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17.03.2018 Olten G. Baars 2
Enthalpie und Entropie
Chemie der Kohlenhydrate
- Acetal / Halbacetal
- Anomeres C-Atom
- Epimere / Epimerisierung
- Glykoside
- Furan / Pyran
- -D-Glucopyranosyl-(1→4)-D-Glucopyranose
- Harworth-Formel
- Aldohexose / Ketohexose
- Fischer Projektion
17.03.2018 Olten G. Baars 3
Enthalpie und Entropie
Chemie der Kohlenhydrate
- Weshalb sind die KH energiereich?
- Woher haben sie ihre Energie?
- KH und Katabolismus?
- Weshalb bilden die Monosaccharide cyclische Moleküle?
17.03.2018 Olten G. Baars 4
Enthalpie und Entropie
Chemieunterricht in der Krise?
- Polare und unpolare Bindungen
- Die Oktettregel / Edelgasregel; Formalladungen
- Hybridorbitale
- Maturprüfungen
- Orbitale
- Ausserdem: chemische und physikalische Trennmethoden; Schützenscheiben für dieDarstellung der Elektronenhülle; spontane und freiwillig ablaufende Reaktionen; aktive und passive H-Brücken …
→ Zurück zu den wesentlichen Fragen: Warum verbinden sich Atome und weshalbentstehen dabei neue Eigenschaften? Wie lassen sich diese neuen Eigenschaftenverstehen?
17.03.2018 Olten G. Baars 5
Enthalpie und Entropie
- Energieerhaltungssatz und Bergbesteigung
- Warum sind polare Bindungen energieärmer als unpolare oder schwach polare Bindungen?
- Warum verbinden sich Nichmetallatome miteinander?
- Weshalb ist ein H-Atom energieärmer als ein Proton und ein Elektron?
- Warum reagieren Metalle mit Nichtmetallen?
- Weshalb lösen sich Salze endotherm in Wasser?
- Weshalb ist ATP energiereich?
N
N
NH2
N
N
Adenosintriphosphat
Adenosin
TriphosphatRibose
Adenin
Adenosindiphosphat
CH2
OHH
OH
HH
OOPO-O P O P
O O O
O- O- O-
17.03.2018 Olten G. Baars 7
Enthalpie und Entropie
Nach 2 Minuten: Heliumkerne
Nach 380 000 Jahren erste Atome: Wasserstoff-AtomeHelium-Atome
Bildung der höheren Elemente in den Sternen und Supernovae
Bausteine: Protonen und Elektronen
Urknall
Nach 10-5 Sekunden: ProtonenNeutronen
Nach 0.2 Sekunden: aus Neutronen:ProtonenElektronen
17.03.2018 Olten G. Baars 8
Enthalpie und Entropie
Coulomb-Gesetz
1 212
Q QFr
Kraft, Energie, potenzielle und kinetische Energie, Arbeit
17.03.2018 Olten G. Baars 9
Enthalpie und Entropie
Gravitations-Gesetz
1 22
m mF kr
Im Internet:- 31 Exkurse- Antworten zu den Aufgaben- Link zur Quantenchemie und
Chemie farbiger StoffeAusserdem:- eBook- App (apple, android; Glossar)
17.03.2018 Olten G. Baars 10
Enthalpie und Entropie
1 Stoffe und Stoffumwandlungen1.1 Stoffe im Alltag1.2 Chemische Reaktionen auf Stoffebene:
Stoffeigenschaften, Energieumsatz,Reaktionsgleichungen I
1.3 Kraft und Energie, zwei Schlüsselbegriffe in der Chemie1.4 Stoffeigenschaften lassen sich mit dem allgemeinen
Teilchenmodell erklären; Energie und Aggregatzustände1.5 Wahrscheinliche Zustände1.6 Die Teilchenzahl bestimmt das Volumen eines Gases
Zentrale Begriffe zum Kapitel 1Aufgaben zum Kapitel 1
17.03.2018 Olten G. Baars 14
Enthalpie und Entropie
Definition:- Energie (gespeichertes Arbeitsvermögen)- Potenzielle Energie Ep (Lage zweier Körper zueinander die sich anziehen oder abstossen)- Kinetische Energie Ek (Bewegung eines Körpers)- Arbeit - Kraft (erzeugt eine beschleunigte Bewegung)
Kräfte zwischen zwei Körpern die sich anziehen - Grosse Ep: schwache Kräfte, grosser Abstand, viel
gespeichertes Arbeitsvermögen- Kleine Ep: starke Kräfte, kleiner Abstand, geringes
gespeichertes Arbeitsvermögen- Übergang vom Zustand kleiner Ep zum grosser Ep: Arbeit
muss verrichtet werden; Zunahme des gespeicherten Arbeitsvermögens
Prinzip vom Energieminimum (fallender Stein; Stausee) Energieerhaltung (Besteigen eines Bergs)
17.03.2018 Olten G. Baars 16
Enthalpie und Entropie
Ein Zustand ist umso wahrscheinlicher, je grösser die Anzahl Anordnungsmöglichkeiten für die Teilchen eines Systems ist
Für jedes System gilt das Prinzip des Energieminimums aufgrund der wirkenden Kräfte sowie das Prinzip des Wahrscheinlichkeitsmaximums aufgrund der zufälligen Teilchenbewegung.
17.03.2018 Olten G. Baars 17
Enthalpie und Entropie
3 Die chemischen Elemente und ihre Atome3.1 Das Universum besteht aus Protonen, Elektronen und
Neutronen, den Bausteinen der Atome3.2 Die Atome der Elemente sind durch ihre Protonenzahl
charakterisiert; das Periodensystem II3.3 Atome desselben Elements unterscheiden sich: Isotope3.4 Wie schwer sind eigentlich Atome? Atommasse und
Stoffmenge; molare Masse3.5 Elektrisch geladene Teilchen üben aufeinander Kräfte aus;
das Coulomb-Gesetz3.6 Exkurs: Vergleich von Gravitations- und Coulomb-Kraft3.7 Exkurs: Die Entdeckung der Atombausteine und der Isotope;
Massenbestimmung3.8 Exkurs: Eine kurze Geschichte der Materie
17.03.2018 Olten G. Baars 19
Enthalpie und Entropie
Kraft, Energie und elektrostatische Kräfte
Körper die sich abstossen:- Kleiner Abstand: starke Kräfte, grosse potenzielle Energie- Grosser Abstand: schwache Kräfte, kleine potenzielle Energie
Körper, die sich anziehen:- Kleiner Abstand: starke Kräfte, kleine potenzielle Energie- Grosser Abstand: schwache Kräfte, grosse potenzielle Energie
Chemie:- Exotherm: anziehende Kräfte nehmen zu; potenzielle Energie nimmt ab;
energieärmerer Zustand (Bindungen; zwischenmolekulare Kräfte)- Endotherm: anziehende Kräfte nehmen ab; potenzielle Energie nimmt zu;
energiereicherer Zustand (Bindungen)- Exotherm: abstossende Kräfte werden kleiner; potenzielle Energie nimmt ab;
energieärmerer Zustand (Delokalisierung; Molekülstrukturen)- → Aufgabe der Chemie: Begründen der Änderung der Kräfte
17.03.2018 Olten G. Baars 20
Enthalpie und Entropie
4 Modellvorstellungen über die Struktur von Atomen4.1 Atome sind fast leer; das Kern-Hülle-Modell4.2 Kräfte und Energien in einem Atom4.3 Das Schalenmodell der Elektronenhülle (IE-Tabelle)4.4 Wie werden die Schalen der Atome mit Elektronen besetzt? Die
Elektronenkonfiguration4.5 Modellhafte Darstellung der Valenzelektronen; Lewis-Schreibweise4.6 Metall- bzw. Nichtmetallatome binden ihre Valenzelektronen
unterschiedlich stark (Modell des Atomrumpfs)4.7 Exkurs: Kraft und Energie bei der Bildung eines Wasserstoff-Atoms4.8 Exkurs: Elektronenschalen enthalten Unterschalen auf verschiedenen
Energiestufen4.9 Exkurs: Atomkerne können sich auch spontan verändern; die
Radioaktivität
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Enthalpie und Entropie
Gesamtenergie Egesamt eines Elektrons in einem Atom: Egesamt = Ep + Ek
17.03.2018 Olten G. Baars 22
Enthalpie und Entropie
Virial-TheoremGilt für das H-Atom (21.8∙10-19 J) wie auch für die Bildung einer Elektronenpaarbindung
17.03.2018 Olten G. Baars 25
Enthalpie und Entropie
7 Kräfte innerhalb von Molekülen: Bindungsenthalpie, Bildungsenthalpie und Molekülgestalt
8 Kräfte zwischen Molekülen: Aggregatzustand und Mischbarkeit
9.1 Der Energieumsatz bei der Bildung von Ionenverbindungen
12 Chemische Reaktionen laufen freiwillig oder unfreiwillig ab; Enthalpie und Entropie
← AA → + ← BB → → 2 → AB ← E1 E2 E3
nicht bindendesElektronenpaarbindendes
ElektronenpaarH-Brücke
keine H-Brücke
O
H
O H
H
.
S
H
S H
H
.
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Enthalpie und Entropie
Warum bilden Nichtmetallatome Moleküle?Warum sind polare Bindungen energieärmer als unpolare Bindungen?
Warum sind H-Brücken so besonders stark?
Begründung der Reaktionsenthalpien mit Bindungsenthalpien bzw. Bildungsenthalpien.
Begründung der Molekülstruktur mit elektrostatischen Kräften.
Weshalb mischen sich Stoffe?
Weshalb ist ATP energiereich?
Abhängigkeit der Gitterenthalpie?Weshalb lassen sich Salzschmelzen und Salzlösungen mit Strom zersetzen?
17.03.2018 Olten G. Baars 27
Enthalpie und Entropie
12 Chemische Reaktionen laufen freiwillig oder unfreiwillig ab; Enthalpie und Entropie
12.1 Welche chemischen Reaktionen laufen freiwillig ab?
12.2 Das Prinzip der Wahrscheinlichkeit ergänzt das Prinzip des Energieminimums
12.3 Die Entropie, ein Mass für die Wahrscheinlichkeit eines Stoffsystems
12.4 Die Freiwilligkeit einer Reaktion lässt sich quantitativ erfassen; die Gibbs-Helmholtz-
Gleichung
12.5 Exkurs: Die Berechnung der freien Enthalpie
12.6 Exkurs: Die Enthalpie kann auch als Entropie interpretiert werden: Der zweite
Hauptsatz der Thermodynamik
12.7 Exkurs: Die Natur macht es uns vor; wie Zellen unfreiwillige Reaktionen zum Laufen
bringen
17.03.2018 Olten G. Baars 28
Enthalpie und Entropie
Es tritt ein, was wahrscheinlich ist.
∆G = ∆H - T∙∆S
Der freiwillige Ablauf einer Reaktion wird sowohl durch die
Reaktionsenthalpie als auch durch die Reaktionsentropie bestimmt.
17.03.2018 Olten G. Baars 29
Enthalpie und Entropie
14.5 Die Stärke von Säuren und Basen; die Säure-Base-Reihe
14.9 Exkurs: Säure- sowie Basenstärke und ihre Abhängigkeit15.3 Oxidatoren und Reduktoren unterscheiden sich in ihrer Stärke; die Redoxreihe
16.2 Zum einmaligen Gebrauch: Batterien (Primärelemente)
17.03.2018 Olten G. Baars 30
Enthalpie und Entropie
17.1 Alkane, Grundgerüst aller Kohlenstoffverbindungen
C C C C CH
H
H H H H H
H
H H H HH. H. H. H.
H.
H.
H.
H.
H.
H.H. H.C
.
.. . C... . C
.
.. .C... . C
.
.. .
CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l) ∆H < 0
18.1 Die C=C-Doppel- und die C≡C-Dreifachbindung
18.6 Exkurs: Elektronenwolken dehnen sich aus; aromatische Kohlenwasserstoffe
17.03.2018 Olten G. Baars 31
Enthalpie und Entropie
19.1 Die Hydroxylgruppe als Kennzeichen der Alkohole
20.1 Die Carboxylgruppe als Kennzeichen der Carbonsäuren
R CO
O-
R CO
O
-
R CO
O... ..
... C C
H
H O H
O
O
H
C
H
H
... ... C C
H
H O
H
O C
H
H
O
H
...
Carbonsäure Alkohol
Zwischenprodukt
O H
H
... C C
H
H O
H
O C
H
H
O
H
... ... C C
H
H
O C
H
H
O...
............
+
Wasser Ester
R CO
O-
R CO
O
-
R CO
O... ..
17.03.2018 Olten G. Baars 32
Enthalpie und Entropie
21.2 Die Fotosynthese als Ursprung der Kohlenhydrate
21.5 Nukleinsäuren bestimmen die Aminosäuresequenz eines Proteins
O
O
OPO
N
NN
N
N H
H
O P O
O
N
N
O
O
H
O P O
O
O
N
NN
N
O
N
H
H
H5
43 2
1
O
O
O P O
O
O
5
43 2
1
O
N
N
N
O
HH
5
43 2
1
O
5
43 2
1
O
17.03.2018 Olten G. Baars 33
Enthalpie und Entropie
Chemie?
Verschiebung von Elektronen (QC: Änderung
der Elektronendichte) führt zu neuen Kräften
und damit zu neuen Energieverhältnissen
Es geschieht was wahrscheinlich ist.
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
hep verlag agGutenbergstrasse 31Postfach3001 Bern