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Vorlesung Anorganische Chemie
Prof. Ingo KrossingWS 2007/08B.Sc. Chemie
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Login PrüfungsanmeldungNur Bachelor…!
https://www.verwaltung.uni-freiburg.de/qis
E-Mail Frau
Jones:[email protected]
Nur Bachelors müssen sich anmelden…!
Keine Lehrämtler…!
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Themen• Begleitvorlesung zur Experimentalchemie
– Nur für Chemiker und Chemie-Lehramt
• Vertiefung von Konzepten und Stoff
• Theorievorlesung– Folien werden nach der Vorlesung ins
Internet
gestellt:– http://portal.uni-freiburg.de/molchem/downloads–
Username: molchem– Password: uni-fr
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LiteraturGreenwood, N.N.;Earnshaw A.: Chemistry of the Elements.
57,75 €1997, Butterworth-Heinemann (ISBN:0-7506-3365-4)
Holleman: Lehrbuch der anorganischen Chemie. Gruyter, Walter
84,00 €de, GmbH & Co.K G (|SBN: 3-11-012641-9)
Housecroft Catherine E.; Sharpe, Alan G.: Anorganische 79,95
€Chemie. 2. Aufl. 2006, Pearson Studium (lSBN: 3-8273-7192-9)
Huheey: Anorganische Chemie. 3. Aufl. 2003, Gruyter, Walter de,
78,00 €GmbH& Co.K G (ISBN:3 -11-017903-2)
Jander, Gerhart; Blasius,Ewald: Lehrbuch der analytischen und
46,00 €Präparativen anorganischen Chemie.16. Aufl. 2006, Hirzel
VerlagGmbH & Co. (ISBN: 3-7776-1388-6)
Mortimer, Charles E.: Chemie. 8. Aufl. 2003, Thieme Verlag,
59,95 €Georg (ISBN: 3-13-484308-0)
Riedel: Allgemeine und anorganische Chemie. 8. Aufl. 2004, 34,95
€Gruyter, Walter de, GmbH & Co. KG (ISBN: 3-11-018146-0)
Shriver, Duward F.; Atkins, Peter W.; Langford, Cooper H.: 72,90
€Anorganische Chemie. 1997, Wiley-VCH Verlag GmbH &
Co.KGaA(ISBN: 3-527-29250-0).
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Von der Alchemie….Al Chemie (arabisch): „Das Schwarze“
=> Bezeichnung für Ägypten (Nilüberschwemmungen).
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Was ist Chemie ?Was ist Chemie ?
Die PhysikPhysik beschäftigt sich mit den Zuständen der Stoffe
(und den Zustandsänderungen) ;
die ChemieChemie beschäftigt sich mit den Stoffen und
denStoffänderungen, soweit sie sich in der Elektronen- hülle
abspielen. Chemie istChemie ist (stoffliche)
"Veränderung""Veränderung".
=> Chemie als Physik der Elektronenhülle.
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Pyramiden-Metapher
PHYSIKCHEMIE
BIOLOGIE
Stufenpyramide von Sakkara: 2800 v.Chr.
Anthropologie
Kulturwissenschaften
Was ist Chemie?exakte Naturwissenschaft – intellektuelles
Handwerk
MATHEMATIK
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Wissenschaftliche Basis der Chemie
- Naturgesetze: ohne Beweis anerkannt, empirisch bewährt,
mathematisch sauber definiert, „Axiome“
- Naturkonstanten: Lichtgeschwindigkeit c Planck‘sches
Wirkungsquantum h
- Gesetze: Moseley-Gesetz Massenwirkungsgesetz
- Theorien:
- Regeln: Oktett-Regel Hund‘sche-Regel
- Prinzipien: Le Chatelier-Prinzip Pauli-Prinzip
- Konzepte, Modelle, Postulate: Clusterkonzept Kalottenmodelle
Bohr‘sches Postulat
Elementarladung e Gravitationskonstante G
Boltzmann-Konstante k Sommerfeld‘sche Feinstruktur-Konstante
α
Kristallfeld-Theorie Molekül-Orbital-Theorie
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„Gefühl für die Chemie“
- Wie stark ist eine chemische Bindung ?
- Wie lang ist eine chemische Bindung ?
- Wie leicht erfolgt Elektronenaufnahme /-abgabe ?
- Wie stark sauer / basisch ist ein Stoff ?
- Welchen Aggregatszustand hat ein Stoff ?
- Wie wechselwirkt ein Stoff mit elektromagnet. Strahlung ?
- Welches sind die wichtigsten Reaktionen eines Stoffes ?
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Geoche
mie
Geowissenschaften Biologie
MedizinWerkstoff-wissenschaften
Technik Physik
AC OC
PC
Biochemie
MedizinischeChem
ie
Physika
lische
Chemie
Technische Chemie
Fest
körp
erCh
emie
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Hypothese Messung Realität
Stellen einer wiss. Frage
Experiment
Auswertung
Antwort auf Fragen
Ja
Nein
Chemie: Eine experimentelle Wissenschaft
=> Versuch und Irrtum…!
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Reise zum Urknall-Anfang des Universums-Beginn von Raum und
Zeit-gesamte Energie in einem Punktkonzentriert
-dann begann das Universum,explosionsartig zu expandieren
-das war vor 15 Milliarden Jahren-seither dehnt sich das
Universum unaufhaltsam aus und kühlt dabei immer mehr ab (die 3
Kelvin Hinter-Grundstrahlung)
-es entstanden Atome, Sterne,Planeten und das Leben…
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1/1000 s nach dem Urknall: die Kernbausteine entstehen
Übergang vom Quark-Gluon-Plasma (oben) zu freien Protonen und
Neutronen
Protonen und Neutronen bestehen jeweils aus drei Quarks, die von
Gluo-nen zusammengehalten werden.
Im Anschluss entstanden in den ersten drei Minuten die leichten
Kerne von Wasserstoff, Deuterium, Helium und Lithium.
Erst nach einer Milliarde Jahre begann der Aufbau der schwereren
Elemente in den Sternen
Tempe
raut
ur
Zeit
Quantenchromodynamik: Theorie der starken Wechselwirkung
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300 000 Jahre nach dem Urknall:
=> Temperatur unter 3000 Kelvin.
Bildung neutraler Wasserstoffatomeaus freien Protonen und freien
Neutronen.
=> Es bilden sich riesige Wasserstoff-Wolken.
=> Ausgangsmaterial für die Bildungvon Sternen und für die
Element-Synthese
Tem
pera
tur
Zeit
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=> Wenige Elemente dominieren…
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Der Aufbau der Elemente
Das sind jeweils 1 Mol Eisen (55.8 g), Schwefel (32.06 g), Iod
(126.9 g) und Quecksilber(200.6 g) :
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Dalton‘sche Atomhypothese
1.) Elemente bestehen aus gleichen Atomen.Atome haben die
gleiche Masse.
2.) Bei chem. Reaktionen werden nur Atome getrenntoder
verbunden.
3.) Chemische Verbindungen resultieren aus der Verknüpfung von 2
oder mehr Atomsorten indefinierten Verhältnissen.
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Atomgewichte
Ursprünglich: relativ zu Wasserstoff = 1 gesetzt.
Heute: Relativ vom Kohlenstoff-Isotop 12C = 12.0000
Vergleich der Atomgewichte von Berzelius (1817-30) mit aktuellen
Werten:
Berzelius heute
Chlor 35.41 35.45
Kupfer 63.00 63.55
Blei 207.12 207.2
Stickstoff 14.05 14.01
Kalium 39.19 39.10
Silber 108.12 107.87
Schwefel 32.18 32.06
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Proton
Elektron
Neutron
Ladung: +1; q = + e = 1.6022 × 10 -19 Coulomb
Masse: m = 1.6726 × 10 -24 g = 1.007276 u
Ladung: -1; q = - e = 1.6022 × 10 -19 Coulomb
Ladung: 0;
Masse: m = 9.1094 × 10 -28 g = 0.00054858 u
Masse: m = 1.6749 × 10 -24 g = 1.008665 u
Atommasseneinheit (u) ist 1/12 der Masse des Atoms 12 C
Atombausteine
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Entdeckung des Elektrons: Kathodenstrahlen
(-)(+)
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Entdeckung des Elektrons
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Die Ladung des Elektrons: Millikan Versuch
Ladung: - e = 1.6022 × 10 -19 C
Masse: m = 9.1094 × 10 -28 g = 0.00054858 u
=> Sinkgeschwindigkeit => Masse Tropfen
=> Aufnahme Elektron: neg. geladen
=> Spannung so einstellen das Tropfen „schwebt“.
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Das Proton: Kanalstrahlen
Ladung: +1; q = + e = 1.6022 × 10 -19 CoulombMasse: m = 1.6726 ×
10 -24 g = 1.007276 u
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Das NeutronAtome sind elektrisch neutral
=> Es müssen genauso viel Elektronen (-) wie Protonen (+) im
Atom vorhanden sein.
Die Masse der Atome entspricht aber außer beim Wasserstoff nicht
der Summe der Elektron und Protonmassen.
=> Es muss einen weiteren, ungeladenen Baustein geben, der in
etwa das Gewicht des Protons aufweist.
Ladung: 0;
Masse: m = 1.6749 × 10 -24 g = 1.008665 uNeutron:
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Elementsymbol, Ordnungs- und Massenzahl
3216 S für SchwefelElementsymbol
Massenzahl
=> Gesamtzahl an Nukleonen (d.h. Protonen und Neutronen)
Ordnungszahl
=> Zahl der Protonen
Für ungeladene Atome entspricht die Zahl der Elektronen der der
Protonen.
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Atom- bzw. Molekülgewichte können heute hochpräzise in einem
Massen-Spektrometer gemessen werden:
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Ionen• Atome und Moleküle können Elektronen
aufnehmen oder abgeben.
• Sie sind dadurch selbst geladen und bilden Ionen.
Kationen: Abgabe von Elektron(en)positiv geladen
Anionen: Aufnahme von Elektron(en)negativ geladen
[Na]+
[Cl]-
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IsotopeWenn das Element Chlor im Massenspektrometeruntersucht
wird, findet man 2 Signale bei 35 und 37 u im Verhältnis 3 : 1.
=> Warum…?
3517
3717
Isotope…!
Protonen und Elektronenzahl gleichNeutronenzahl
unterschiedlich
Ar(Cl) = 35.45
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Der Aufbau der AtomeWir wissen das Atome aus:
– Elektronen– Protonen– Neutronen
bestehen.
Wie ist aber der räumliche Aufbau von Atomen…?
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Rutherford´scher Streuversuch
α-Teilchen: Bestehen aus 2 Protonen und 2 Neutronen (Ladung also
+2, Masse etwa 4 u)=> Bestandteil radioaktiver Strahlung (es
gibt α-, β- und γ-Strahlung)
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Der Aufbau von Materie: Moleküle
Innerhalb des Moleküls: Atome fest verbunden
Außerhalb des Moleküls:(fast) keine weitere Wechselwirkung
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Der Aufbau von Materie: Ionenverbindungen wie Na+Cl-
100 pm
0,50,5
0,5
0,5 0,5
0 000 0
0
0
0000 0
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
.
0,2
0,5
0,50,5
0
-0,2 00 0 0 00,8..
.0,3 0,3.0,5
0,5
0,50,8.
0,5
0,50,50,5
-0,6
-0,9
- +
+
++
+
++
+
+-
--
-- -
---
- +
+
++
+
++
+
+-
--
-- -
---
Dreidimensionale Struktur, die aus isolierten Ionen aufgebaut
wird.
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Stöchiometrie: GrundprinzipienAlle chemischen Verbindungen sind
insgesamt ungeladen
(Elektroneutralitätsprinzip)
Da Ionen- und Molekülverbindungen nur aus
ganzzahligenVerhältnissen von Atomen bestehen können, existieren
chemische Verbindungen nur im Verhältnis ganzzahliger
Vielfacher von Atomen.
=> Empirische Formel…!
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Stöchiometrie: Grundprinzipienz. B.: H1O1 ist die empirische
Formel…
Es muss daher insgesamt als (HO)n mit n = 1, 2, 3, …
vorliegen.
Experimentell wird n als 2 gefunden => H2O2.
H H
O
O
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Der Molbegriff• Einzelne Atom- und Molekülmassen sind sehr
klein
(1 u ~ 10-24 g).
• Die Anzahl an Atomen/Molekülen/Ionen, die dem dimensionslosen
Atom/Molekül/Ionengewicht (in u) in Gramm entspricht wird ein Mol
genannt.
• Dies ist eine immer konstante Anzahl von Teilchen => Die
Avogadro-Zahl NA
• NA = 6,022 ⋅ 1023 Teilchen.
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Der Molbegriff
Das sind jeweils 1 Mol Eisen (55.8 g), Schwefel (32.06 g), Iod
(126.9 g) und Quecksilber(200.6 g) :
1 Mol = 6,022⋅1023 Atome
Fe: Ar = 55.8 u=> 1 mol Fe = 55.8 g
S: Ar = 32.06 u=> 1 mol S = 32.06 g
I: Ar = 126.9 u=> 1 mol I = 126.9 g
Hg: Ar = 200.6 u=> 1 mol Hg = 200.6 g
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Stöchiometrisches Rechnen:
relative Molekülmasse Mr ≙ Σ Atommassen
z.B. Aa Bb Cc => Mr = a • Ar(A) + b • Ar(B) + c • Ar(C)
Für das Gewichtsverhältnis der Bestandteile gilt:
GA : GB : GC = : :
Aus experimentell bestimmten Gewichtsanteilen Gx kann nun die
Stöchiometrische Formel einer chemischen Verbindung ermittelt
werden:
: : = : : = a: b : c
⇒ Für stöchiometrisch zusammengesetzte Verbindungen muss a:b:c
das Verhältnis kleiner ganzer Zahlen geben.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅
rMAAra )(
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
rMBArb )(•
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
rMCArc )(•
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛)(AA
G
r
A⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛)(BA
G
r
B⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛)(CA
G
r
C
rMa
rMb
rMc
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Übungsbeispiel:Chemische Formel einer Verbindung, bestehend
aus:
28.9% K, 23,7% S und 47,3% O.Lösung:1. Schritt: Aufsuchen der
rel. Atommassen, aus Atommassentabelle:
K: 39,1S: 32,06O: 16,00
2. Schritt: Verhältnisbildung
28,9/39,1 : 23,7/32,06 : 47,3/16,00 = 0,739 : 0,739 : 2,956 = 1
: 1 : 4 (nach Division durch 0,739!).
3. Schritt: Hieraus die chemische Formel: KSO4(oder K2S2O8 bzw.
allgemein (KSO4)n)
4. Schritt: Berechnung der rel. Molmasse:M = 39,10 + 32,06 +
4*16,00 = 135,16
Ergebnis: Die chemische Formel der Verbindung ist KSO4, die rel.
Molmasse beträgt ein n-faches von 135,16.
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Chemische Reaktionsgleichungen
2 H2 + O2 —> 2 H2OEdukte Produkte
—>
4 H-Atome2 O-Atome —>
4 H-Atome2 O-Atome
4 Mol H-Atome2 Mol O-Atome —>
4 Mol H-Atome2 Mol O-Atome
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Chemische Reaktionsgleichungen1. Edukte und Produkte
notieren:
2. Aggregatszustände notieren (optional):
=> Chemische Reaktionsgleichung als mathematische
Gleichung…!
=> Der „—>“ entspricht mathematisch dem „=“…!
3. Reaktionsgleichung ausgleichen:
1 C, 2 S, 6 Cl 1 C, 2 S, 6 Cl
