Chemie für Bauingenieure
ETH Basisjahr
ETH Basisjahr
Alkene
- kovalente Doppelbindungen zwischen H&C
--> Methen geht nicht --> CnH2n
- Eigenschaft der C C Doppelbindungen
- Doppelbindungen schwächer als zwei C-C-Einfachbindungen
Elektronenstruktur des C-Atoms
Hybridisierung
Atomorbitale eines Atoms mischen sich bei Molekülen zu neuen Orbitalen --> Hybridorbitale
Moleküle beschreiben die Aufenthaltsbereiche der Elektronen im Molekül bei einem Zustand minimaler Energie
sp3-Hybridorbitale
Hybridisierung gebildet aus 1s- und 3p- Orbitalen Bindungen, die durch frontalüberlappende sp3-Orbitale gebildet heissen Sigma-Bindungen
sp2-Hybridorbitale
ermöglicht Bildung von Doppelbindungen
Hybridisierung gebildet aus 1s- und 2p-Orbitalen
\(\pi \) Bindungen
- zwei Kohlenstoffatome überlappen sp2-Orbital frontal --> Sigma-Bindung
- Seitwärtsüberlappung von nicht hybrisierten p-Orbitalen bilden pi-Bindung
- Schwach --> an ihnen finden oft Reaktionen statt.
Einteilung Kohlenwasserstoffe
Substitutionsreaktion der Alkane
- Alkane werden funktionalisiert --> H wird mit anderem Atom oder Atomgruppe ersetzt
- Vielfalt erweitert
Veresterung
Wenn Carbonsäure mit einem Alkohol und einem Säurekatalysator behandelt wird entseht Ester und Wasser
elektrophile Addition
- wichtigste chemische Reaktion eines Alkens
- pi-Bindungen werden gebrochen, sodass jedes Kohlenstoffatom eine sigma-Bindung eingehen kann
Polymere
- makromolekulare Bindungen
- Ketten von sich wiederholdendenTeil
- Einzelbaustein --> Monomer
- Können aus 100000 Monomeren bestehen
- z.B. DNA, Proteine
- designer Polymer --> Goretex
Radikalische Polymerisation
- Alkene reagieren mit sich selbst --> es entstehen lange Ketten
- Polymermasse = n * m, n = Polymerisationsgrad, m = Monomermasse
- Polypropylen, Teflon, ...
Polykondensation
- reagieren zwei verschiedene funktionelle Gruppen, wobei ein Nebenprodukt gebildet wird
- Nylon, Polyester, Silikene, ...
Polyaddition
- Übertragung von Protonen einer funktionellen Gruppe zur anderen unter Bed., dass funkt. Gruppe einer Molekülsorte Doppelbindungen hat.
- reagieren unter Protonübertragung
- kein Nebenprodukt
- Harnstoffe, Epoxidharze
Eigenschaften von Polymeren
- Anzahl n Makromolekülen
- Molekulargewichtsverteilung
- keine genauen Schmelzpunkte
- je höher der Kristallisationsgrad, desto höher mechanische Festigkeit
- Ketten werden fester druch Einführen von chemischen Bindungen
- Eigenschaften bestimmt von Struktur & zwischenmolekularen Kräften --> chem. Zusammensetzung, Länge und Form
- Bindungen zw. Ketten = Vernetzungen
- Je mehr Vernetzungen, desto starrer
thermisch mechanische Eigenschaft
Festigkeit bezüglich Temperatur
Glasübergangstemperatur von Polymeren
Wechselwirkung mit Lösungsmitteln
Kunststoffe
- können in versch. Formen geformt
- geringere Dichte als Metalle
- hohe Korrosionsbeständigkeit
- niedrige Verarbeitungtemp. (unter 250 Grad) und gute Verformbarkeit
- geringe thermische und elektrische Leitfähigkeit --> Isolations- und Wärmedämmzwecke
Atomradius
(1) Periode: nimmt ab von links nach recht, (2) nimmt zu von oben nach unten, tieferer Radius --> Element Dichter
Ionisierungsenergie
Energie die benötigt wird um Elektron in Gasphase von Atom zu entfernen, Gegenspieler: Elektronenaffinität
Anregung
Wird Atom Atom angeregt (z.B. Hitze) springen Elektronen auf den Bahnen hin und her --> Energie wird frei
Isotope
Elemente mit gleicher Anzahl Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl Neutronen. Masse in Periodensystem Durchschnitt der vorkommenden Isotope.
Arten von nulklearem Zerfall
(1) Alpha-Zerfall: Ordnungszahl sinkt um 2, Massenzahl um 4
(2) Beta-Zerfall: Ordnungszahl bleibt, Massezahl steigt um 1
(3) Gamma-Strahlung: Energieüberschuss wird als Gamma-Photon frei
Anwendung von Radioaktivem Zerfall
(1) Altersbestimmung von organischen Überresten
(2) Radiokohlenstoffmethode benutzt Zerfall von Kohlenstoff-14
Radon
(1) schwerstes Edelgas, Radon-222 entsteht beim Zerfall von Uran 238
(2) radioaktiv
(3) dringt durch Böden, Risse, etc in Wohnräume
(4) radonhaltige Luft im Keller
nukleare Bindungsenergie
Energie, die frei wird, wenn Protonen und Neutronen zusammengebunden werden, immer positiv
Energetik der Ionischen Bindungen
(1) pos. Energiewerte --> Enrgie aufgenommen (endotherm)
(2) neg. Energiewerte --> Energie freigesetzt (exothermI)
(3) Bildung von neuen Bindungen --> Gitterenergie
(4) energetisch günstig --> so tiefe Energie wie möglich
Lösungsenthalpie
\(\Delta H sol = \Delta Hl + \Delta Hhyd\)
Hsol > 0 endotherm
Hsol < 0 exotherm
Hl --> Gitterenthalpie
Hhyd --> Enthalpie durch Hydration
Kovalente Bindungen
(1) Nichtmetalle
(2) Elektronen teilen
(3) gerichtet und stark aber schwächer als ionische Bindung
(4) 1-3 fach Bindungen
Lewis-Formel
- Oktettenregel erfüllen
- niedrigste Ionisierungsenergie --> Zentralatom
- Nicht-Metalle nicht in Lewis nehmen, sondern als Anion/Kation berrechnen
Polarität
- apolar --> homoatomar --> symmetrisch --> \(\Delta E\) = 0
- polar --> heteroatomar --> unsymmetrisch --> Dipol-Dipol-Kräfte
Bindungsdreieck
Dipolmoment \(\mu\)
- Mass für ionischen Charakter
- = 0 --> symmetrisches Molekül
- Einzelne Momente zwischen gebundenen Atomen einzeichnen --> Vektor von kleineren Elektronegativität zu grösserer --> Resultierender Vektor bilden
- je grösser Partialladung und \(\Delta EN\) desto ionischer
ideales Gas
Moleküle ohne Volumen, interagieren nicht miteinander
Partialdruck
Xa = \(\frac {n_a}{n} \) --> \(P* V = \frac {n_a}{x_a} * R*T\) -->. \(x_a * P = \frac {n_aRT}{V} = P_a\)
Xa --> Verhältnis Stoffmengenanteil
Pa --> Partialdruck
Ozon
- In Troposphäre --> Treibhausgas, Luftverschmutzer
- In Stratosphäre --> Schützt vor UV-Strahlung in dem es sie in Infrarot absorbiert
- Radikal wird von Sonnenstrahlung abgespaltet und bindet sich mit anderem O2
Stickstoffoxide (NOx)
- NO --> Stickstoffmonoxid , NO2 --> Stickstoffdioxid
- NOx in Stratosphäre --> helfen Ozon abzubauen
- NOx in Troposphäre --> helfen Ozon zu bilden
- NOx entstehen bei Verbrennung von Treibstoffen
Wechselwirkungen zwischen Molekülen/Ionen
- Ion - Ion --> stärkste intermolekulare Kraft
- Intermolekulare Kräfte bestimmen Siedepunkt, Schmelzpunkt, Dichte, usw
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Lernkarten
Phasendiagramm
Dampfdruck
- Flüssigkeit in geschlossenem Behälter gibts es ständigiges Verdampfen und Kondensieren
- Im GGW übt Gasphase Druck auf Flüssigkeit aus --> Dampfdruck
- Flüssigkeiten mit hohem Dampfdruck verdampfen leicht
- Feststoffe sehr kleiner Dampfdruck
- steigt mit steigender Temperatur
- hoher Siedepunkt bei niedrigem Dampfdruck
- Wenn Dampfdruck grösser als Atmosphärischer Druck können beim verdunsten keine Bläschen gebildet werden
Druck des Dampfanteils einer Flüssigkeit (Kurz vor dem Sieden sehr hoch).
Thermoplaste
- Kunststoffe
- erhitzen --> verformbar
- abkühlen --> erstarren
- Prozess reversibel
- lange linere Molekülenkette
Thermodynamik
- physikalische Phänomene durch Austausch von Wärme zwischen System und Wärmereservoir
- Wärme = Übertragungsform der Energie
- Prozesse mit Hilfe von Zustandsgrössen beschrieben
Gibbsenergie G
- Jedes System hat Tendenz G zu minimieren
- Ginitial > Gfinal --> \(\Delta G < 0\) --> spontan, \(\Delta G > 0\) --> nicht spontan, \(\Delta G = 0\) --> GGW
- hängt von Temperatur ab
Enthalpie H
- \(\Delta H > 0\) --> endotherm --> spontan
- \(\Delta H < 0\) --> exotherm --> nicht spontan
- hängt nicht von Temp. ab
Entropie S
- Mass der Unordnung
- Systeme streben zu maximaler Unordnung
- \(\Delta S > O \) --> spontan
- \(\Delta S < O \) --> nicht spontan
- hängt nicht von Temp ab
Schmelz- und Erstarrenthalpie
Gleichgewichtszustand
- potentielle Energie von Molekülen in Flüssigkeit < in Gas
- dennoch entsteht GGW weil:
- Zustand minimaler Enthalpie (grössere Ordnung, stärkere Bindung)
- Zustand maximaler Entropie (grösstmögliches Chaos, möglichst wenig Wechselwirkungen)
--> Kompromiss --> Gibbs-Energie
Einfluss von Löslichkeit von Salzen
- erhöht das Mass der Unordnung (Entropie)
- verkleinert Gibbs-Energie
- Siedpkt wird höher
- Gefrierpkt wird tiefer
Lösung
- Gleiches löst sich in Gleichem
- Intermolekulare Kräfte der Lösungsmittel & gelösten stoffen bestimmen Löslichkeit (Eigenschaft)
Kalkstein
- Sedimentgestein
- Hoher Gehalt an Calciumcarbonat (CaCO3)
- Auf Bau durch Stahlbeton ersetzt --> biiliger
- Für Zement und Beton gebraucht
- Kalkstein unter hohem Druck/Temperaturen --> Marmor
- Calciumcarbonat anfällig auf saurer Regen
Kalkkreislauf
Molarität
- M
- mol/dm3, mol/L
- Anzahl Mol gelöster Stoff in einem dm3 (oder Liter) Lösung
- T-abhängig
Molalität
- m oder b
- mol/kg
- Anzahl gelöster Stoff pro 1000g Lösungsmittel
- Volumenunabhängig
- nicht T-abhängig
Stoffmengenanteil
dimensionslos
Verhältnis Reaktionsquotient (Q) und Gleichgewichtskonstante (K)
- K > 1, \(\Delta Gr^0 < 0\) --> spontan, GGW auf Produktseite
- K < 1, \(\Delta Gr^0 > 0\) --> nicht spontan, GGW auf Eduktseite
- \(\frac {Q}{K} = 1\) --> Gleichgewicht
- \(\frac {Q}{K} < 1\) --> Reaktion von links nach rechts (bis GGW)
- \(\frac {Q}{K} > 1\) --> Reaktion von rechts nach links (bis GGW)
- K > 107 --> GGW komplett auf Produktseite
- K < 10.7 --> GGW komplett auf Eduktseite
Reaktionsquotient
Q = (Aktivität, Druck, Konzentration der Produkte)/(Aktivität, Druck, Konzentration der Edukte)
Löslichkeit von Salzen (CaCO3)
Störung GGW
Änderung Konzentration
- + Edukt --> rechts
- - Edukt --> links
- + Produkt --> links
- - Produkt --> rechts
Änderung Druck
- + --> Seite mit weniger Teilchen/Molekülen
- - --> Seite mit mehr Teilchen/Molekülen
Änderung Temp
- + Exotherm (spontan) --> links
- - Exotherm (") --> rechts
- + Endotherm (nicht spontan) --> rechts
- - Endotherm (") --> links
--> Erhöhung der Temp hat auf endotherme Reaktionen begünstigenden Einfluss
--> Katalysatoren haben keinen Einfluss auf GGW
Bronsted-Lowry-Konzept
- Säure Proton (H+) Donor und Base Proton Akzeptor
- Reaktion --> Übertragung von Protonen
- Konjugiertes Säure-Base-Paar sind zwei Teilchen die sich um ein Proton unterscheiden. Je stärker konj. Säure des schwächer konj. Base und umgekehrt
- Ampholyte --> Substanzen welche Säure und Base sein können, je nach Reaktionspartner (z.B. Wasser)
- Autoprotolysereaktion: 2 H2O --> H3O+ + OH- (Kw = 1 * 10-14mol/l)
Bekannte Bronsted Säuren und Basen
- Schwefelsäure (H2SO4) --> Saurer Regen
- Essigsäure (CH3COOH)
- Ameisensäure (CH2O2)
- Kohlensäure (H2CO3)
- Salpetersäure (HNO3)
bekannte Bronsted Basen
- Hydroxide, Hydrogencarbonate, Carbonate und Amine
- Amoniak (NH3)
- Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3)
Lewis-Konzept
- Base verfügt über einsames Elektronenpaar mit dem kovalente Bindung zu anderem Teil geknüpft werden kann
--> Säure Elektronenpaar Akzeptor, Base Elektronenpaar Donor
--> Nicht jede Lewis Säure ist auch eine Bronsted Säure
Erkennen Lewis-Säuren
- unvollständiges Oktett
- keine Edelgaskonfiguration
- Kation / Metallionen
- polarisierte Doppelbindungen
Erkennen Lewis-Base
- mind ein freies Elektronen-Paar
- Alkene
PK - Messwerte
Dissoziationsgrad \(\alpha\)
Menge an dissoziierter Säure, totale Menge an Säure
pH-Berechnung
pH-Indikatoren
- Moleküle, die Farbe ändern nach pH-Wert
- Farbe hängt vom pH-Wert ab
- Indikatoren sind schwache Säuren die bei beifügen von Base Protonen abgeben und ihre Farbe ändern
mehrwertige Säuren
- Verbindungen welche mehr als ein Proton abgeben können
- Zweite Dissoziationskonstante Ks ist kleiner als erst da schwieriger von neg. geladenem Ion Proton zu entnehmen
Saurer Regen
- Verursacht druch Emissionen von Schadstoffen wie Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid
- reagieren mit Wasser und Sauerstoff
- Produkte: Salpetersäure und Schwefelsäure
- Senken pH von Regen unter 5
Pufferlösungen
- Lösungen welche keine grosse pH Veränderung haben bei Zugabe von Base / Säure
- besteht aus schwacher Säure und schwacher Base (z.B. ist schwache Säure nicht vollständig dissoziiert und kann immer noch H+ abgeben
Pufferkapazität
Menge an Säure/Base die max hinzugefügt werden kann ohne dass Puffer Fähigkeit verliert.
--> optimale Pufferkapazität pH = pKa \(\pm 1\)
\(pH = pKs+log\frac {[Base]}{[Säure]}\)
Oxidation
Verlust von Elektronen --> Gewinn von Ladung
Reduktion
Gewinn von Elektronen --> Verlust von Ladung
Reduktionsmittel
wird oxidiert
Regeln für Oxidationszahlen
- Elemente haben OZ 0 (z.B. O2, Fe, Cl2)
- Summer der OZ in Verbindungen = Gesamtladung
- Wasserstoff in Verb. mit Nichtmetallen: OZ +1
- Wasserstoff in Verb. mit Metallen: OZ -1
- OZ der Elemente in Gruppe 1&2 = Gruppennummer
- Sauerstoff: -2
- Halogene haben OZ -1, AUSSER in Verb. mit Sauerstoff oder höheren (weiter oben) Halogenen der Gruppe
- Fluor immer -1
Ausgelichen von Reodxreaktionen
OZ schreiben --> Teilreaktionen --> Ladungsausgleich (basische Lösung OH-, saure Lösung H+) --> Massenausgleich (oft mit H2O) --> addieren und vereinfachen
Prinzip der Halbzellen
- Teilreaktionen können räumlich getrennt werden.
- Halbzelle kann für sich als alleine und im GGW betrachtet werden.
- Jede Halbzelle hat bestimmtes Potential E (unter Standardbedingungen E0)
