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Teilchenstruktur der Materie 8h
2.3 Konstante Zusammensetzung von Verbindungen
2.6 Volumenverhältnisse bei Gasreaktionen: Molekülbegriff 2 Teilchenstruktur der Materie
2.1 Teilchenmodell
Raumerfüllung (Volumen) und Masse sind allen Stoffen gemeinsam. ? Erfüllen die Stoffe den Raum gleichmäßig, "durch und durch"? Versuche: 1. Blattgold ist durchscheinend 2. Verteilung von Brom in Luft 3. Lösen von Salz, Zucker in Wasser 4. Volumenkontraktion beim Mischen von Alkohol und Wasser - Modellversuch mit Erbsen und Senfsamen Ergebnis: Die Stoffe erfüllen den Raum diskontinuierlich. Sie müssen aus kleinsten Teilchen aufgebaut sein. Man nennt sie Moleküle (bzw. Ionen) (z.B. Wassermoleküle, Brommoleküle usw.). Ein
Molekül eines Stoffes ist seine
kleinste, frei existenzfähige Portion. Es gibt so viele Arten von Molekülen, wie es Stoffe gibt. Finden wir in einem Stoff nur Moleküle der gleichen Art, so sprechen wir von einem Reinstoff Modell und Wirklichkeit
Diffusion Versuch: Ein Kaliumpermanganatkristall wird auf eine Gelplatte gelegt (zur Verhinderung von Konvektionsströmungen) [Projektionsversuch]. Beobachtung: allmähliche Ausbreitung einer violetten Farbzone. Unter
Diffusion versteht man die von der
Eigenbewegung der Teilchen hervorgerufene selbständige Durchmischung
verschiedener Stoffe Brownsche Molekularbewegung Diffusionsphänomene:
Kugelteilchenmodell und Aggregatzustand Erklärung der Aggregatzustände und ihrer Übergänge durch das Teilchenmodell Was lässt sich über die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen aussagen? Wie können diese Anziehungskräfte überwunden werden?
2.2 Erhaltung der Masse
Versuche:
a) Kerze brennt -> die Masse wird scheinbar geringer Deutung: gasförmige Verbrennungsprodukte entstehen - abgeschlossenes System wäre notwendig gewesen! Ein
geschlossenes System liegt dann vor,
wenn weder Stoffe nach außen entweichen noch Stoffe von außen dazukommen können. b) Lösung von Magnesium in verd. Salzsäure -> Gasentwicklung (Knallgasprobe) ? vermutliche Massenänderung? ? wie müsste der Versuch durchgeführt werden? ? ist der im Buch vorgeschlagene Versuch (mit Luftballon) geeignet? c) Reaktion von Bleinitratlösung mit Kaliumiodidlösung (gelber Niederschlag) - Wägung vor und nach dem Versuch -> keine Massenänderung aber: wir haben damit an sich noch kein allgemeingültiges Gesetz entdeckt! 1. Wir haben nur eine chemische Reaktion überprüft. Ein Schluss auf alle übrigen ist noch nicht zulässig. 2. Messgenauigkeit unserer Waage ist begrenzt! Genaueste Versuche von Landolt und Eötvös 1909: Die Massenänderung hätte kleiner sein müssen als 1/10 000 000 %. d) Verbrennung von Eisenwolle auf der Waage (evtl. Zündung mit Strom) -> Massenzunahme! Deutung als Vereinigung mit Sauerstoff (Bildung von Eisenoxid) Bei
allen chemischen Reaktionen bleibt die Gesamtmasse der beteiligten Stoffe unverändert -
Lebewesen? vis vitalis? Experimente beschreiben -
genau genommen ist die Massenänderung unwägbar klein! Masse-Energie-Beziehung
von Einstein: E = m * c2 Aufgabe:
Bei exothermen chemischen Reaktionen wird Energie in der Größenordnung von
100000 J frei. Die Sonne strahlt in jeder Sekunde 7,8 * 1026
J. Berechne die damit verbundene Massenänderung! [0,000
000 001 g - 8700000t]
2.3 Konstante Zusammensetzung von Verbindungen
Anknüpfung
an die Herstellung von Eisensulfid: ? Welches Massenverhältnis an Eisen und Schwefel wurde für die Herstellung eingesetzt? ? Welche Zusammensetzung hat das entstandene Eisensulfid? ? Was wäre bei der
Vereinigung von 7 Teilen Eisen mit 7 Teilen Schwefel?
P r o b l e m s t e l l u n
g Versuch: Synthese von Kupfersulfid - quantitativ
Theorie: 1 : 0,251 Mittelwert: Ergebnis: Kupfer und Schwefel vereinigen sich beim Erhitzen nur in einem ganz bestimmten Massenverhältnis. Hinweis
auf analoge Ergebnisse bei der Analyse aller chemischen Verbindungen, z.B. - Versuch zur Elektrolyse des Wassers (Volumenverhältnis 2:1) - Wir berechnen daraus das Massenverhältnis: [r (Wasserstoff) = 0,09 g/l, r (Sauerstoff) = 1,4 g/l] Massenverhältnis (H) : (O) im Wasser: Volumenverhältnis (Wasserstoff) : (Sauerstoff) = 2 : 1 m(H)
: m(O) = 2 l * 0,09 g/l : 1 l * 1,4
g/l m(H)
: m(O) = 0,18 g : 1,4 g m(H) : m(O) = 1 : 7,8 ungefähr 1:8 Oxide des Kupfers: Kupferoxid (rot) m(O) : m(Cu) = 1 : 7,9435 Kupferoxid (schwarz) m(O) : m(Cu) = 1 : 3,9718 Jede
chemische Verbindung enthält die Elemente in einem konstanten, naturgegebenen
Massenverhältnis.
2.4 Daltonsche Atomhypothese
OHP-Teilchenmodell
zur Erklärung des Gesetzes von den konstanten Massenverhältnissen (Anwendung
auf Kupfersulfid) Dalton
1808
Folgerung aus der Daltonschen Atomhypothese: Gesetz der multiplen Proportionen: Bilden zwei Elemente verschiedene Verbindungen miteinander, so stehen die Massen des einen Elements, die sich mit einer gegebenen Masse des anderen Elements verbinden, im Verhältnis kleiner, ganzer Zahlen.
Erklärung mit dem OHP-Teilchenmodell
2.5 Atomare Masseneinheit
Masse des Wasserstoffatoms als Vergleichsmasse Angabe der absoluten Atommasse in Gramm sehr umständlich! Um wie vielmal schwerer ist ein Sauerstoffatom im Vergleich zum Wasserstoffatom? Folgerung aus den Volumenverhältnissen und Massenverhältnissen bei der Wassersynthese:
logische Folgerung:
2 Wasserstoffatome sind 8 x so schwer wie 1 Sauerstoffatom 1 Wasserstoffatom ist 16 x so schwer wie 1 Sauerstoffatom Bezogen auf ein Wasserstoffatom hat Sauerstoff die relative Atommasse 16. Die
Atommasse eines Elements gibt an, wievielmal schwerer eines seiner Atome
durchschnittlich ist ist im Vergleich zu 1/12 des Kohlenstoffatoms C-12 (=
atomare Masseneinheit 1u = ungefähr die Masse eines Wasserstoffatoms) 1 u = 1,661 * 10-24 g Ablesung der Atommassen aus dem Periodensystem Genaue Bestimmung der Atommassen im Massenspektrometer Prinzip
erklären relative
Molekülmasse: Summe der relativen Atommassen aller im Molekül enthaltenen
Atome Aufgabe: Berechnung der relativen Molekülmasse der folgenden Verbindungen: H2O
O2
H2 FeS C6H12O6 2.6 Volumenverhältnisse bei Gasreaktionen - Molekülbegriff - Satz von Avogadro
Hinführung: Massenverhältnisse bei chemischen Reaktionen - Kupfersulfid, Eisensulfid, Wasser -> ungerade Zahlenverhältnisse Versuch: Wassersynthese quantitativ Wasserstoff und Sauerstoff mit Spritzen in Eudiometerrohre füllen - Volumenverhältnisse: Wasserstoff : Sauerstoff 3:1, 1:1, 2:1 - Zündung piezoelektrisch
Ergebnis: Eine restlose Vereinigung erfolgt nur, wenn das Volumenverhältnis Wasserstoff : Sauerstoff 2 : 1 beträgt.
Volumengesetz von Gay-Lussac: Gase reagieren miteinander in ganzzahligen Volumenverhältnissen.
Satz von Avogadro: Gleiche Volumina von Gasen enthalten bei gleichem Druck und gleicher Temperatur gleichviel Teilchen. Teilchenmodell Voraussage für das entstandene Wasservolumen unter der Voraussetzung, dass 1 Teilchen Sauerstoff mit 2 Teilchen Wasserstoff zu einem Teilchen Wasser reagieren?
Wasserstoff + Sauerstoff -> Wasser aber: es entstehen 2 Raumteile Wasserdampf!!!
Folgerung: Wasserstoff und Sauerstoff bilden zweiatomige Moleküle
2.7 Formeln, Wertigkeit
Verhältnisformel und MolekülformelDie Molekülformel gibt die Art und Anzahl der Atome in einem Molekül an, z.B. HCl
H2O
H2O2
O3 NH3
CO2 Aufstellung einer Molekülformel Analogie-Beispiel! Projektion: Schrauben mit 2 Muttern (Formel: M2S) - wenn wegen Kleinheit unsichtbar? - 1. Schritt: Zahlenverhältnis der am Molekülbau beteiligten Atome ermitteln (= Verhältnisformel, empirische Formel).
Masse einer Schraube: 3 g Masse einer Mutter 1 g Zerlegung von 25 g lieferte 15 g Schrauben und 10 g Muttern
Verhältnisformel: (SrMu2)x welche Molekülformeln
stehen damit in Einklang? (für x=1,2,3..) 2. Schritt: Molekülformel
ermitteln Um zwischen den
verschiedenen möglichen Formeln entscheiden zu können muss die Molekülmasse
bekannt sein. "Molekülmasse"
der Schrauben-Muttern-Verbindung: 5 g damit steht die Formel SrMu2 in Einklang (x = 1) Die Verhältnisformel (= Empirische Formel) der Kupferoxide ? Wie lässt sich eine chemische Formel ermitteln? - Atommassen bekannt (aus dem Periodensystem zu entnehmen) - Die Massenverhältnisse der in einer Verbindung enthaltenen Elemente können bestimmt werden - daraus lässt sich das Atomzahlenverhältnis der verschiedenen Atomarten in einem Teilchenverband (Molekül, Ionenkristall) bestimmen! Versuch: Bestimmung der Verhältnisformel von rotem Kupferoxid CuxOy + y H2 ----------> x Cu + y H2O ? In welchem Massenverhältnis verbindet sich Kupfer mit Sauerstoff in rotem Kupferoxid? Aus diesem Massenverhältnis lassen sich mit Hilfe der Atommassen x und y bestimmen. Ergebnis:
Kupfergehalt: .................... g Sauerstoffgehalt: ................g
Umrechnung auf ganze Zahlen: Verhältnisformel? Was muss für die Aufstellung der richtigen Substanzformel noch bekannt sein? Aufgaben: Bei starkem Erhitzen von Silbersulfid bildet sich unter Abspaltung von Schwefel elementares Silber. Durch Zersetzung von 743,4 mg Silbersulfid wurden auf diese Weise 647,4 mg Silber erhalten. [Atommassen: Silber (Ag)=107,9 u; Schwefel (S)=32,1 u] a) Berechne die Verhältnisformel von Silbersulfid. (Der Gang der Berechnung muss klar ersichtlich sein!) b) Gib drei mögliche Summenformeln an, die mit der berechneten Verhältnisformel in Einklang stehen. c) Was müsste man noch wissen, um die richtige Summenformel angeben zu können? Ergebnis: a) Verhältnisformel: (Ag2S)x
b) Ag2S
Ag4S2
Ag6S3 c)
Molekülmasse Kupfer bildet bei der Verbrennung mit Sauerstoff ein schwarzes Oxid. Das Massenverhältnis Kupfer : Sauerstoff ist bei dieser Reaktion 3,97 : 1. Ermittle die Verhältnisformel dieses Oxids und stelle die Reaktionsgleichung auf. (Molekülmasse des Oxids: 79,6 u) Eine unbekannte Verbindung organische Verbindung Y wird analysiert. Dazu wird Y im Sauerstoffstrom verbrannt. Es entstehen dabei Kohlenstoffdioxid und Wasser. Ergebnis der quantitativen Analyse: - Einwaage an Y: 33 mg - Auswage an Kohlenstoffdioxid: 99 mg - Auswage an Wasser: 54 mg a) Zeige durch Rechnung, dass Y außer Kohlenstoff und Wasserstoff keine weiteren Elemente enthält. b) Ermittle die Verhältnisformel für Y. Die qualitative Analyse einer Verbindung X ergab, dass sie nur die Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff enthält. Bei der vollständigen Oxidation von 14,00 g der Verbindung X entstanden 31,68 g Kohlenstoffdioxid und 13,05 g Wasser. Berechne die Verhältnisformel (=empirische Formel) der Verbindung X! Formeln und WertigkeitHinführung: Gibt es Regelmäßigkeiten bei den Formeln bisher bekannt gewordener Verbindungen? Was hält die Atome zusammen? Naive Vorstellung von Häkchen und Bindungsarmen zur Veranschaulichung des Wertigkeitsbegriffs:
Formeln einiger Verbindungen: CH4
Methan NH3
Ammoniak H2O Wasser HCl Hydrogenchlorid CO2 Kohlenstoffdioxid CCl4 Kohlenstofftetrachlorid Das unterschiedliche Bindungsvermögen von Atomen bei der Vereinigung zu Verbindungen kann durch den Begriff der Wertigkeit beschrieben werden (Vergleich mit Bindungsarmen): Unter der (stöchiometrischen) Wertigkeit eines Elements versteht man die Anzahl der Wasserstoffatome, die eines seiner Atome binden oder ersetzen kann. Wasserstoff hat die Wertigkeit 1 und Sauerstoff hat die Wertigkeit 2. Wertigkeiten einiger Elemente zur Bildung von Verhältnisformeln binärer Verbindungen:
Aufgabe: Formulierung der Oxide und Chloride von Na, Mg, Zn, Al In der Substanzformel einer aus zwei Elementen A und B bestehenden Verbindung ist die Summe der Wertigkeiten des Elements A gleich der Summe der Wertigkeiten des Elements B. Atomgruppen werden dabei wie Atome eines Elements betrachtet. Bei bekannter Wertigkeit ist die Aufstellung der Substanzformel binärer Verbindungen möglich, umgekehrt kann man aus den durch quantitative Analyse ermittelten Substanzformeln auf die Wertigkeit schließen. Nomenklatur, wenn Elementen in mehreren Wertigkeiten auftreten: Beispiele Cu2O Kupfer(I)-oxid CuO Kupfer(II)-oxid FeCl3 Eisen(III)-chlorid FeCl2 Eisen(II)-chlorid
Übungsaufgaben: Wertigkeit? PbO2 AgCl Fe2O3 BaCl2 CuCl CrO3 N2O5 Substanzformeln
von Mangan(IV)-oxid Phosphor(V)-oxid Prüfe die folgenden Substanzformeln auf ihre Richtigkeit und kennzeichne falsche mit dem Buchstaben "f" und richtige mit dem Buchstaben "r"! PH3
HI HO2
Ca2O
P3O2
P2O3
Li2O
N3H
AlO3
CaO Gib für die folgenden Substanzformeln einen exakten chemischen Namen an: Cr2O3 SnCl2 CrO3 SnCl4
Schreibe die Formel für folgende Verbindungen: Quecksilber(I)-oxid ........... Eisen(III)-chlorid ............ Kupfer(I)-chlorid
............ Phosphor(V)-oxid
............
Gib die Wertigkeit der unterstrichenen Atome in den folgenden Verbindungen an SiO2
As2S3 BF3
V2O5
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