Stoffgemische, Stofftrennung, Molbegriff · Bor B 5 10,811 11, 10 Kohlenstoff C 6 12,0115 12, 13, 14* Stickstoff N 7 14,0067 14, 15 Sauerstoff O 8 15,9994 16, 18, 17 Fluor F 9 18,9984

Fachbereich Chemie der Universität Marburg

Stoffgemische, Stofftrennung, Molbegriff

Materie: - heterogene Stoffe (mehrere Phasen)

- homogene Stoffe (eine Phase)

Phase: einheitlich (homogen) mit Phasengrenze (optisch erkennbar).

Sand/Wasser: zwei Phasen (fest/flüssig); Phasengrenze ist die Sand-

kornoberfläche.

Wasser/Luft: zwei Phasen (flüssig/gasförmig); Phasengrenze ist die

Wasseroberfläche.

n-Hexan/Wasser: zwei Phasen (flüssig/flüssig); Phasengrenze ist die

Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten.

Sand/Wasser/Luft: drei Phasen (fest/flüssig/gasförmig); Phasen-

grenzen sind die Sandkorn- und die Wasserober-

fläche.


Zusammensetzung der Materie

Materie

heterogene Stoffe(mehrere Phasen)

homogene Stoffe(eine Phase, aber Mischungen erlaubt)

mechanische Trennung

Lösungen(variable Zusammensetzung)

reine Stoffe(konstante Zusammensetzung)

Elemente(chemisch nicht mehr aufspaltbar)

Verbindungen(chemisch aufspaltbar)


Heterogene Stoffe (mehrere Phasen)

1. fest/fest: Sand (verschiedene Mineralien).

2. fest/flüssig: Schlamm oder Suspension.

3. flüssig/flüssig: Suspension (z.B. Milch, Salatsauce).

4. flüssig/gasförmig: Schaum, Nebel (Aerosol).

5. fest/gasförmig: Rauch (Aerosol).


Trennverfahren für heterogene Stoffe

- Sieben, selektieren (z.B. mit dem Mikroskop): 1.

- Sedimentation (einfache Erdbeschleunigung)

oder zentrifugieren (mehrere g): 2.

- Filtration: 1., 2., 5. oder 4. (Industrie).

- Phasentrennung im Scheidetrichter: 3.


Aggregatzustand bei homogen Phasen

MischungAggregatzustand der

homogenen Phase

Name der Mischung

(Beispiel)

fest/festfest

(flüssig bei manchen

Metalllegierungen)

Legierung

fest/flüssig/gasförmigflüssig

Lösung

gasförmig/gasförmiggasförmig Gas

(nicht erfasst werden hier

Gase, die chemisch

miteinander reagieren,

z.B. HCl(g) und NH3(g), die

das Salz NH4Cl(s)

ergeben.


Trennverfahren bei Lösungen (eine Phase)

- Destillation.

- Sublimation.

- Extraktion.

- Osmose (z.b. bei der Dialyse).

- Chromatographie.

- Kristallisation (Salzgärten am Meer).


Teilchengröße als Unterscheidungskriterium

Teilchengröße

(z.B. fest/flüssig)

> 100 nm

Suspension

Emulsion

Aerosol

(Minoritäts-

komponente

ist sichtbar)

100 … 10 nm

kolloidale Lösung

(Lösung

erscheint optisch

leer. Teilchen

können aber mit

dem Faraday-

Tyndall-Effekt

nachgewiesen

werden)

< 3 nm

Lösung


Chemische Reaktion und Molbegriff

Stoff A + Stoff B → Stoff C

1. Erhaltung der Masse

m (A) + m (B) = m (C) für obige Reaktion

z.B.

C(s) + O2(g) → CO2(g) + Energie

m = E/c2 ≈ 0


2. Konstante Proportionen

C(s) + O2(g) → CO2(g)

3. Multiple Proportionen

C(s) + O2(g) → CO2(g)

2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g)


Stoffmenge

NL oder NA: Loschmidt‘sche Zahl oder Avogadro-Konstante

1 mol ≡ 6,022.1023 Teilchen

x A + y B → z C

Die stöchimetrische Faktoren x, y, z sind zuerst zu bestimmen,

bevor man auf Massen umrechnen kann.

Sie geben die Anzahl an Mol wieder, die man benötigt,

um die Reaktion korrekt durchzuführen.

NL ist deswegen so groß, weil die Atome so klein sind.

Nur so kommt man in den Bereich wägbarer Mengen.


Atombau

Positiv geladener Atomkern und negativ geladene Atomhülle.

Sie werden durch elektrostatische Wechselwirkungen (WW)

Zusammengehalten.

Atomkern

99,95 - 99,98 % der gesamten Materie

Dichte: r ≈ 1014 g/cm3 oder 1017 kg/m3

Größe: ϕ ≈ 10-14 bis 10-15 m

Atomdurchmesser: ϕ ≈ 10-10 m

D.h., der Kern hat Stecknadelkopfgröße, das Atom aber einen

Durchmesser von ca. 10 m.


Nucleonen

Zahl der Protonen: Ordnungszahl oder Kernladungszahl Z

S (Anzahl p + Anzahl n) = Massenzahl A

Der Zusammenhalt der Nucleonen wird durch die starke und

schwache Kernwechselwirkung gewährleistet.

Name Abkürzung Masse in g Ladung in e

Proton P 1,6726.10-24 +1

Neutron n 1,6749.10-24 0

Die Neutronen sind der „Klebstoff“, der die

positiv geladenen Protonen zusammenhält.


A

E (E für Element)

Z

1 2 3 *

H H H

1 1 1

D (Deuterium) T (Tritium)

12 13 14 *

C C C

6 6 6

Die Isotopen unterscheiden sich nur in der Anzahl der

Neutronen (* bedeutet radioaktiv).


Isobare: A identisch aber Z verschieden.

Über den Charakter des Elements entscheidet nur Z.

40 40

Ar Ca

18 20

Argon ist ein Gas, Calcium ein festes Metall.


Element Symbol Ordnungszahl

Z

relative

Atommasse

Isotope

A

Wasserstoff H 1 1,00797 1, 2, 3*

Helium He 2 4,0026 4, 3

Lithium Li 3 6,941 7, 6

Beryllium Be 4 9,01218 9

Bor B 5 10,811 11, 10

Kohlenstoff C 6 12,0115 12, 13, 14*

Stickstoff N 7 14,0067 14, 15

Sauerstoff O 8 15,9994 16, 18, 17

Fluor F 9 18,9984 19

Neon Ne 10 20,179 20, 22, 21

- Fett: Hauptisotop.

- Geordnet nach Häufigkeit.

- * Radioaktiv.


Atomare Masseneinheit u

- Bezugspunkt für die relative Atommassen.

- Daher auch Reinelemente wie Fluor nicht

bei 19,0000 g/mol sondern bei 18,9984 g/mol.

- u = 1,66053.10-24 g.


Historische Bezugspunkte

Atommasse(H) = 1 von Dalton (1805).

Diese Definition wird heute noch gerne von

Biochemikern und Molekularbiologen verwendet,

entspricht aber weder der IUPAC-Empfehlung noch

der DIN-Norm.

Atommasse(O) = 16 von Stas (1865). Empfehlung s.o.

12

Atommasse( C) = 12 der IUPAC (1961).

6

Das u ist daraus abgeleitet.


Reinelemente

Z Symbol Name Z Symbol Name

4 Be# Beryllium 41 Nb Niob

9 F Fluor 45 Rh Rhodium

11 Na Natrium 53 I Iod

13 Al Aluminium 55 Cs Cäsium

15 P Phosphor 59 Pr Praseodym

21 Sc Scandium 65 Tb Terbium

25 Mn Mangan 67 Ho Holmium

27 Co Cobalt 69 Tm Thulium

33 As Arsen 79 Au Gold

39 Y Yttrium 83 Bi* Bismut

# Spuren instabiler Isotope vorhanden.

* Radioaktiv.

Z und A immer ungerade.


Atomhülle

- Elektron, e oder e-

- Gesamtmasse der Elektronen: 0,02 - 0,05 %

der Atommasse.

- Dichte der Atomhülle: 2.10-4 g/cm3.

- Masse des Elektrons: 0,9.10-27 g entspricht 1/1835 m(p).


Natürliche Radioaktivität


209

Bi als Stabilitätsgrenze?

83

- Bi ebenfalls radioaktiv mit Halbwertszeit von t1/2 ≈ 1019 a,

was es zu einem sehr schwachen a-Strahler macht.

- Bi(O)NO3 weiterhin Reisemedizin gegen „Montezumas

Rache“

- „Wismutmahlzeit“, Brei mit Bismutylsalzen als

Röntgenkontrastmittel.

- Bismutylsalze spielen auch als Begleitstoffe bei der

Therapie des bakteriell verursachten Magengeschwürs eine

Rolle.

- Heute gilt das Blei-Isotop 208

Pb als Stabilitätsgrenze.

82


Natürliche Radioaktivität

a-Strahlung

4 4

a-Teilchen: He2+ oder häufig vereinfacht He.

2 2

210 206 4

Po → Pb + He

84 82 2


b-Strahlung

Abspaltung eines Elektrons e-: b-

14 14

C → N + e-

6 7

Nicht natürlich: Positron b+


g-Strahlung

Elektromagnetische Strahlung

240 236 4

Pu → [ U]* + He

94 92 2

236 236

[ U]* → U + g

92 92

[]* ist ein energiereicher kernangeregter Zustand.


Nicht-natürliche Radioaktivität

b+-Strahlung: Positronenstrahlung

- Anwendung in der PET (Positronenemissionstomographie).

- Isotope aus dem Zyklotron.

11 13 15 18 30

C N O F P

6 7 8 9 15

30 30

P → Si- + e+

15 14

- Paarvernichtung: b+ + b- → g-Strahlung


Anwendung radioaktiver Isotope

Diagnostik

131

I (t1/2 ≈ 8 d): für Schilddrüsen-Untersuchungen als Iodid

53 verabreicht (b-, g).

67

Ga (t1/2 ≈ 78 h): Lokalisierung von Entzündungsherden;

31 als hydrolysierender Citratkomplex (g).

99m

Tc (t1/2 ≈ 6 h): Schilddrüsen-Untersuchungen; als TcO4-

43 verabreicht (g).



Tumorzerstörung

Boron Neutron Capture Therapy (BNCT)

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