Fragen & Antworten zur Allgemeinen Chemie

1.1 Aus welchen Elementarteilchen sind Atome aufgebaut?

im Atomkern (Protonen+Neutronen=Nukleonen): positiv geladenen Protonen und neutrale Neutronen
in der Atomhülle: Elektronen

die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Kernladungszahl
die Kernladungszahl ist identisch mit der Ordnungszahl im PSE (Periodensystem der Elemente)
Massenzahl: Summe der Protonen- und Neutronenanzahl im Kern
Atommasse: Masse des Kohlenstoffatoms wird gleich 12 gesetzt und im Bezug dazu Relativwerte für lle anderen Elemente ermittelt
1 Mol: gleiche Anzahl von Teilchen = Avogardozahl (6*10²³ ), jedoch unterschiedlich schwer

Was sind Isotope?

- Isotope sind Kerne mit gleicher Protonenanzahl aber unterschiedlicher Neutronenzahl
- sie besitzen immer die gleichen chemischen Eigenschaften
- bekannte Isotope: Wasserstoff, Sauerstoff, Deuterium, Tritium, Uran
- Bsp:

238	U	235	U	234	U
92		92		92

1.3 Radioaktivität

Radioaktivität ist der spontane Zerfall von Atomkernen unter Aussendung radioaktiver Strahlung (tritt in der Natur nur bei schweren Atomkernen wie Uran / Radon auf)
es gibt folgende 3 Strahlungstypen
- α-Strahlung (Kerne von 4He), β-Strahlung (Elektronen / Positronen), γ-Strahlung (elektromagnetisch)
Kernspaltung (in AKW's):Zerlegung schwerer Atomkerne in leichtere durch Neutronenbeschuss z.B. von Uran →Energiefreisetzung
Kernfusion:Verschmelzung leichterer Atomkerne zu Schwereren (z.B. Helium aus Wasserstoff) →Energiefreisetzung

1.4 Wie ist die Elektronenverteilung in den Außenschalen der Hauptgruppenelemente der ersten 3 Perioden?

1. Periode: H, He = Besetzung der beiden s-Elektronen für n=1
2. Periode (n=2): Zuerst wird das s-Niveau (Li, Be) besetzt und anschließend die 3p-Niveaus erst einfach und dann später doppelt (B bis Ne – Ne = 1s²; 2s²; 2p6)
3. Periode: nach der Besetzung der s- & p-Niveaus tritt aber folgende Besonderheit auf: Trotz niedriger Hauptquantenzahl liegt das 3d – Niveau energetisch höher als der 4s- Zustand. Darum wird dieses (3d-Niveau) als nächstes besetzt (z.B. bei K, Ca)

1.5 Welche Elektronenorbitale werden bei Haupt-, welche bei Nebengruppenelementen aufgefüllt?

Hauptgruppenelemente: s- & p- Elektronen eingebaut (Elektronenorbitale s & p werden aufgefüllt)
Nebengruppenelementen: d-Niveaus werden besetzt

1.7 Welche verschiedenen Möglichkeiten zur Bildung chemischer Verbindungen gibt es?

Ionenbindung:

Ionen = elektr. Geladene Teilchen die durch Aufnahme (Anionen) & Abgabe (Kationen) von Elektronen aus Atomen entstehen

- z.B. bei Salzen (Natriumchlorid [NaCl])
- Elektronegativität (EN) sehr verschieden
- Elektronen werden vollständig übertragen zum elektronegativeren Element → 8er Konfiguration
  - →sehr stabil →hohe Schmelz- & Siedepunkte

Metallbindung:
- Elektronegativität ähnlich & klein
- Elektronengas: Elektronen werden frei abgegeben und bewegen sich frei
Atombindung:
- Elektronegativität ähnlich & groß
- jedes der Atome gibt ein Elektron ab
  - Unpolar - EN gleich z. B. H - H
  - Polar - EN verschieden z. B. H ◄Cl
Komplexbindung:
- Gemeinsames Elektronenpaar wird von einem Partner eingebracht

1.8 Welche Größe entscheidet darüber, welcher Weg wirklich eingeschlagen wird?

Elektronegativität der Reaktionspartner
"wollen" immer 8 Außenelektronen

1.11 Was ist ein Katalysator, wie wirkt er?

Ein Katalysator ist ein Stoff der durch seine Anwesenheit chemische Reaktionen im Verlauf beeinflusst, da er die nötige Aktivierungsenergie herabsetzt. Nach der Reaktion aber wieder im ursprünglichen Zustand vorliegt.

meistens: Stoff der Geschwindigkeit einer Reaktion beschleunigt & Aktivierungsenergie herabsetzt

1.12 Was ist eine Oxidationszahl?

formales Hilfsmittel zur Beschreibung von Redoxreaktionen (= Reaktionen mit Elektronenübergängen)
gibt die Ionenladung eines Atoms innerhalb einer chemischen Verbindung oder eines mehratomigen Ions an (wieviele Elektronen hat neutrales Atom innerhalb einer Verbindung aufgenommen (+
) bzw. abgegeben ()
Bsp:
- C: -4 / +4: kann 4 Elektronen aufnehmen / abgeben
- Cl: -1 / +7: ~ 1 Elektron aufnehmen / 7 abgeben

1.13 Wie hängen die maximal erreichbaren Oxidationszahlen von der Gruppennummer ab?

als grobes Hilfsmittel kann man sagen, dass meist Hauptgruppe die Oxidationszahl bestimmt
1. bis 3. Hauptgruppe: positiv Oxidationszahl, die der Hauptgruppe entspricht
4. Hauptgruppe: positiv oder negativ
5. Hauptgruppe: -3
5.-7. Hauptgruppe: meist negativ, Oxidationszahl=8-Hauptgruppe (also 8-5/8-6/8-7)
8. Hauptgruppe (Edelgase): Oxidationszahl meist 0

1.14 Wie heißen Reaktionen bei denen die Oxidationszahl geändert wird? Welche Teilchen wechseln den Platz? Welche Einzelschritte gibt es, wie heißen die Teilreaktionen und was geschieht bei ihnen?

- Redoxreaktionen: d.h. Oxidation & Reduktion laufen gekoppelt ab
- Elektronen, wechseln den Platz
- Bsp:

Ca → Ca²⁺ + 2e^-	Oxidation
Cl₂ + 2e^- → 2Cl ^-	Reduktion
Ca + Cl₂ → CaCl₂

1.15 Was sind Oxidationsmittel, was Reduktionsmittel? Welche Beispiele gibt es?

ein Oxidationsmittel ist ein Reaktionspartner der Elektronen aufnimmt
z.B. Cl (sehr reaktionsfreudig, deshalb fast nur in Verbindungen vorkommend)

Reduktionsmittel ist ein Reaktionspartner der Elektronen abgibt
z.B. Ca

1.16 Was ist eine Disproportionierung?

= Redoxreaktion bei der ein Stoff der mittleren Oxidationszahl in einen Stoff mit einer niedrigeren und höheren Oxidationszahl übergeht.

1.17 Was ist Redoxamphoterie?

d.h. das Atome mit mittleren Oxidationszahlen sowohl oxidiert als auch reduziert werden können.
MnSO4 4 ← MnO2 2 → KMnO 4 4

1.18 Was versteht man unter der Spannungsreihe? Auf welchen Messungen beruht sie?

Spannungsreihe = Versuchsanordnung bestehend aus zwei Elektrodensystemen (eine ist eine Wasserstoffelektrode)
durch die Verbindung der beiden Elektrodensystemen fließt Strom → sich ausbildendes Potential ist messbar
um Bezugspunkt herzustellen wurde die Standardwasserstoffelektrode auf +/- 0 V festgesetzt
aus den erhaltenen Potentialen ergibt sich für jeden Stoff ein anderer Wert → es ergibt sich eine Reihe mit Messwerten = Spannungsreihe

1.19 Welche Voraussagen sind auf ihrer Grundlage möglich?

es kann eine Aussage über die Richtung des Ablaufes einer Redoxreaktion getroffen werden
je negativer Potential eines Elementes ist umso größer sein Bestreben oxidiert zu werden

1.20 Wie ist der Zusammenhang mit dem Begriff edle bzw. unedle Metalle?

Metalle mit negativen Standardpotential werden als unedel bezeichnet
Metalle mit positiven Standardpotential werden als edel bezeichnet

1.21 Wie hängt Korrosion mit dem Metallcharakter zusammen? Welche modifizierenden Einfluss gibt es, der das grundsätzliche Verhalten bei Normaltemperatur stark beeinflussen kann?

unedle Metalle können durch nichtoxidierende Säuren (z.B. HCl) aufgelöst werden
edle werden nicht angegriffen
Luftfeuchte, kann das Verhalten stark beeinflussen (Ausnahme bei Gold Au)

1.22 Welche Arten von Korrosion kennen Sie?

chemisch	elektrochemisch
direkter Kontakt Elektronen dicht übertragen Flächenhafter Vorgang	ohne direkten Kontakt elektrisch leitende Verbindung lokal begrenzt

1.23 Wie schützt man Metalle vor Korrosion?

Überzüge	elektrochemischer Schutz
Aufbringen unedler Metalle (z.B. verzinkter Zinn) Aufbringen edler Metalle (z.B. von Cu, Ag, Au) Aufbringen anorganischer Materialen (z.B. von Plasten, Lacken, Emaile, Phosphatierung)	Verbindung mit unedler Opferanode (z.B. Mg bei Schiffen) Gleichspannung Aufbringen unedler Metalle (z.B. Galvanische Verzinkung)

1.24 Was ist ein galvanisches Element? Unter welchen Bedingungen wird es zum Sammler?

ein galvanisches Element ist ein Energieumwandler, welcher Spannung erzeugt in dem er chemische zu mechanische Energie umwandelt
ein galvanisches Element besteht aus 2 Elektroden die leitend miteinander verbunden sind und von einem Elektrolyten umgeben sind
ein galvanisches Element mit umkehrbaren Elektrodenvorgängen bezeichnet man als Sammler (= Akkumulator)

1.25 Welche bekannten Beispiele gibt es?

Primärzellen (Batterien): Entladung ist irreversibel und nicht kann elektrisch aufgeladen werden
Sekundärzellen (Akkumulatoren): Bleisammler (Autobatterie), Nickel-Cadmiumsammler /- akkumulatoren, Nickel-Metallhydridakkumulatoren
Tertiärzellen (Brennstoffzellen)

1.26 Was ist eine Brennstoffzelle?

ein galvanisches Element, welches unter konstanter Zuführung von Brennstoffen sowie eines Oxidationsmittels Energie erzeugt
z.B. Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle: Die Gesamtzellreaktion entspricht der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff (Knallgasreaktion); in der Brennstoffzelle wird die Reaktion aber kontrolliert durchgeführt, so dass die chemische Energie vorwiegend in mechanische Energie umgewandelt werden kann.

1.27 Wie ist das Wassermolekül aufgebaut? Wie entsteht der Dipol? Was ist Diffusion? Was ist die treibende Kraft? Welche Parameter beeinflussen sie, in welcher Richtung läuft sie ab?

das Wassermolekül ist nicht linear sondern in einer Winkelform aufgebaut
Zitat schuelerlexikon.de: „In den Wassermolekülen sind die Wasserstoffatome und die Sauerstoffatome so angeordnet, dass das Wassermolekül, wie ein elektrisch geladener Dipol wirkt. Ursache dieses Dipolcharakters von Wassermolekülen sind die Elektronegativitätsdifferenz zwischen Sauerstoff und Wasserstoff und die Anordnung der Wasserstoffatome zum Sauerstoffatom in einem Bindungswinkel von 104,5°. Dadurch entsteht am Molekülende, an dem sich die Wasserstoffatome befinden, ein positiver Pol und beim Sauerstoffatom ein negativer Pol“ (Quelle: http://m.schuelerlexikon.de/mobile_chemie/Dissoziation.htm, abgerufen 10.01.2007)

Diffusion: Ausgleich von Konzentrationsunterschieden – von der höheren Konzentration zu der Niedrigeren.

aufgrund der Wärmebewegung der Teilchen (Brownsche Bewegung)
wachsende Temperatur & sinkende Teilchengröße beschleunigen Transportvorgang
große Entfernung → langsamer
kleine Entfernung → schneller

1.28 Was ist Osmose? In welcher Richtung läuft sie ab? Unter welchen Bedingungen erzeugt sie Druck? Wo ist dieser Druck wichtig?

Osmose ist einer Art Diffusion (s.o.) eines Lösungsmittels durch ein halbdurchlässige (die nur kleine Moleküle passieren lässt) Membran.

osmotischer Druck entsteht als Ausgleich der Partialdrücke der Teilchen, welche durch die Membran diffundieren
bedeutsam für krautige Pflanzen: nur durch den Zellinnendruck können sich Pflanzen aufrecht halten („welken“ bei Wassermangel)

1.29 Wann spricht man vom aktiven Transport?

Im realen Leben ist die Membran nie 100prozentig halbdurchlässig → es entweichen osmotisch aktive Ionen (z.B. Kalium) im begrenzten Maße. Diese müssen zurückgeholt werden. Dieser notwendige Vorgang ist dem Konzentrationsgefälle entgegen gerichtet, d.h. von geringerer zu höheren Konzentration. Dabei wird Energie verbraucht. Bei diesem Vorgang spricht man vom aktiven Transport.

1.30 Was ist Adsorption? Wo tritt sie auf & bei welchen Stoffen führt sie zu deutlichen Effekten?

Anlagerung von Stoffen an der Oberfläche (von Teilchen einer fluiden Phase an der Grenzfläche einer festen Phase).

1.31 Was ist chemisches Gleichgewicht?

kurz: in einem chemischen Gleichgewicht laufen Hin- und Rückreaktion in einem geschlossenen System gleichzeitig mit der desselben Geschwindigkeit ab (keine Konzentrationsänderungen)
A + B ↔ C + D

1.32 Wie kann man ein solches Gleichgewicht beeinflussen?

durch die Beeinflussung der beiden Grundreaktionen besteht die Möglichkeit die Lage des Gleichgewichtes zu verschieben
Beispiel Lösungen: Kaliumnitrat (KNO3 - Dünger) in Wasser: zur Gleichgewichtsverschiebung erhitzen → somit ist mehr Salz lösbar → Gleichgewicht verschiebt sich
zudem führen Druck- / Volumenänderungen auch zur Gleichgewichtsverschiebung
Allgemein: bei Änderung der Außenbedingungen reagiert ein Gleichgewichtssytem so, dass dieser „Zwang“ durch Beschleunigung einer Teilreaktion minimiert wird

1.33 Wie kann das Verhalten eines Gleichgewichtssytem a) qualitativ b) quantitativ beschrieben werden? Wie ist die Bezeichnung der unter b) anzugebenden Formulierung?

A + B ↔ C + D

qualitativ:

Konzentration C ist konstant: C_A, C_B, C_C und C_D
Geschwindigkeit der Hinreaktion = der Rückreaktion

quantitativ:

- nach dem Massenwirkungsgesetz (MGW), d.h.

K=	C_C*C_D
	C_A*C_B

1.34 Was sind Säuren, was sind Basen?

Säure ist eine Substanz die Protonen abgeben kann = Protonendonator
Base ist eine Substanz die Protonen aufnehmen kann = Protonenakzeptor

1.35 Was sind starke Säuren, was sind starke Basen? Wie können Sie durch Messwerte charakterisiert werden? Nennen Sie Beispiele?

eine Säure ist umso stärker je leichter sie Protonen abgibt
Bsp: einfache Säure-Base-Reaktion (Reaktion wo H+-Ionen übertragen werden):
- HA + H2O ↔ H3O⁺ + A^-
- (liegt mit zunehmender Säurestärke das Gleichgewicht mehr auf der rechten Seite)

- man hat Gleichgewichtskonstante für Säuren K_S S und für Basen K_B definiert
- je größer die Werte sind, desto stärker
- negative dekadische Logarithmus von K_S wird als pK_S-Wert bezeichnet (pK_S=-lg[K_S])
- d.h. starke Säure = neg. pKS-Werte, Beispiele:

Säure	pK_S-Wert
Perchlorsäure HClO₄ Salzsäure HCl Schwefelsäure H₂SO₄	~ -10 ~ -7 ~ -3

starke Basen:

Hydrogencarbonat CO₃ ^2-
Hydrogenphosphat PO₄ ^3-

1.36 Was versteht man unter dem pH-Wert? Welche Bereiche gibt es?

- pH-Wert ist ein Maß für die Konzentration der Wasserstoff-Ionen (H+)
- ist der negativ dekadische Logarithmus

0...	4 5 6	7	8 9 10	...14
_{stark sauer}	schwach sauer	neutral	schwach basisch	stark basisch

1.37 Was versteht man unter der Autoprotolyse des Wassers? In welchen Maße geht diese Reaktion vor sich? Wie groß ist der pKW-Wert?

Auto protolyse - PKW-wert

bei einer Autoprotolyse reagiert ein und dieselbe Verbindung gleichzeitig als Säure und als Base (Protonendonator und gleichzeitig Protonenakzeptor)
„Wasser kann sowohl ein Proton aufnehmen und das sogenannte Oxonium-Ion H3O+ bilden oder ein Proton abgeben und zum Hydroxid-Ion OH- werden. Dieser Vorgang geschieht auch in gewöhnlichem Wasser ständig. So gibt zum Beispiel ein Wassermolekül ein Proton ab, das durch ein anderes dann aufgenommen wird. Dieser Vorgang wird als Autoprotolyse des Wassers bezeichnet. Dies geschieht natürlich nur in einem ganz geringen Anteil. Hydronium-Ionen und Hydroxid-Ionen liegen dabei immer im Gleichgewicht vor, sodass das Wasser werder sauer oder seifig schmeckt (Konzentration von H+ und OH- gleich). Lediglich die Eigenschaft der elektrischen zeigt an, dass im Wasser Ionen vorliegen müssen.“ (Quelle: DUDEN Basiswissen Schule Chemie Abitur)
K_W = 10^-14 mol² l^-2 = pK_W=14

Gleichung:
H₂O → H⁺ + OH^-
H₂O + H⁺ → H3O⁺

1.39 Was sind Puffersysteme? Wie setzten sie sich zusammen, was bewirken sie? Inwieweit ist ihre Wirksamkeit begrenzt?

Puffersysteme sind Lösungen die den pH-Wert weitesgehend konstant halten, auch bei Zugabe von Säuren oder Basen
Puffersysteme müssen stets zwei Bestandteile enthalten:
eine Base die mit H3O⁺-Ionen reagiert
eine Säure die OH^- - Ionen abfängt
oder: Puffersysteme bestehen aus Salzen schwacher Säuren und starker Basen bzw. aus Salzen starker Säuren und schwacher Basen
Bsp: NH₃ / NH₄⁺ - Lösung, Na₂CO₃ / NaHCO₃ - Lösung
Puffereffekt wirkt nicht unbegrenzt, wenn alle Anionen reagiert haben, können Protonen nicht mehr abgefangen werden → Pufferkapazität erschöpft

1.40 Wo kommen Puffersysteme vor? Welche sind die jeweils wirksamen Teilchen?

Alle flüssigen Phasen von Lebewesen enthalten Puffer, diese sind wegen der Stablisierung des pH-Wertes unerlässlich. → wirksame Teilchen (Anionen) sind Hydrogencarbonat ionen und Hydrogenphosphat ionen

im Boden kommt das Silikat hinzu