Chemie

• Ein Nukleon ist ein Teilchen im Atomkern. Es kann sich dabei um ein Proton(p) oder ein Neutron(n) handeln.
• Isotope sind Atome mit der selben Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Atommasse
• Isotopenhäufigkeiten werden ermittelt:

Zahl der Atome des Isotopes X der Probe  *100%

Gesamtzahl aller Atome in der Probe

• Atomare Masseneinheit (u): ist 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-12 Atoms. 1u = 1,6605*10^-27kg
• Mol: Das Mol ist die Einheit für die Substanzmenge. Ein Mol Teilchen enthält die gleiche Zahl von Teilchen, wie Kohlenstoffatome in genau 12g des Kohlenstoff-12 Isotopes enthalten sind. Ein Mol eines Elementes enthält 6,022*10²³ Teilchen (Avogadro Zahl)
• Molare Masse: Die molare Masse ist die Masse pro Mol von Atomen eines Elementes. Einheit ist g/mol

• Eine chemische Verbindung ist eine Substanz, die aus zwei oder mehr Atomen besteht, die in einem fixen Verhältnis zueinander stehen.
• Bindung bezeichnet den zusammenhalt der kleinsten Teilchen in chemischen Stoffen. (kovalente Bindung, Ionenbindung, Wasserstoffbrückenbindung, Van-der-Waals Kräfte)
   

Bildung einer Verbindung aus einfacheren Ausgangsmaterialien

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Bildung einfacherer Substanzen aus einem Ausgangsmaterial

CaCO₃ -^-> CaO + CO₂

Austausch der Partner

2NaCl(aq) + Pb(NO₃)₂(aq) → 2NaNo₃(aq) + PbCl₂(s)

Reaktion mit Sauerstoff unter bildung von CO₂, H₂O, N₂ und Oxide anderer Elemente

CH₄(g) + 2O₂(g) → 2H₂O(g) + CO₂(g)

Reaktion eines Metalles mit Sauerstoff unter Bildung des Metalloxides

4Fe(s) + 3O₂(g) → 2Fe₂O₃(s)

Bildung eines Gases

treibende Kraft: freisetzung des Gases

CaCO₃(s) + 2HCl(g) → CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

Bildung eines Niederschlags, wenn zwei Lösungen gemischt werden

treibende Kraft: Bildung eines unlöslichen Niederschlags

3CaCl₂(aq) + 2Na₃PO₄(aq) → Ca₃(PO₄)₂(s) + 6NaCl(aq)

Reaktion zwischen einer Säure und Base

treibende Kraft: Bildung des Lösungsmittels (Wasser)

HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l)

Übertrag von Elektronen von einer Spezies auf eine andere

treibende Kraft: Übertragung der Elektronen fürhrt zu größerer Stabilität

2Mg(s) + O₂(g) → 2MgO(s)

Oxidation und Reduktion kommen immer gemeinsam vor → Redoxreaktion

• Oxidation ist die Abgabe von Elektronen
• Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen

Regeln für die Zuordnung der Oxidationszahlen:

1. Die Summe der Oxidationszahlen aller Atome in einer Verbindung entspricht seiner Nettoladung
2. Atome in elementarer Form: 0
3. Elemente der Gruppe I: +1; Gr II: +2; Gr III (außer Bor): +3 für M₃₊, +1 für M₁₊; Gr IV (außer C,Si): +4 für M₄₊, +2 für M₂₊
4. Für Wasserstoff: +1 in Bindungen mit Nichtmetallen, -1 in Bindungen mit Metallen
5. Flur in allen Verbindungen -1
6. Sauerstoff: -2 außer in Flurverbindungen, -1 in Peroxiden (O₂^2-), -1/2 in Superoxiden (O₂^-), -1/3 in Ozoniden (O₃^-)

Ein limitierendes Reagenz ist ein Reaktand, der die theoretische Ausbeute eines Reaktionsproduktes bestimmt

Die molare Konzentration stellt die Verbindung zwischen dem Volumen und der in diesem Volumen vorhandenen Stoffmenge her. Die molare Konzentration eines gelösten Stoffes in einer Lösung ist die Stoffmenge pro Liter Lösung. Diese wird auch oft Molarität genannt. Die Einheit der molaren Konzentration ist Mol pro Liter Lösung

Sind hypothetische Gase dessen Druck, Volumen und Temperatur vollständig durch die ideale Gasgleichung beschrieben werden können.

pV = nRT    [atm * dm³ = mol * (dm³*atm)/(mol*K) * K]

V ~ 1/p (n,T const.)

V ~ T (n,p const)

V ~ n (p,T const)

V ~ n*T/p = R*n*T/p ⇒ pV=nRT

R...Proportionalitätskonstante

R = 8,3145 [m³*Pa / mol*K] = 0,08206 [l*atm / mol*K] = 0,08314 [l*bar / mol*K]

• Energie

DIe Energie eines Systems ist ein Maß für die Fähigkeit dieses Systems Arbeit zu leisten oder Wärme zu produzieren

• Wärme

ist eine primitive Art Energie freizusetzen. Energie ist in jedem Körper in unterschiedlicher Menge enthalten. Zwischen zwei in Kontakt stehenden Körper fließt Wärme von einem zum anderen wenn die Temperatur der Körper unterschiedlich ist.

• Enthalpie

Bezeichnet die Wärme zu- oder Abfuhr bei kontantem Druck

• Endothermer Prozess

ist eine Änderung, bei der ΔH positiv ist, das bedeutet, dass Wärme aufgenommen wird

• Exothermer Prozess

ist eine Änderung, bei der ΔH negativ ist, das bedeutet, dass Wärme abgegeben wird

• Standardreaktionsenthalpie ist die Reaktionsenthalpie bei der Umsetzung der Reaktanden in ihrem Standardzustand in Produkte in deren Standardzustand.
• Standardbildungsenthalpie einer Verbindung ist die Standardreaktionsenthalpie pro Mol der Verbindung für die Synthese aus den Elementen in ihrer stabilsten Form bei 1atm und der angegebenen Temperatur

• Der Atomradius eines Elementes ist die halbe Distanz zwischen den Mittelpunkten benachbarter Atome. Nimmt innerhalb einer Periode von links nach rechts ab und in einer Gruppe von oben nach unten zu.
• Der Ionenradius eines Elements ist sein Beitrag zur Distanz zwischen zwei benachbarter Ionen in einer festen ionischen Verbindung. Die Distanz zwischen den Kernen eines Kations und seines benachbarten Anions ist die Summe zweier Ionenradien. Anionen sind größer als das Ausgansatom, Kationen kleiner. Periodizität wie Atomradius.
• Die Ionisierungsenergie eines Elemens ist die minimale Energie, die nötig ist, um ein Elektron vom Grundzustand eines gasförmigen Atoms zu entfernen. Mit einigen Ausnahmen nimmt die Ionisierungsenergie in einer Periode von links nach rechts zu, nimmt aber beim Sprung in die nächste Periode wieder ab.
• Elektronenaffinität ist die freigesetzte Energie, wenn ein Elektron an ein Atom oder ein Ion eines Elements in der Gasphase addiert wird. Nimmt von links unten nach rechts oben zu.
• Die Elektronegativität eines Elementes ist ein Maß für die Fähigkeit eines Atoms in einer Verbindung Elektronen an sich zu ziehen. Hohe Elektronegativität: anziehen von Elektronen, niedribe Elektronegativität: verlieren von Elektronen. Nimmt von links unten nach rechts oben zu.

• s:
  niedrige Ionisierungsenergie/ leichte Abgabe d. Valenzelektronen.
  Gruppe I: E⁺; Gruppe II: E²⁺; reaktive Metalle mit Eigenschaften von Metallen. Am Ende der Gruppe heftigste Reaktion (Ionisierungsenergie sehr niedrig), silbergraue Metalle, zu hoch reaktiv als das man sie im elementaren Zustand finden könnte. Gr I reduzieren H₂O → H₂, alle s-Block Elemente haben basische Oxide, die mit H₂O unter Bildung von Hydroxiden reagieren.
• p:
  linke Seite: haben einige metallische Eigenschaften des s-Blocks aufgrund der geringen Ionisierungsenergie, weniger reaktiv als s-Block, schlechter Leiter (Sn, Pb)
  rechte Seite: hohe Elektronenaffinität (Fähigkeit Elektronen aufzunehmen steigt damit die Edelgasschale vervollständigt wird), hohe Elektronegativität, Nichtmetalle, sehr reaktiv
• d:
  Alle Metalle inklusive deren Eigenschaften
  linke Seite: niedrige Ionisierungsenergie und daher ähnlich reaktiv wie s-Block
  rechte Seite: höhere Ionisierungsenergie und daher ähnlich dem p-Block
  Übergangsmetalle, bilden Kationen mit unterschiedlichen Oxidationszahlen aus.
  Metalle unterschiedlicher Atomgröße --> Legierungen

• Ionische Bindung: ist eine Anziehung zwischen den entgegengesetzten Ladungen der Kationen und Anionen
• Gitterenthalpie: Die Energie die freigesetzt wird, wenn ein Festkörper sich aus einem Ionengas bildet ist der negative Betrag der Gitterenthalpie.
• Kovalente Bindung: besteht aus einem Elektronenpaar das zwischen zwei Atomen geteilt wird. Bilden sich vor allem zwischen den Atomen von Nichtmetallen aus.
• Oktettregel: So weit es geht, versuchen die Atomen ihr Oktett zu vervollständigen, indem sie Elektronenpaare teilen. (8 Elektronen in der Valenzschale)

• Die Polarisierung ist die Deformation der Elektronenwolke von Anionen durch Kationen. Die Polarisierbarkeit des Anions ist hoch wenn
  - Das Anion groß ist (Elektronen weiter entfernt vom Kern)
  - Das polarisierende Kation klein und hochgeladen ist.
• Ein elektrischer Dipol ist eine positive LLadung neben einer gleich großen aber entgegengesetzer negativen Ladung.
• Das elektrische Dipolmoment ist ein Maß für die Größe eines elektrischen Dipols. Einheit: Debye [D]
  Ein elektrisches Dipolmeoment ist das Produkt aus dem Abstand der Ladungen und dem Betrag der Ladungen eines elektrischen Dipols.
• Polare Moleküle sind Moleküle mit einem elektrischem Dipolmoment von ungleich Null
• Unpolare Moleküle haben ein elektrisches Dipolmoment von Null

• Ion-Ion:
  Die stärke dieser Wechselwirkung nimmt mit zunehmendem Abstand der Ionen ab (Kehrwert d. Distanz) und mit dem Wert der Ladung zu.
  Haben hohe GItterenthalpien sowie hohe Schmelz- und Siedepunkte.
• Ion-Dipol:
  Ist die Anziehung zwischen einem Kation und der partiell negativen Ladung eines polaren Moleküls oder zwischen einem Anion und der pariell positiven Ladung eines Moleküls.
  Die Stärke nimmt mit zunehmendem Abstand stärker ab (Kehrwert des Quadrats der Distanz) als jene der Ion-Ion Wechselwirkung.
  Ist für die Hydration von Kationen in der Lösung sehr wichtig.
• Dipol-Dipol:
  Ist die Anziehung zwischen den elektrischen Dipolen polarer Moleküle
• Londonkräfte:
  Bewirken eine Anziehung zwischen den Teilchen auch wenn diese unpolar sind. Entstehen durch die Veränderung der Elektronenverteilung (spontane Dipole). Das Resultat ist eine Anziehung der beiden momentanen Dipole. Die Stärke nimmt mit zunehmender Molekülgröße zu.
• Wasserstoffbrückenbindung:
  Ist eine Bindung, die durch ein Wasserstoffatom zwischen zwei stark elektronegativen Atomen bewirkt wird. Nur N,O,F sind hinreichen elektronegativ um in neutralen Molekülen Teil einer Wasserstoffbrückenbindung zu sein.
   

Das dynamische Gleichgewicht ist ein Zustand bei dem ein Prozess in die eine Richtung und der gegenläufige Prozess simultan mit gleichen Geschwindigkeiten ablaufen.

Der Dampfdruck einer Flüssigkeit (oder eines Feststoffes) ist jener Druck, der von seinem Dampf ausgeübt wird, wenn sich Dampf und Flüssigkeit (oder Feststoff) im dynamischen Gleichgewicht befinden.

• Metalle:
  bestehen aus Kationen, die von einem See von Elektronen zusammengehalten werden.
  z.B. Fe, Titan, alle s- und d-Block Elemente
• Ionische Feststoffe:
  sind aus Kationen und Anionen aufgebaut
  z.B. NaCl, CuSO₄, KNO₃, Nickel(II)sulfat
• Vernetzte Feststoffe:
  bestehen aus Atomen, die miteinander kovalent durch den gesamten Feststoff hindurch gebunden sind.
  z.B. Diamant, B, C, BN, SiO₂, Bornitrid
• Molekulare Feststoffe:
  sind Ansammlungen individueller Moleküle
  z.B. Eis, BeCl₂, S₈, P₄, Glucose, Naphtalin, Karotin

Zudem lassen sich Fesstoffe als kristalline (Atome, Ionen oder Moleküle in regelmäßiger Ordnung) oder amorph (Atome, Ionen oder Moleküle in zufälliger Anordnung) klassifizieren.

Eine Legierung ist eine homogene Mischung von zwei oder mehreren Metallen.

Ihre Strukturen sind kompizierter als jene der reinen Metalle, weil verschiedene Metallatome unterschiedliche Radien haben.

Einige Legierungen sind fester als die einzelnen Reinmetalle, aus denen sie bestehen.

• Löslichkeit:
  Die Löslichkeit einer Substanz entspricht ihrer Konzentration in der gesättigten Lösung. Hängt von Art des Lösungsmittels, der Temperatur und bei Gasen vom Druck ab.
• Henrys Gesetz:
  Die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit ist proportional dem Partialdruck der Flüssigkeit
  Löslichkeit = k_H*Partialdruck
  k_H = Henrykonstante
• Raoults Gesetz:
  Der Gesamtdruck einer idealen Lösung ist die Summe der Einzeldrücke
  p_ges = p_A+p_B
  p_A = X_A*p_A^*
  p_B = X_B*p_B^*
  X_A, X_B...Molenbrüche der beiden Flüssigkeiten in der Mischung
  p_A^*, p_B^*...Dampfdrücke der beiden reinen Flüssigkeiten

• Reaktionsgeschwindigkeit:
  Ist gleich der Änderung der Konzentration einer Substanz dividiert durch die Zeit, die für diese Konzentrationonsänderung benötigt wurde
  Geschwindigkeit = ΔKonzentration/Zeit
  Bei hoher Konzentration folgen hohe Geschwindigkeiten. (und umgekehrt)
  Es gibt nur eine momentane Reaktionsgeschwindigkeit
• Aktivierungsenergie:
  resultiert aus der Kollisionstheorie. Ist die minimale Energie, die für eine Reaktion nötig ist. Der Anteil der Zusammenstöße, der wenigstens die Aktivierungsenergie aufweist, wird durch die Bolzmannverteilung beschrieben.
• Katalysator:
  ist eine Substanz, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, ohne selbst bei der Reaktion verbraucht zu werden. Zeigt der Reaktion einen anderen (energetisch günstigeren, schnelleren) Reaktionswen von Reaktand zu Produkt

• Gleichgewichtskonstante:
  Die Größe Kc (Gleichgewichtskonstante) gibt an,m in wie weit bei der Reaktion im Gleichgewicht Reaktanden oder Produkte bevorzugt vorliegen.
  Kc > 10³ im GG liegen hauptsächlich Produkte vor
  Kc < 10^-3 im GG liegen hauptsächlich Reaktanden vor
   
• Massenwirkungsgesetz:
  Für ein Gleichgewicht der Form aA+bB ⇔cC+dD wird der Reaktionsquotient Qc = [C]^c*[D]^d / [A]^a*[B]^b aus dem molaren Konzentrationen der Reaktanden und Produkte im GG ermittelt und er entspricht einer Konstanten Kc die einen speziellen Wert für eine gegebene Reaktion bei bestimmter Temperatur hat.
  Qc < Kc: Reagiert nach rechts in richtung Produkte
  Qc = Kc: Reaktion im GG
  Qc > Kc: Reagiert nach links in richtung Reaktanden

• Druckänderung
• Temperaturänderung
• Konzentrationsänderung

Erkärbar durch Prinzip von Le Chatalier und Braun. "Prinzip des kleinsten Zwanges".

• Säure-Ionisationskonstante:
  Der Gleichgewichtswert des Reaktionsquotienten wird Säure-Ionisationskonstante Ks genannt.
  Qc = [H₃O⁺][S^-] / [HS] = Reaktionsquotient der Säure im Gleichgewicht --> Ks
  pKs = -log(Ks).
  Je größer Ks, dh. je kleiner pKs, desto stärker ist die Säure.
  Säurestärke ist umso größer, je mehr Säure in ionisierter Form vorliegt.
   
• Basen-Ionisationskonstante:
  Das Gleichgewicht der Protonenübgertragung und die entsprechende Gleichgewichtskonstante für eine Bröstedbase in wassriger Lösung ist:
  Qc = [HB⁺][OH^-]/[B] = Basen-Ionisationskonstante im Gleichgewicht --> K_B
  pK_B = -log(K_B).
  Je größer K_B, dh. je kleiner pK_B, desto stärker ist die Base.
  Basenstärke ist umso größer je mehr Base in ionisierter Form vorliegt.

• chemische Puffer sind Lösungen, die wenig pH-Veränderungen zeigen, wenn kleine Mengen Säure oder Base zugegeben sind.
• Ein Puffer wirkt der Änderung des pH-Werts entgegen, weil ein Puffer sowohl eine Säure zur Bindung von OH^- Ionen, als auch eine Base zur Bindung von H⁺ Ionen enthält.
• Es wird zwischen sauren und basischen Puffern unterschieden.
• Herstellung durch Mischung einer schwachen Säure oder Base mit einem Salz der entsprechenden konjungierten Säure oder konjungierten Base.
   

Das heterogene Gleichgewicht zwischen der gesättigten Lösung eines Salzes und seinem festen Bodenkörper wird durch das Lösungsprodukt K_L beschrieben.

KL = [A⁺][B^-]

• Sind stöchiometrische Koeffizienten vorhanden gehen sie als Hochzahl ein.
• Die molaren Konzentrationen die in diesem Ausdruck aufscheinen sind jene des Gleichgewichts (in der gesättigten Lösung) relativ den molaren Standardkonzentrationen von 1 mol/l
• Das dynamische Gleichgewicht ist dadurch gekennzeichnet, dass im Zeitmittel ebenso viele Ionen in Lösung wie an der Kristalloberfläche auskristalliesieren. Die Konzentration der gesättigten Lösung bleibt also konstant.
• Löslichkeitsprodukt ist wie alle Gleichgewichtskonstanten temperaturabhängig.