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Enthalpie und Entropie als roter Faden im Chemieunterricht der Sek. II Günter Baars

Enthalpie und Entropie als roter Faden im Chemieunterricht ... · 4 Modellvorstellungen über die Struktur von Atomen 4.1 Atome sind fast leer; das Kern-Hülle-Modell 4.2 Kräfte

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Enthalpie und Entropie als roter Faden

im Chemieunterricht der Sek. II

Günter Baars

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

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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?

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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?

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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-

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Enthalpie und Entropie

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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

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Enthalpie und Entropie

Coulomb-Gesetz

1 212

Q QFr

Kraft, Energie, potenzielle und kinetische Energie, Arbeit

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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)

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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

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Enthalpie und Entropie

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Enthalpie und Entropie

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Enthalpie und Entropie

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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)

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Enthalpie und Entropie

Wahrscheinlichkeit

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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.

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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

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Enthalpie und Entropie

1 22

1 Q QFr

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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

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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

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Enthalpie und Entropie

Virial-TheoremGilt für das H-Atom (21.8∙10-19 J) wie auch für die Bildung einer Elektronenpaarbindung

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Enthalpie und Entropie

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Enthalpie und Entropie

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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?

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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

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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.

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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)

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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

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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... ..

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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

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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

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