Grundwissen Chemie Mittelstufe (10 SG) · Neutralisation Säure-Base-Titration Einer Protolyse ist eine chemische Reaktion, bei der Protonen über-tragen werden. Bei einer Neutralisation

Grundwissen Chemie Mittelstufe (10 SG)

Marie-Therese-Gymnasium

Erlangen

Diese Fassung des Grundwissens wurde im Dezember 2014 für das Marie-Therese-Gymnasium Erlangen von der Fachschaft Chemie beschlossen. Arbeitsgrundlagen waren die Fassung der Wilhelm-Lö-he-Schule Nürnberg und Diskussionsergebnisse in der Arbeitsgruppe DELTAPLUS Mittelfranken.

Diese Grundwissenssammlung soll einen Überblick darüber geben, welche Grundfertigkeiten und -kenntnisse zum jeweiligen Zeitpunkt bzw. beim Eintritt in die Q11 vorausgesetzt werden. Sie umfasst nicht den gesamten vermittelten Stoff und ersetzt daher nicht die kontinu-ierliche Vor- und Nachbereitung.

Version 5.1 (5.12.2014)

Einzeldateien:

GW8 Grundwissen für die 8. Jahrgangsstufe

GW9 Grundwissen für die 9. Jahrgangsstufe (MNG)

GW9a Grundwissen für die 9. Jahrgangsstufe (SG)

GW10 Grundwissen für die 10. Jahrgangsstufe (MNG)

GW10aGrundwissen für die 10. Jahrgangsstufe (SG)

GW-Chemie Komplette Grundwissenskartei 8-10

Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 259 NTG

10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 259 NTG

10 SG

ElektronegativitätPolare Bindung

Elektronegativität (EN)• Eigenschaft der Atome, Bindungselektronen anzuziehen• Die EN hängt von der Kernladung und der Größe der Atome ab.• Die EN nimmt im PSE von rechts oben nach links unten ab:

In einer Atombindung zieht der Bindungspartner mit derhöheren EN die Bindungselektronen stärker an. Dadurch wird die Bindung polar ( ), es entstehen Partialladungen (δ+, δ-). Die Atombindung ist umso polarer, je größer die Elektronegativitätsdifferenz der Bindungspartner ΔEN ist.

H Clδ+ δ-

(Nr. 1-25 s. GW 9a)



10 SG



10 SG

Dipolmoleküle

Zwischenmolekulare WWvan-der-Waals-WW

Dipol-WW Wasserstoffbrücken

Ein Molekül mit polaren Atombindungen ist genau dann ein Dipol, wenn sich die Ladungsverschiebungen nach außen nicht aufheben.

Dipol Dipol

kein Dipol

H Clδ+ δ-

van-der-Waals-WW • Anziehungskräfte zwischen spontanen und induzierten Dipolen• steigen mit zunehmender Kontaktfläche und Molekülmasse• wirken zwischen allen Teilchen (auch unpolaren)Dipol-Dipol-WW • sind WW zwischen positiven und negativen Partialladungen von Dipol-Molekülen (z.B. HCl)Wasserstoffbrücken • sind besonders starke Dipol-Dipol-WW • sind bei geringer Molekülgröße die stärksten WW• bestehen zwischen stark (nur durch F, N und O) positiv polarisier-tem H und einem nichtbindenden Elektronenpaar:

H F H F+ +

O C Oδ- δ-δ+

O H

Hδ+

δ-

δ+



10 SG

Säure – saure Lösungneutrale Lösung

Base – alkalische Lösung

Säure: Protonendonator (Beispiel: HCl) Saure Lösungen enthalten mehr Oxonium- als Hydroxidionen

c (H3O+) > c (OH-)

Neutrale Lösungen enthalten gleich viel Teilchen beider Ionensorten:

c (H3O+) = c (OH-)

Base: Protonenakzeptor (Beispiel: NH3)Alkalische Lösungen enthalten mehr Hydroxid- als Oxoniumionen:

c (H3O+) < c (OH-)

(HCl + H2O -> H3O+ + Cl-)

(NH3 + H2O -> NH4+ + OH-)

(Nr. 28-30 siehe GW 9a)



10 SG



10 SG

Wichtige Säuren

Wichtige Basen

Natriumhydroxid NaOH Lsg.: Natronlauge in Rohrreiniger, Laugengebäck

Kaliumhydroxid KOH Lsg.: Kalilauge zum Abbeizen

Calciumhydroxid Ca(OH)2 Lsg.: Kalkwasser CO2-Nachweis, Kalkmörtel

Ammoniak NH3 Lsg.: Ammoniakwasser Pferdemist, Haarfarbe, überreifer Camembert

Säure Säure-AnionHCl Chlorwasserstoff Cl- Chlorid (Lösung: Salzsäure) (Magensäure)HNO3 Salpetersäure NO3

- Nitrat (Dünger- u. Sprengstoffherstellung) H2SO4 Schwefelsäure SO4

2- Sulfat (in Autobatterien)H2CO3 Kohlensäure CO3

2- Carbonat (in Erfrischungsgetränken)H3PO4 Phosphorsäure PO4

3- Phosphat (in Coca-Cola)CH3COOH Essigsäure CH3COO- Acetat (Konservierungsmittel)



10 SG



10 SG

Protolyse Neutralisation

Säure-Base-Titration

Einer Protolyse ist eine chemische Reaktion, bei der Protonen über-tragen werden.

Bei einer Neutralisation findet ein Protonenübergang von Oxonium-Ionen auf Hydroxid-Ionen unter Bildung von Wassermolekülen statt:

H3O+ + OH- → 2 H2O

Bei der Reaktion äquivalenter Mengen einer starken Säure mit einer starken Base bildet sich eine neutrale Lösung (pH=7).

z.B.: HCl + NaOH → NaCl + H2O allg: „Säure + Base → Salz + Wasser“

Quantitatives Verfahren zur Bestimmung einer unbe-kannten Konzentration eines gelösten Stoffes (z.B. Säure) durch schrittweise Zugabe einer Lösung bekannter Konzentration (Maßlösung, z.B. Lauge) bis zum Äqui-valenzpunkt ÄP (zu erkennen z.B. an der Änderung der Indikatorfarbe).

Am ÄP gilt für die Titration von Säuren

n(H3O+) = n(OH-)



10 SG



10 SG

pH-Wert

Oxidation und Reduktion

Salzsäure, Cola dest. Wasser Natronlaugec = 1 mol/l c = 1 mol/l

Der pH-Wert ist ein Maß für den sauren, neutralen oder basischen Charakter einer wässrigen Lösung.Daher ist der pH-Wert auch ein Maß für die Konzentration der Oxoniumionen in einer wässrigen Lösung. Es gilt: Saure Lösung: pH < 7 Neutrale Lösung: pH = 7 Basische Lösung: pH > 7pH-Skala, Färbung mit Universalindikatorlösung:

Oxidation: Abgabe von Elektronen(Oxidationszahl wird größer)

Reduktion: Aufnahme von Elektronen(Oxidationszahl wird kleiner)

Oxidationsmittel:oxidiert, nimmt Elektronen auf und wird dabei selbst reduziert

Reduktionsmittel:reduziert, gibt Elektronen ab und wird dabei selbst oxidiert Redoxreaktion: chemische Reaktion, bei der Elektronen übertragen werden.



10 SG



10 SG

ElektrolyseBatterie/Galvan. Element

Donor-Akzeptor-PrinzipProtolysereaktion

Redoxreaktion

Elektrolyse:Eine Redox-Reaktion wird mit Hilfe einer Spannungsquelle durch Zufuhr von elektrischer Energie erzwungen

Galvanisches Element:Die Umkehrung der Redox-Reaktion setzt elektrische Energie frei.

Elektrolyse Galvanisches Element

ZnI2 à Zn + I2 ΔEi > 0 Zn + I2 à ZnI2 ΔEi < 0

erzwungen freiwillig

Fast alle chemischen Reaktionen können als Donator-Akzeptor-Reak-tionen beschrieben werden.

• Protolyse-Reaktion: Protonenübergang• Redox-Reaktion: Elektronenübergang

Donator Akzeptor

Protolyse-Reaktion

Säure Base

Redox - Reaktion Reduktionsmittel Oxidationsmittel



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10 SG

Kohlenwasserstoffe

Homologe Reihe

Kohlenwasserstoffe sind nur aus C- und H-Atomen aufgebaut.

In einer homologen Reihe werden Moleküle zusammengefasst, die sich nur durch die Länge ihrer Kette aus -CH2- Einheiten unterschei-den.

Beispiel: Alkane (Methan - Ethan - Propan - Butan - Pentan - ...)

Allgemeine Summenformeln:Homologe Reihe der Alkane: CnH2n+2Homologe Reihe der Alkene: CnH2nHomologe Reihe der Alkine: CnH2n-2



10 SG



10 SG

Funktionelle Gruppen

Isomerie

Funktionelle Gruppen bestimmen mit ihren Eigenschaften das Reaktionsverhalten organischer Verbindungen:

C

O

C

O

OH

C C

C C

Alkene

Alkine

Alkohole Carbonylverbindungen(Aldehyde und Ketone)

Carbons‰uren Ester Amine

C

O

O

N

H

H

O H

Doppelbindung

Dreifachbindung

Carboxygruppe Esterbindung Aminogruppe

Hydroxygruppe Carbonylgruppe

funktionelle Gruppen

IsomereUnterschiedliche Verbindungen

mit gleicher Summenformel

Konstitutionsisomere(Strukturisomere)

unterschiedliche Verknüpfung der Atome, z.B.

Stereoisomereunterschiedliche Anordnung

der Atome im Raum, z.B. E/Z-Isomerie

C C C C

n-Butan

2-Methylpropan

C C C

CC C

H

ClCl

HC C

Cl

HCl

H

Z - 1,2-dichlorethen E - 1,2-dichlorethen

Carbonsäuren



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10 SG

elektrophile Teilchennucleophile Teilchen

Radikale

organische Reaktionstypen:

Substitution

Elektrophile Teilchen haben an einer Stelle ein Elektronendefizit, sind also positiv geladen oder polarisiert.

Nucleophile Teilchen haben an einer Stelle einen Elektronenüber-schuss, sind also negativ geladen oder polarisiert. Sie haben mindes-tens ein nichtbindendes Elektronenpaar.

Elektrophile Teilchen (Elektronenakzeptoren) reagieren stets mit nucleophilen Teilchen (Elektronendonatoren).

Radikale sind Teilchen mit mindestens einem ungepaarten Elektron. Radikale sind besonders reaktiv.

Organische Verbindungen mit Einfachbindungen (Alkane, Alkohole, Halogenalkane) haben die Tendenz zu Substitutionsreaktionen:Zum Beispiel: Radikalische Substitution bei den Alkanen

H C C H + Br Br H C C Br H Br+Lichtenergie

Mechanismus (nur NTG):Die Radikalische Substitution läuft in drei Schritten ab:- Startreaktion (Bildung eines Radikals, z.B. durch Lichtenergie)- Ketten(fortpflanzungs)reaktion- Abbruchreaktionen (Kombination zweier Radikale)



10 SG



10 SG


Addition


Kondensation und Hydrolyse

Organische Verbindungen mit Mehrfachbindungen (Alkene, Carbonylverbindungen) gehen Additionsreaktionen ein:Zum Beispiel: elektrophile Addition bei den Alkenen

C C + Br Br C C

Br Br

Mechanismus (nur NTG):- Angriff des elektrophilen Teilchens an der Doppelbindung (hier: δ+ Br→Br δ-)- im zweiten Schritt nucleophiler Angriff (hier: Br-).

Kondensationsreaktion: zwei Moleküle verbinden sich miteinander unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (z.B. H2O: Esterbildung)

Hydrolyse:Spaltung einer Verbindung durch Reaktion mit Wasser (z.B. Esterspaltung)

Veresterung Esterspaltung

OC

O

R1 H O R2H+Kondensation

OC

O

R1 R2 + OH2Hydrolyse

Carbonsäure Alkohol Ester Wasser



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10 SG

Redoxverhalten der organischen

Sauerstoffverbindungen

Nachweisreaktionen für Aldehyde

C

H

H

C OH

H

H

ROxidaton

Reduktion

R1 C OH

H

R2Reduktion

Oxidaton

R1 C OH

R3

R2

Oxidaton

Reduktion

primärer Alkohol

sekundärer Alkohol

tertiärer Alkohol

C

H

H

C

O

H

ROxidaton

Reduktion

Aldehyd

C

H

H

C

O

OH

R

Carbonsäure

Oxidaton

Reduktion

R1C O

R2

Keton

Oxidaton

Reduktion

Nur Methansäure ist noch zu Kohlenstoffdioxid oxidierbar.

Fehlingsche ProbeEine alkalische wässrige Lösung von Kupfer-(II)-sulfat wird bei vorsichtigem Erhitzen durch Aldehyde zu rotem Kupfer-I-oxid (Cu2O) reduziert (ziegelroter Niederschlag).(Ketone reagieren nicht)

SilberspiegelprobeHier werden Silber-(I)-Ionen einer ammoniakalischen Silbernitratlö-sung (Tollens Reagens) bei vorsichtigem Erhitzen durch Aldehyde zu metallischem Silber (Silberspiegel) reduziert.(Ketone reagieren nicht)



10 SG



10 SG

Wichtige sauerstoffhaltige organische Verbindungen

Fette

Fette sind Triglyceride, d.h. Ester aus Glycerin und drei Fettsäuren. Fettsäuren sind langkettige gesättigte oder ungesättigte Carbonsäu-ren.

Methanol Treibstoff

Ethanol Genussmittel, Brennstoff, Lösungs- mittel

Hexan-1,2,3,4,5,6-hexol (Sorbit) Zuckeraustauschstoff

Methanal (Formaldehyd) Ausgangsstoff für Kunststoffe, Kon- servierungsstoff (Anatomie)

Propanon (Aceton) Lösungsmittel

Methansäure (Ameisensäure) Bestandteil von Ameisen- und Brennesselgift

Ethansäure (Essigsäure) Essig, Konservierungsmittel

Fruchtester Bestandteil natürlicher Aromen



10 SG



10 SG

Kohlenhydrate:

Monosaccharide

Monosaccharide sind entweder Polyhydroxyaldehyde oder Polyhydroxyketone,

Beispiele:

Glucose (Traubenzucker) Fructose (Fruchtzucker) Aldose Ketose

Disaccharide Monosaccharide werden durch glycosidische Bindungen zu Disacchariden oder Polysacchariden verknüpft.

Beispiele:Maltose Saccharose

O

OH

HH

OHOH

H OH

H O

H

OH

OH

H

H

CH2OH

CH2OH CH2OH

Kohlenhydrate:

Disaccharide



10 SG



10 SG

Proteine:

Aminosäuren

Kohlenhydrate:

Polysaccharide

NH2 C H

R

CO OH Carboxygruppe

Aminogruppe Rest

Aminosäuren (2-Aminocarbonsäuren; α-Aminocarbonsäuren)allg. Schema:

Nur 20 Aminosäuren mit jeweils unterschiedlichem Rest bilden die Bausteine der Proteine („proteinogene Aminosäuren“).

Polysaccharide sind lange Ketten von glycosidisch miteinander ver-knüpften Monosacchariden. Beispiele sind:

Amylose (aus α-Glucose; spiraliges Molekül)

Cellulose (aus β-Glucose; gestrecktes Molekül)

O

CH2OH

OH

OH

HH

H

H HO

CH2OH

OH

OH

HH

O

H

H

H

O O

CH2OH

OH

OH

HH

H

H HO

CH2OH

OH

OH

HH

H

H

H

O



10 SG

Proteine

Proteine: Aminosäuren werden durch Peptidbindungen zu Ketten verknüpft.

• Primärstruktur: Reihenfolge der Aminosäuren (AS-Sequenz),• Sekundärstruktur: Regelmäßige geordnete Strukturen innerhalb der Aminosäurekette, die durch Wasserstoffbrücken zwischen Pep-tidgruppen stabilisiert werden: α-Helix oder β-Faltblatt.• Tertiärstruktur: Räumliche Anordnung der Helix- bzw. Faltblatt-struktur durch WW zwischen den Resten• Quartärstruktur: Räumliche Anordnung mehrerer Polypeptid-Ket-ten zu einem Gesamtprotein.

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