche Moleküle handelt es sich? b) Recherchieren Sie die Stoffeigen-schaften der beiden Verbindungen, stellen Sie die Ergebnisse in einer Tabelle verglei-chend gegenüber und erläutern Sie diese.

 A2  Erläutern Sie an einigen Beispielen (z. B. Glucose, Glycin, Benzol) den Zusammen-hang zwischen den Stoffeigenschaften Siedetemperatur, Löslichkeit in Wasser oder Heptan und den zwischenmolekularen Kräften.

 A3  Paraffinöl (ein Alkangemisch) und Propan-triol sind ölige, viskose Flüssigkeiten. Planen Sie ein einfaches Experiment zu ihrer Unterscheidung.

 A4  Die beiden Biomoleküle Amylose und Amylopektin sind aus a-D-Glucoseeinheiten aufgebaut. Stellen Sie dar, worin sich die beiden Moleküle unterscheiden, und welche Auswirkung dieser Unterschied auf die Stoffeigenschaften hat.

 A5  Nehmen Sie zu folgendem Satz hinsicht lich des Struktur-Eigenschafts-Konzepts Stel-lung: „Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile“ [B5].

C O

H

H H C

H

O

H

N

Stoffebene

Teilchenebene

Eigenschaft

Struktur der Teilchen

Wechselwirkung zwischen den Teilchen

Art der TeilchenAnordnung der Teilchen

1 x 6 x 12 x 12 x

1 x 6 x 12 x 12 x

132 Basiskonzepte

Struktur-Eigenschafts-Konzept

Cellulose der Gerüststoff fast aller Pflanzen. Dies liegt an der unterschiedlichen Verknüp-fung der einzelnen Monomere und der sich daraus ergebenden unterschiedlichen Struktur, die die verschiedenen Eigenschaften der beiden Stoffe verursacht.

a-Aminoethansäure (Glycin) ist ein Feststoff, der sich beim Erhitzen, ohne zu schmelzen, bei ca. 230 °C zersetzt, während die a-Hydroxy-ethansäure eine Schmelztemperatur von nur 78 °C besitzt. Dies weist auf sehr starke Kräfte zwischen den Glycinteilchen hin. Es handelt sich um Anziehungskräfte zwischen Ionen, die Glycinteilchen liegen aufgrund der vorhandenen funktionellen Gruppen in einer Zwitterionen-Struktur vor [B1]. Zwischen den a-Hydroxyethansäuremolekülen hingegen sind Wasserstoffbrücken die bedeutendsten zwischenmolekularen Kräfte. Die Anziehungs-kräfte zwischen den Zwitterionen im Gitter sind so stark, dass eine Zufuhr von Energie teilweise zur Spaltung von Atombindungen innerhalb der Zwitterionen führt. Lösungen der Zwitterionen besitzen nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit, da sich diese im elektrischen Feld nur ausrichten, aber nicht wandern.

Die Eigenschaften von Proteinen und ihre biologische Funktion ist v. a. durch ihre Primär - struktur, Sekundärstruktur [B6], Tertiärstruktur [B4] und gelegentlich auch Quartärstruktur bedingt.

B4  Tertiärstruktur einer a-Helix. Verschiedene Bindungsarten können daran beteiligt sein

B6  b-Faltblatt – eine Sekundärstruktur

Nicht nur die physikalischen Eigenschaften hängen von der Teilchenstruktur ab, sondern auch die chemischen Eigenschaften. Bei den Reaktionen der Enzymmoleküle nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip wird klar, dass die Molekülstruktur auch einen Einfluss auf den Ablauf der chemischen Reaktion hat. Im Verlauf von Denaturierungsvorgängen werden Sekundär- und Tertiärstruktur zerstört. Damit verliert ein Protein seine biologische Funktion. Kunststoffe können sowohl nach ihrer Herstellung als auch nach ihrer Verwendung unterteilt werden. Moleküle mit Doppel-bindungen reagieren in Polymerisations-reaktionen, darüber hinaus gibt es bei bifunktionellen Molekülen Polykondensations- und Polyadditionsreaktionen. Die Einteilung in Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste erfolgt aufgrund der Struktur ihrer Moleküle [B5]. Die Struktur ist verantwortlich für die Eigenschaften und damit für die Verwendungs-zwecke der jeweiligen Kunststoffe.

Verbindungen mit chiralen Molekülen sind optisch aktiv. Enantiomere verhalten sich wie Bild und Spiegelbild. Sie können sich in Geruch, Geschmack, physiologischen Eigen- schaften und in ihrer Reaktion mit Enzymen unterscheiden.

Diese Beispiele zeigen auch die enge Verzah-nung dieses Konzepts mit dem Stoff-Teilchen-Konzept.

B5  Räumliche Verknüpfung in Kunststoffen

Thermoplaste Elastomere Duroplaste

lineare oder wenig verzweigte Moleküle

weitmaschig, zwei-dimensional vernetzte Moleküle

drei dimensional vernetzte Moleküle

Thermoplaste

lineare oder wenigverzweigte Moleküle

Elastomere

weitmaschig, zweidimen-sional vernetzte Moleküle

Duroplaste

dreidimensional vernetzte Moleküle

Thermoplaste

lineare oder wenigverzweigte Moleküle

Elastomere

weitmaschig, zweidimen-sional vernetzte Moleküle

Duroplaste

dreidimensional vernetzte Moleküle

Thermoplaste

lineare oder wenigverzweigte Moleküle

Elastomere

weitmaschig, zweidimen-sional vernetzte Moleküle

Duroplaste

dreidimensional vernetzte Moleküle

Wasserstoff-brücken

CH2

CH2

CNH

H

H

O

HNOC

CH2CH2

CH2

CH2

CH2

HHN

HO

CH2

Ionen-bindung

Van-der-Waals-Kräfte

Disulfid-brücke

CH2

CH2 CH2

S

S

CH2

a-Helix

CO

AsnLys

Phe Cys

Gln

Asp

PheCys

Basiskonzepte 133

Es gibt eine große Vielfalt von chemischen Reaktionen. Betrachtet man sie auf der Teilchenebene, so erkennt man, dass sich ein großer Teil davon zwei verschiedenen Reak-tionstypen zuordnen lässt: den Säure-Base- Reaktionen und den Redoxreaktionen. Diese beiden Reaktionstypen wiederum können durch ein Basiskonzept beschrieben werden: das Donator-Akzeptor-Konzept.

Ein kleines Teilchen wird von einem Reaktions-partner (Donator) auf den anderen Reaktions-partner (Akzeptor) übertragen.

Bei den Säure-Base-Reaktionen kommt es zu einer Protonenübertragung. Die Brønstedsäure ist der Protonendonator, die Brønstedbase der Protonenakzeptor [B1]. Der pKs-Wert ist ein Maß für die Säurestärke. Die Stellung des korrespondierenden Säure-Base-Paares HA/A– in der pKs-Reihe entspricht der Protonen-donator- bzw. -akzeptortendenz von HA bzw. A– und ermöglicht das Vorhersagen der Säure-Base-Reaktionen.

Je kleiner der pKs-Wert ist, desto stärker ist die Säure. Je stärker eine Säure ist, desto schwächer ist ihre korrespondierende Base.

Redoxreaktionen sind dadurch gekennzeich-net, dass eine Elektronenübertragung statt-findet. Der Elektronendonator wird dabei oxidiert und ist Reduktionsmittel (Red). Der Elektronenakzeptor wird reduziert und ist Oxidationsmittel (Ox) [B1].

Die Stellung des korrespondierenden Redox-paares Red/Ox in der elektrochemischen Spannungsreihe (E  0-Reihe) entspricht der Elektronendonator- bzw. -akzeptortendenz von Red bzw. Ox und ermöglicht das Vorher-sagen der Redoxreaktionen.

Je negativer das Standardpotential E  0 ist, umso stärker ist das Reduktionsmittel, d. h., umso größer ist der Elektronendruck.

Donator-Akzeptor-Konzept

B1  Säure-Base-Reaktionen und Redoxreaktionen im Donator-Akzeptor-Konzept

Donator von lat. donare, geben, zur Verfügung stellen

Akzeptor von lat. acceptare, annehmen

Amphoter, Ampholyt von griech. amphoteros, beide und griech. lysis, Zerlegung

Säure-Base-System Redoxsystem

Übertragung von Protonen (H+) Übertragung von Elektronen (e–)

Säure (HA) = Protonendonator Reduktionsmittel (Red) = Elektronendonator

Base (A– ) = Protonenakzeptor Oxidationsmittel (Ox) = Elektronenakzeptor

Säure-Base-Reaktion Redoxreaktion

Korrespondierende Säure-Base-Paare Korrespondierende Redoxpaare

Henderson-Hasselbalch-Gleichung (pH-Wert)

pH = pKS + lg   {c(A–)}

___ {c(HA}

Nernst-Gleichung (Redoxpotential E ) E (Red/Ox) = E  0(Red/Ox) +

0,059 V ____ z    · lg   

{c(Ox)} ____ 

{c(Red)}

Protonenaufnahme +H+

+

HB/B–HA/A– und

Protonendonator

HBSäure 2

B–

Base 2A–

Base 1HA

Säure 1

Protonenabgabe, H+

+

Protonenakzeptor

Red 2Reduktions-

mittel 2

Elektronenakzeptor

Ox 2Oxidations-

mittel 2

Ox 1Oxidations-

mittel 1

Elektronendonator

Red 1Reduktions-

mittel 1

Elektronenabgabe, Oxidation, –e– Erhöhung der Oxidationszahl

+ +

Elektronenaufnahme, Reduktion +e–

Erniedrigung der Oxidationszahl

Red 1/Ox 1 Red 2/Ox 2 und

134 Basiskonzepte

Teilchen, die je nach dem Reaktionspartner sowohl als Donator wie auch als Akzeptor wirken können, bezeichnet man als amphotere Teilchen oder Ampholyte.

Man kann das Donator-Akzeptor-Konzept auch auf solche Reaktionen und Sachverhalte ausweiten, bei denen die Donator-Akzeptor-Vorgänge nicht so offensichtlich sind wie bei den Säure-Base-Reaktionen und den Redox-reaktionen.

So können auch die Additionsreaktionen unter dem Blickwinkel des Donator-Akzeptor-Konzepts gesehen werden. Ein Beispiel ist die Halbacetalbildung zwischen Aldehyd- und Alkoholmolekülen [B3]. Das Alkoholmolekül mit dem Sauerstoffatom stellt ein Elektronen-paar zur Bindungsbildung zur Verfügung (Elektronenpaardonator). Das Aldehydmolekül ist das annehmende Atom (Elektronenpaar­akzeptor).

Ketonmoleküle können in Lösung durch Wanderung eines Protons und Veränderung der Stellung der Doppelbindung in Enolmole-küle übergehen. Auch die Keto-Enol-Tauto-merie lässt sich mit dem Donator-Akzeptor-Konzept beschreiben [B4].

Im Molekül eines organischen Farbstoffes sind die Elektronen eines konjugierten Doppel bindungssystems für die Absorption des Lichtes verantwortlich und verleihen damit dem Stoff Farbe. Das Elektronensystem kann durch Molekülgruppen, die als Elektronenpaar-donatoren bzw. Elektronenpaarakzeptoren wirken, erweitert werden [B4]. Dadurch wird die Lichtabsorption und somit die Farbe des Stoffes verändert [B5].

Donator-Akzeptor-Konzept

B3  Halbacetalbildung – eine Donator-Akzeptor-Reaktion

B4  Keto-Enol-Tautomerie

 A1  a) Methansäuremoleküle reagieren mit Hydroxidionen zu Methanoationen (Formiat- ionen) und Wassermolekülen. b) Methan-säuremoleküle reagieren mit Permanganat-ionen in saurer Lösung zu Kohlenstoff - dioxidmolekülen und Mangan(II)-Ionen. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen. Ordnen Sie die Begriffe Protonendonator, Protonenakzeptor, Protonenabgabe, Protonenaufnahme, Elektronendonator, Elektronenakzeptor, Elektronenabgabe, Elektronenaufnahme den entsprechenden Teilchen bzw. Vorgängen zu.

 A2  Beschreiben Sie den Ringschluss in den Zuckermolekülen mit dem Donator-Akzep-tor-Konzept.

 A3  Aus D-Fructose kann in alkalischen Lösun-gen über die Endiolform D-Glucose ge-bildet werden. Deuten Sie diesen Vorgang im Donator-Akzeptor-Konzept.

 A4  Die elektrophile Substitution kann auch als Beispiel für das Donator-Akzeptor-Konzept gesehen werden. Belegen Sie dies anhand geeigneter Reaktionsgleichungen für die Bromierung von Benzol.

 A5  Bortrifluoridmoleküle (BF3) reagieren mit Ammoniakmolekülen zu einer Additions-verbindung. Formulieren Sie die Reaktions-gleichung. Kann auch hier das Donator-Akzeptor-Konzept angewandt werden?B2  Strukturprinzip organischer Farbstoffe

Tautomerie von griech. to auto, das Gleiche und griech. meros, Teil

B5  Farben von Benzol und Benzolderivaten

Elektronenpaar- donator

ADElektronenpaar-

akzeptor

delokalisiertes Elektronensystem

R C

H

H

C R'

O

R C

H

C R'

Keto-Tautomer Enol-Tautomer

O H

��OH–

Benzol

farblos

Anilin

schwach gelb

NH

H

4-Nitroanilin

gelborange

NH

HN

O

O

Benzol

farblos

Anilin

schwach gelb

NH

H

4-Nitroanilin

gelborange

NH

HN

O

O

Benzol

farblos

Anilin

schwach gelb

NH

H

4-Nitroanilin

gelborange

NH

HN

O

O

R CO

H+ R' C

H

H

O HH+

R C

O

H

O C

H

H

R'

H

Aldehyd Alkohol Halbacetal

��d–d+

d–

d+

Elektronenpaar-akzeptor(Elektrophil)

Elektronenpaar-donator(Nucleophil)

Basiskonzepte 135

Energiekonzept

B1  Energiediagramm

B2  Die Reaktionsenergie ist die Änderung der inneren Energie durch die Reaktion

System Unter „System“ versteht man einen abgegrenzten Materie-bereich, für den eine Energiebilanz aufgestellt werden kann. Ein System kann z. B. der Inhalt eines Reagenzglases sein

Eine klassische Definition des Begriffs Energie lautet: Energie ist die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten. Dabei geht die Energie – gemäß dem Energieerhaltungssatz – nicht verloren, sondern wird in eine andere Energie-form umgewandelt.

Bei chemischen Reaktionen kommt es immer zu Energieumwandlungen. Verläuft eine Re-ak tion exotherm, ist die innere Energie Ei der Produkte geringer als die innere Energie der Edukte [B2], bei einer endothermen Reaktion sind die Verhältnisse genau umgekehrt. Um eine chemische Reaktion zu starten, muss Aktivierungsenergie aufgewendet werden. Stoffe, die den Betrag der Aktivierungs energie herabsetzen, nennt man Katalysatoren [B1]. Im Stoffwechsel aller Lebewesen laufen nahe zu alle Vorgänge katalysiert ab. Die ent-sprechenden Biokatalysatoren sind die Enzyme.

In Lebewesen finden auch Reaktionen statt, bei denen die innere Energie der Produkte größer ist als die der Edukte. Das Paradebeispiel dafür ist die Fotosynthese mithilfe von Chloro phyll [B3]. Hier wird Lichtenergie in chemi sche Ener-gie umgewandelt. Aus Kohlenstoff dioxid und Wasser wird energiereiche Glucose aufgebaut:

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2

B3  In jedem Blatt wird mithilfe von Chlorophyll Glucose aufgebaut

 A1  Erläutern Sie anhand eines Energie dia-gramms, warum aromatische Verbindungen nach dem Mechanismus der elektrophilen Substitution reagieren und nicht in einer elektrophilen Addition.

 A2  Erläutern Sie die Aussage, dass Energie in Stoffen gespeichert ist.

 A3  In der Klimadiskussion wird oft von er - neuerbaren und nicht erneuerbaren Energien gesprochen. Nehmen Sie dazu Stellung.

 A4  Die Energieänderung bei einer chemischen Reaktion des Typs AB + C A + BC kann über den Abstand der Atome zueinander betrachtet werden. Stellen Sie dies in einem Energiediagramm dar und erläutern Sie die Bedeutung der Aktivierungsenergie.

 A5  Recherchieren Sie die Brennwerte der drei Nährstoffklassen Kohlenhydrate, Proteine und Fette. Geben Sie an, in welchem Ver-hältnis die Brennwerte in etwa zueinander stehen.

Innere Energie Ei

Reaktionskoordinate

Aktivierungsenergieohne Katalysator

Ei (Edukte)

mit Katalysator

Aktivierungsenergiemit Katalysator

Reaktionsenergie

ohne Katalysator

Ei (Produkte)

Ei (Edukte)Reaktionsenergie:ðU = Ei (Produkte) – Ei(Edukte)

Ei (Produkte)

nach der Reaktion

vor der Reaktion

innere Energie Ei

136 Basiskonzepte

Energiekonzept

Für alle Vorgänge, also auch für chemische Reaktionen, gilt der Energie erhaltungssatz oder Erste Hauptsatz der Thermo dynamik:

Die Summe aller Energieformen in einem isolierten System ist konstant. Energie kann nicht erzeugt und nicht vernichtet werden.

Der Erste Hauptsatz macht keine Aussage über die Richtung eines Vorgangs. Ein Streichholz brennt z. B. ab und gibt dabei Wärme an die Umgebung ab [B5]. Aus Erfahrung wissen wir, dass der umgekehrte Vorgang unmöglich ist: Aus den Verbrennungsprodukten und Wärme aus der Umgebung kann kein Streichholz entstehen. Auch die Vorgänge in der belebten Natur haben eine bestimmte Richtung [B4]: Die Sonne liefert die Energie, die in der Nahrungskette umgesetzt wird. Es ist unmög-lich, die Nahrungskette umzukehren.

Die Richtung spontaner Vorgänge beschreibt der Zweite Hauptsatz der Thermo dynamik:

Die Gesamtentropie eines Systems und seiner Umgebung kann nicht abnehmen. Sie bleibt entweder gleich oder nimmt zu.

Alle spontan ablaufenden Vorgänge sind mit einer Zunahme der Entropie verbunden. Dies entspricht dem Übergang in einen wahrschein-licheren (weniger „geordneten“) Zustand.

Die Entropie kann man daher auch als „Maß für die Unord nung“ bezeichnen. So wird z. B. durch die Ver teilung von Teilchen oder von Wärme auf einen größeren Raum immer die Entropie erhöht.

B5  Spontaner Vorgang Verbrennung: Die Entropie nimmt von links nach rechts zu. Von rechts nach links wäre die Bildfolge unmöglich

B4  Energiefluss in einem Wald: In jedem Glied der Nahrungskette steigt die Entropie, vor allem durch die Verteilung von Wärme. Die Vorgänge der Nahrungskette können nicht rückgängig gemacht werden

 A6  a) Ein Mensch gibt durch seinen Grund-umsatz an einem Tag die Wärmemenge von 7 600 kJ ab. Berechnen Sie die entsprechen- de Zunahme der Entropie der Umgebung mit der Umgebungstemperatur 298 K. b) Gibt ein Gegenstand Wärme an eine kühlere Umgebung ab, so verringert sich die Entropie des Gegenstandes, während sich die Entropie der Umgebung er - höht. Zeigen Sie allgemein, dass bei einem solchen Vorgang die Gesamtentropie zunimmt.

Entropie und Wärme Führt man einem System bei der Temperatur T die Wärme Q zu, so erhöht sich die Entropie S des Systems um:

ðS = Q _ T  

Die Gleichung – beschreibt genauso die

Verringerung der Entropie durch Wärmeabgabe,

– kann auch auf die Umgebung eines Systems angewandt werden

Wärme

Lichtenergie (von der Sonne)

Wärme Wärme Wärme

Produzenten

chemische Energie (in der Biomasse)

Konsumenten

Destruenten

chemische Energie

chemische Energie

Wärme

chemische Energie

Basiskonzepte 137

Gleichgewichtskonzept

Die Bildung von Ammoniak, die Reaktion von Essigsäure mit Wasser, die Umwandlung von a-D-Glucose in b-D-Glucose und die Bildung einer Doppelschicht aus Ionen und Elektronen an einem Kupferblech in einer Kupfer(II)-sul-fat-Lösung haben auf den ersten Blick nichts Gemeinsames, schaut man aber genauer hin, so handelt es sich bei den genannten Reak-tionen um Gleichgewichtsreaktionen.

Beim Begriff „Gleichgewicht“ denken viele sofort an die Balkenwaage [B1]. Legt man in beide Waagschalen Stoffportionen der gleichen Masse, so ist die Waage im Gleich-gewicht. Auf beiden Seiten wirken zwar Kräfte, diese heben sich aber gegenseitig auf.

Allgemein gesagt ist ein System dann im Gleichgewicht, wenn Einflüsse, die einzeln betrachtet eine Veränderung bewirken würden, sich in ihrer Wirkung aufheben.

Gleichgewichtsreaktionen zeichnen sich da - durch aus, dass– sowohl Ausgangsstoffe als auch Reaktions-

produkte nebeneinander vorliegen,– im Gleichgewichtszustand gleich viele

Teilchen einer Art gebildet werden wie zerfallen,

– die Stoffmengen bzw. Stoffmengenkonzen-trationen sich nicht ändern, wenn keine Veränderung von außen vorgenommen wird.

Bei einem chemischen Gleichgewicht liegt ein dynamisches Gleichgewicht vor. Für jedes chemische Gleichgewicht ist das Produkt der Konzentrationen der rechts in der Reaktions-

B1  Balkenwaage

B2  a-D-Glucose und b-D-Glucose liegen in wässriger Lösung im Gleichgewicht nebeneinander vor

gleichung stehenden Teilchen dividiert durch das Produkt aus den Konzentrationen der links stehenden Teilchen bei einer Temperatur konstant.Dieses wird mit dem Massenwirkungsgesetz beschrieben. Für eine allgemeine Reaktion:a A + b B   c C + d D in einem homo-genen System gilt:

  c c(C) · c d(D)

______  c a(A) · c b(B)

= Kc

Bei der Formulierung des Quotienten müssen die Konzentrationen der Teilchen mit den zu gehörigen Koeffizienten der Reaktions-gleichung potenziert werden.

Die Zusammensetzung eines Gleichgewichts kann durch äußere Einflüsse verändert werden.

B3  Stalaktiten und Stalagmiten in einer Tropfstein-höhle

 A1  Wenn man 0,33 mol Essigsäure, 0,33 mol Ethanol, 0,67 mol Essigsäureethylester und 0,67 mol Wasser mischt, so bleibt dieses Stoffmengenverhältnis bei Zimmertem-peratur für alle Zeiten gleich. Nimmt man statt normalem Wasser (H2O), so genanntes schweres Wasser (D2O), dann bleibt das Stoffmengenverhältnis erhalten, aber nach kurzer Zeit findet man isotopenmarkierte Essigsäure (CH3COOD) und isotopenmar-kiertes Ethanol (CH3CH2OD). Erklären Sie, warum dieses ein Beweis dafür ist, dass ein chemisches Gleichgewicht ein dynamisches Gleichgewicht ist. Edukte und Produkte bei

Gleichgewichtsreaktionen Bei Gleichgewichtsreak-tionen kann man eigentlich nicht von Edukten (Aus gangsstoffen) und Pro dukten (Endstoffen) sprechen, da Produkte gleichermaßen Edukte sind und umgekehrt. Häufig werden aber die links vom Gleichgewichtspfeil stehenden Stoffe als Edukte und die rechts vom Pfeil stehenden als Produkte bezeichnet

C

C

C

C

C

CH OH

H

H

H OH

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H OH

O

a-D-Glucose(a-D-Glucopyranose)

offenkettige Aldehydform

C

C

C

C

C

CH OH

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O H

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C

C

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im Gleichgewichtenthalten zu unter 0,5 %

ca. 62 %ca. 38 %

b-D-Glucose(b-D-Glucopyranose)

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138 Basiskonzepte

Gleichgewichtskonzept

Wird auf ein sich im Gleichgewicht befind-liches chemisches System Zwang durch eine Änderung der Temperatur, des Druckes oder der Konzentration ausgeübt, so verschiebt sich die Lage des Gleichgewichts in die Richtung, in der die Folgen des Zwanges verringert werden.Mit diesem „Prinzip von Le Chatelier und Braun“ bzw. dem „Prinzip vom kleinsten Zwang“ lässt sich qualitativ angeben, in welche Richtung die Gleichgewichtslage verschoben wird. Mit dem Massenwirkungsgesetz lässt sich die Gleich gewichtslage und und deren Verschiebung quantitativ fassen.

In vielen Fällen ist die Reaktions geschwin dig-keit so gering, dass sich das chemi sche Gleichgewicht bei Zimmer tempe ratur nicht einstellt. Das Gleichgewicht kann z. B. auf der rechten Seite des Gleich gewichts pfeils liegen, trotzdem reagieren die links vom Gleichge-wichtspfeil stehenden Stoffe nicht miteinan-der. Durch Temperaturerhöhung finden mehr erfolgreiche Zusammenstöße zwischen den Teilchen der Reaktionspartner statt, sodass sich das chemische Gleichgewicht einstellt. Mit der Tem peratur ändert sich allerdings die Gleich gewichtskonstante. Bei manchen Reaktionen kann man durch einen Katalysator erreichen, dass sich das Gleichgewicht bei Zimmertemperatur einstellt. Ein Katalysator beeinflusst die Gleich gewichtskonstante nicht.

 A2  Erklären Sie, welchen Einfluss ein Kataly-sator auf die Gleichgewichtseinstellung und die Gleichgewichtszusammensetzung hat.

 A3  Erläutern Sie die Bildung von Stalaktiten und Stalagmiten [B3].

 A4  Beschreiben Sie die Gleichgewichtslage einer Reaktion, deren Gleichgewichts-konstante viel größer als 1 ist (Kc >> 1).

 A5  Erklären Sie den Unterschied zwischen den beiden folgenden Zeichen: a) b)

 A6  In dem Buch „Chemie – eine lebendige und anschauliche Einführung“ von Richard E. Dickerson und Irvin Geis wird die Einstellung des chemischen Gleichgewichts mit dem „Holzapfelkrieg“ zwischen einem alten Mann und einem Jungen verglichen. Beschreiben Sie den Fortgang des „Holz-apfelkrieges“. Wenn Sie zeichnerisch begabt sind, zeichnen Sie auch einige Szenen aus dem „Holzapfelkrieg“. Übertra-gen Sie den „Holz apfelkrieg“ auf die Ein-stellung des chemischen Gleichgewichts. Hinweis: Holzäpfel sind wilde, ungenieß-bare Äpfel.

B4  Phase 1 des „Holzapfelkrieges“. Aus: Richard E. Dickerson, Irvin Geis: Chemie – eine lebendige und anschauliche Einführung. S. 321. 1991. © Wiley-VCH GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission.

B5  Wasserstoff isotope und deren Benennung

Wasserstoff 1 1 H

Deuterium 2 1 H, D

Tritium 3 1 H, T

„Man stelle sich einen Holzapfelbaum vor, der auf der Grenzlinie zwischen zwei Gärten steht; in dem einen wohnt ein verschrobener alter Mann und in dem anderen ein Vater, der seinem Sohn aufgetragen hat, hinauszugehen und den Garten von Holzäpfeln zu reinigen. Der Junge merkt schnell, dass man die Holzäpfel am ein-fachsten dadurch los wird, dass man sie in den Nachbargarten wirft. Er tut es und erregt den Zorn des alten Mannes. Jetzt beginnen der Junge und der alte Mann Holzäpfel hin und her über den Zaun zu werfen, so schnell sie können. Wer wird gewinnen?“

Basiskonzepte 139