Vorkurs Allgemeine Chemie für Ingenieure und Biologen

19. Oktober 2017Dr. Helmut Sitzmann, Apl.-Professor für Anorganische Chemie

CHEMISCHE FORMELSCHREIBWEISE

CHEMISCHE REAKTIONEN

CHEMISCHE FORMELN

Chrom Cr Metall

Chrom(III)chlorid CrCl3 ionische Verbindung

Chrom(VI)oxid CrO3 Kettenmoleküle, kovalente Bindung

Quarz SiO2 Atomgitter, kovalente Bindungen

Cystein, Molekül

Ammonium-Kation

Benzolmolekül, verschiedene Schreibweisen für C6H6

Dreimal Norbornen, mit kleinen

Unterschieden

CHEMISCHE REAKTIONEN

Bei chemischen Reaktionen entstehen aus den Ausgangsverbindungen

(Edukte) die Reaktionsprodukte. Solche Vorgänge werden in der typischen

Formelschreibweise der Chemie beschrieben.

Beispiele für Reaktionsgleichungen: H2 + Cl2 → 2 HCl

Cu2+ + 2 e- → Cu

Bei chemischen Reaktionen bleiben alle Atome erhalten.

Elektrische Ladungen bleiben ebenfalls erhalten.

Bei der Formulierung einer Reaktionsgleichung muss deshalb stets darauf

geachtet werden, dass links vom Reaktionspfeil die selben Atome in gleicher

Anzahl stehen wie rechts.

Das gleiche gilt für elektrische Ladungen: Die Summe der elektrischen

Ladungen links vom Reaktionspfeil muss der Summe der Ladungen auf der

rechten Seite der Reaktionsgleichung entsprechen.

CHEMISCHE REAKTIONEN

Aluminium verbrennt mit Sauerstoff zu Aluminiumoxid

Al und O2 sind Edukte, wie lautet die Formel für Aluminiumoxid?

Periodensystem: Al gibt drei Elektronen ab, O nimmt zwei auf.

Aus Al3+ und O2- bilden wir eine neutrale Verbindung.

Die Verbindung muss nach außen neutral sein, weil auch die

Ausgangsverbindungen (Edukte) neutral waren.

Also müssen zwei Al3+–Ionen auf drei O2-–Ionen kommen.

Al + O2 → Al2O3 Problem: Links und rechts vom Pfeil

stehen unterschiedliche Anzahlen von

Aluminium- und Sauerstoffatomen2 Al + 1.5 O2 → Al2O3 besser, aber halbe Moleküle sind unschön

4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3 Die Gleichung wurde mit 2 multipliziert.

CHEMISCHE REAKTIONEN

Ethylen verbrennt mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser

C2H4 + O2 → CO2 + H2O Die Anzahl der Atome auf beiden Seiten

des Pfeils ist unterschiedlich. Zuerst kümmern wir uns um das

komplexere Molekül Ethylen, danach um den Sauerstoff.

Grund: Wenn wir beim Ethylen etwas ändern, ändert sich die Zahl

zweier Atomsorten, also auch die CO2 – und die H2O – Bilanz. Um den

Sauerstoff können wir uns danach kümmern, denn die O-Atome

kommen nur in einem der Produkte vor.

Ein Ethylenmolekül enthält zwei C-Atome und vier H-Atome. Deshalb

müssen Kohlendioxid und Wasser angepasst werden:C2H4 + O2 → 2 CO2 + 2 H2O

Jetzt stimmt die Bilanz für Kohlenstoff (zwei Atome auf beiden Seiten)

und für Wasserstoff (vier Atome links und rechts).

Zum Schluss schauen wir auf die Sauerstoffbilanz: Weil die Produkte

sechs Sauerstoffatome enthalten, brauchen wir drei

Sauerstoffmoleküle bei den Edukten:

C2H4 + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O

REDOXREAKTIONEN

2 SO2 + O2 ⇋ 2 SO3 Redoxreaktion

V2O5 + SO2 ⇋ V2O4 + SO3 Oxidation von Schwefeldioxid

2 V2O4 + O2 ⇋ 2 V2O5 Katalysator –Regeneration

2 Na + Cl2 → 2 NaCl Oxidationsstufen

Elemente haben immer die Oxidationsstufe Null.

Die Summe der Oxidationsstufen links und rechts vom Pfeil ist gleich.

0 0 +I -I

2 Na + Cl2 → 2 NaCl

+I +VII–II +I +I +II +I -II

KMnO4 + 5 e- + 8 H+ → K+ + Mn2+ + 4 H2O Mangan wird reduziert (+VII → +II)

Bei einatomigen Ionen ist die Ladung gleich der Oxidationsstufe.

Bei mehratomigen Ionen ist die Summe der Oxidationsstufen gleich der

Gesamtladung des Ions.

Eine Lösung von

Kaliumpermanganat

REDOXREAKTIONEN

Eine Reduktion ist immer an eine Oxidation gekoppelt – und umgekehrt.

Elektronen weisen eine extreme Ladungsdichte auf und existieren deshalb in Lösungen

oder in Feststoffen nicht in freier Form. Sie können nur vom Reduktionsmittel auf das

Oxidationsmittel übertragen werden.

Fe2+ → Fe3+ + e- Oxidation

C2O42- → 2 CO2 + 2 e- Oxidation

Bei der Formulierung von Redoxgleichungen muss zuerst die Elektronenbilanz stimmen.

Wenn Eisen(II) als Reduktionsmittel mit dem Oxidationsmittel Kaliumpermanganat

umgesetzt werden soll, braucht man fünf Fe(II) – Ionen, um ein Permanganat-Ion zu

reduzieren. (Fe(II) gibt ein Elektron ab, Permanganat nimmt aber fünf Elektronen auf).

KMnO4 + 5 e- + 8 H+ → K+ + Mn2+ + 4 H2O wird also kombiniert mit

5 Fe2+ → 5 Fe3+ + 5 e- zur Gesamtgleichung

KMnO4 + 5 Fe2+ + 8 H+ → K+ + Mn2+ + 5 Fe3+ + 4 H2O

Kontrolle:

Alle Atome der Eduktseite müssen auf der Produktseite wieder auftauchen.

Die Gesamtladung muss links und rechts vom Reaktionspfeil gleich sein.

REDOXREAKTIONEN

Beim Oxalat-Anion berücksichtigen wir, dass dieses zwei Elektronen abgibt:

C2O42- → 2 CO2 + 2 e- Oxidation

Wir brauchen hier das kleinste gemeinsame Vielfache von Zwei und Fünf.

Also kombinieren wir wie folgt:

2 KMnO4 + 10 e- + 16 H+ → 2 K+ + 2 Mn2+ + 8 H2O

5 C2O42- → 10 CO2 + 10 e-

Weil jetzt schon gesichert ist, dass das Reduktionsmittel Oxalat genau so viele

Elektronen abgibt wie das Oxidationsmittel aufnimmt, brauchen wir die Elektronen nicht

mehr hinzuschreiben. (Wir hätten links 10 e- und rechts auch).

Die Gesamtgleichung lautet also:

2 KMnO4 + 5 C2O42- + 16 H+ → 2 K+ + 2 Mn2+ + 10 CO2 + 8 H2O

Bitte überzeugen Sie sich davon, dass links und rechts vom Reaktionspfeil die gleiche

Anzahl aller Atomsorten zu finden ist und dass die Gesamtladung rechts und links

übereinstimmt.

REDOXREAKTIONEN

Zur Ermittlung der Oxidationsstufen beim Oxalat und beim Kohlendioxid zerlegen wir

diese Verbindungen in Ionen, obwohl wir dabei kovalente Bindungen spalten.

Sauerstoff ist das elektronegativere Element und nimmt zwei Elektronen auf.

Im Kohlendioxid ergibt sich deshalb –II für O und +IV für C.

Im Oxalat tragen die vier O-Atome acht negative Ladungen. Die beiden C-Atome brauchen

aber nur sechs positive Ladungen aufzubringen, denn damit stimmt die Gesamtladung:

4 O2-- + 2 C3+ → C2O42-

SÄUREN UND BASENSäuren und Basen sind uns aus dem Haushalt bekannt.

Saure Lebensmittel: Essig, Obstsäfte, Colagetränke

Basische Chemikalien im Haushalt: Waschmittel, Seife, Granulat zur Reinigung

verstopfter Abflüsse

SÄURE/BASE – REAKTIONEN

H2O + HCl → H3O+ + Cl-

HCl(g) + NH3(g) → NH4+Cl-

Al4C3 + 12 H2O → 4 Al(OH) 3 + 3 CH4

Genau wie Elektronen kommen

Protonen in Lösungen oder im

Feststoff niemals in freier Form vor.

Sie besitzen ebenfalls eine extrem

hohe Ladungsdichte und lagern sich

stets an Elektronenpaare an.

Protonen bevorzugen möglichst

kompakte Elektronenpaare, die sich

z. B. als nicht bindende Elektronen-

paare an N- oder O-Atomen finden.

Das Carbid-Anion C4- im Al4C3 ist

ebenfalls eine sehr starke Base und

kann Wasser leicht deprotonieren

Reaktion von Ammoniak

mit Chlorwasserstoff

CHEMISCHE REAKTIONEN

Viele Farbstoffe sind selbst Säuren oder Basen.

Die Abbildung zeigt Reagenzgläser mit verdünntem Rotkrautsaft nach

Zusatz von Säuren oder Basen. Die Farbänderung von rot bei pH 1 – 3

über blau um pH 7,blaugrün und gelbgrün bei pH 9 – 11 und gelb bei pH

13 zeigt die Konzentration der Säure oder Base an (Foto entfernt).

c(H+) 0.1 1.6×10-3 6.3×10-4 1.3×10-7 4×10-8 3×10-10 10-10 10-11 10-13

pH 1.0 2.8 3.2 6.9 7.4 9.5 9.9 10.9 13.1

Konzentrationsangabe in mol/L

RECHNEN MIT STOFFMENGEN

Atommassen von Stickstoff: 14 und Wasserstoff: 1

Molekülmassen von N2: 28, H2: 2, NH3: 17

28 g Stickstoff und 6 g Wasserstoff ergeben 34 g Ammoniak

N2 + 3 H2 2 NH3

Beschreiben Sie in einem möglichst kurzen Satz die Bedeutung der SI-Einheit der

Stoffmenge.

Rechnen Sie in Mol um: 25 g Kohlendioxid, CO2; 11 Liter Wasserstoff (T = 25 °C, p =

99500 Pa).

Rechnen Sie in Gramm um:

2.5 mol Lithium, Li;

2.5 mol Glycerintristearat, C57H110O6 (ein typischer Vertreter der Speisefette).

Rechnen Sie in Gasvolumen um: 1 kg Wasserdampf bei 160 °C, p = 101300 Pa.

Erklären Sie den Unterschied zwischen der Molarität und der Molalität einer Lösung und berechnen Sie den Molenbruch einer Lösung, die 344.7 g/L Schwefelsäure enthält (der Rest ist Wasser, die Dichte beträgt 1.149 g/cm3).

Die SI-Basiseinheit Mol bemisst die Stoffmenge nach der Teilchenzahl.

Die Zahl der Teilchen in einem Mol Substanz ist definiert als die Anzahl der Atome in genau 12 g des

Kohlenstoffisotops 12C.

Ein Mol entspricht demnach 6.0221413 1023 Teilchen, das sind etwa 0.6 Quadrillionen Atome,

Moleküle, Ionen oder Elementarteilchen.

Diese Zahl wird auch Avogadro-Konstante NA genannt.

Für reine Stoffe kann die Stoffmenge 1 mol leicht ermittelt werden, indem man die relativen

Atommassen der atomaren Bestandteile addiert und den so erhaltenen Zahlenwert mit dem Faktor 1

g/mol-1 multipliziert. Die relativen Atommassen sind im Periodensystem angegeben, Beispiele folgen.

25 g Kohlendioxid: Formel CO2; relative Molekülmasse 12.01 + 2 16.00 = 44.01 atomare

Masseneinheiten (unified atomic mass units, Abkürzung u). Dieser Zahlenwert entspricht genau der

Masse von einem Mol Kohlendioxid in Gramm: 1 mol CO2 entspricht 44.01 g CO2.

25 g CO2 entsprechen 25 g : 44.01 g/mol = 0.5681 mol Kohlendioxid.

11 Liter Wasserstoff: n = (pV)/(RT) = (1013000.011)/(8.314298.15) = 0.45 mol.

In der Zustandsgleichung für ideale Gase wird der Druck in Pascal (N/m2), das Volumen in Kubikmeter,

die Gaskonstante in J/(molK) und die Temperatur in Kelvin angegeben.

2.5 mol Lithium: 2.5 mol 6.94 g/mol = 17.35 g Lithium

2.5 mol Glycerintristearat: 5712.01 + 1101.01 + 616.00 = 891.67 (g/mol); 2.5 mol 891.67 g/mol =

2229.2 g Glycerintristearat

1 kg Wasserdampf: M(H2O) = 16.00 + 21.01 = 18.02 g/mol

1000 g : 18.02 g/mol = 55.49 mol

V = nRT/p = 55.498.314433.15/101300 = 1.973 m3

Molarität: Stoffmengenkonzentration einer gelösten Substanz in Mol pro Liter Lösung.

Molalität: Stoffmengenkonzentration einer gelösten Substanz in Mol pro Kilogramm Lösungsmittel.

Vorteil der Angabe in mol/L: Einfaches Dosieren von Substanzen mit volumetrischen Geräten.

Vorteile der Angabe in mol/kg: Volumenänderungen der Lösung bei Änderung der Temperatur ändert die

Molarität, jedoch nicht die Molalität einer Lösung.

Molenbruch: Anteil der Stoffmenge einer gelösten Substanz an der gesamten Stoffmenge in Lösung.

Molenbruch von 344.7 g Schwefelsäure in einem Liter Lösung: Die Dichte wurde angegeben, um die

Gesamtmasse errechnen zu können – es handelt sich um 1149 g Lösung. Nach Abzug der Masse der

gelösten Schwefelsäure verbleiben 804.3 g Wasser.

Stoffmenge Wasser: 804.3 g : 18.02 g/mol = 44.63 mol

Stoffmenge Schwefelsäure: Molmasse M = 32.07 + 416.00 + 21.01 = 98.09 (g/mol)

344.7 g : 98.09 g/mol = 3.51 mol

Gesamte Stoffmenge: 44.63 mol + 3.51 mol : 48.14 mol

Molenbruch der Schwefelsäure: 3.51 mol : 48.14 mol = 0.073

Molenbruch des Wassers: 44.63 mol : 48.14 mol = 0.927

Der Molenbruch ist eine dimensionslose Zahl, die Einheit ist Mol pro Mol

Eine Atommasseneinheit 1 u = 1 Da = 1,660 538 921(73) × 10−27 kg. Es handelt

sich um ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoffatoms.

1a) 2 g Traubenzucker werden in Wasser gelöst und so auf die Weltmeere

verteilt, dass überall die gleiche Konzentration an Traubenzucker vorliegt. Wie

viele Moleküle Traubenzucker findet man im statistischen Mittel in einem Liter

Meerwasser?

Wir nehmen an, dass Meerwasser vor dem Gedankenexperiment keinen

Traubenzucker enthält und dass der gelöste Traubenzucker erst nach der

Konzentrationsbestimmung biologisch abgebaut wird.

Das Gesamtvolumen der Weltmeere wird auf 1.36 × 109 km3 geschätzt.

Die Summenformel von Traubenzucker lautet C6H12O6.

Welche Stoffmenge an Kohlendioxid wird beim biologischen Abbau des

Traubenzuckers gebildet?

Eine Atommasseneinheit 1 u = 1 Da = 1,660 538 921(73) × 10−27 kg. Es handelt

sich um ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoffatoms.

1a) 2 g Traubenzucker werden in Wasser gelöst und so auf die Weltmeere

verteilt, dass überall die gleiche Konzentration an Traubenzucker vorliegt. Wie

viele Moleküle Traubenzucker findet man im statistischen Mittel in einem Liter

Meerwasser?

Wir nehmen an, dass Meerwasser vor dem Gedankenexperiment keinen

Traubenzucker enthält und dass der gelöste Traubenzucker erst nach der

Konzentrationsbestimmung biologisch abgebaut wird.

Das Gesamtvolumen der Weltmeere wird auf 1.36 × 109 km3 geschätzt.

Die Summenformel von Traubenzucker lautet C6H12O6.

Welche Stoffmenge an Kohlendioxid wird beim biologischen Abbau des

Traubenzuckers gebildet?

Die Molmasse von Traubenzucker beträgt 180 g/mol.

1.36 × 109 km3 = 1.36 × 1021 dm3. 11.1 mmol Traubenzucker entsprechen 6.85 ×

1021 Molekülen. Es kommen also etwa fünf Moleküle auf einen Liter

Meerwasser.

Die Stoffmenge an Kohlendioxid beträgt 6 × 11.1 mmol = 66.6 mmol CO2