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Stand: 2006-05-13
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Über Atommodelle zu reden ist "eigentlich" Physik. Doch die Abgrenzung von Physik und Chemie sei hier der Praxis halber großzügig unscharf ausgelegt. Das populärste, wenn auch veraltete Atommodell ist das vereinfachte Bohr'sche Atommodell: Es geht von einem Atomkern und einer Elektronenhülle aus und kennt nur drei Elementarteilchen.
Wäre der Kern apfelsinengroß, umkreist ihn das erste Elektron in 100 m Entfernung, dazwischen ist leerer Raum.
Die Nachkommastellen der Atommasse kann man "für den Hausgebrauch" ignorieren, sie stammen aus dem statistischen Mittel, das aufgrund von sogenannten Isotopen, das sind Atome mit ein und derselben Anzahl von Protonen (also gleicher Ordnungszahl, gleiches Element), aber einer vom Mittelwert abweichenden Anzahl Neutronen, auftritt. Da die Neutronenanzahl im Kern aber "passen" muss, was bei vielen Isotopen nicht der Fall ist, sind Isotope oft instabil und ihr Kern zerfällt irgendwann spontan (und bildet damit zwei oder mehr ganz andere Elemente!). Solche Isotope heißen "radioaktiv".
Isotope eines Elementes sind chemisch völlig identisch und lassen sich nur durch die physikalische Eigenschaft "Masse" unterscheiden. Isotope lassen sich durch zentrifugieren trennen.
Bekannte Isotope sind z.B. das spaltbare Uran 235 (normal ist Uran 238) sowie die Isotope des Wasserstoffs Deuterium (1P + 1N) und Tritium (1P + 2N), die in Verbindung mit Sauerstoff sogenanntes "schweres Wasser" bilden. Schweres Wasser hat wie jedes andere Wasser auch die chemische Formel H2O, aber der Wasserstoff in dieser Formel hat in seinem Atomkern ein oder zwei Neutronen zusätzlich zu seinem einzigen Proton.
Elektronen halten sich in so genannten "Schalen", das sind gedachte Bahnabstände vom Atomkern auf. Die Anzahl der Elektronen und ihre Verteilung auf die Schalen heißt Elektronenkonfiguration. Die Elektronen auf der äußersten Schale heißen Valenzelektronen. Ihre Anzahl bestimmt die chemischen Eigenschaften des Elements, die so genannte "Wertigkeit" (Valenz). Die Wertigkeit beschreibt, mit wie vielen anderen Reaktionspartner eine chemische Reaktion ablaufen muss. Daraus ergibt sich, wie Verbindungen in der Summenformel auszusehen haben oder welche Atome sich mit welchen anderen in welcher Anzahl verbinden.
Sehr vereinfacht ausgedrückt ist es der "Wunsch" eines Atoms, auf der äußersten Schale die ideale Anzahl von 8 Elektronen zu erreichen. Diese Anzahl haben die Edelgase von Natur aus, daher gibt es für sie keinen Grund mit anderen Elementen zu reagieren, sie sind extrem reaktionsträge.
Andere Elemente tauschen mit ihren Reaktionspartnern Elektronen aus, um die Edelgaskonfiguration in der äußersten Schale zu erreichen. Dafür geben sie aber ihre "Unabhängigkeit", also ihre elektrische Neutralität auf. Denn die Anzahl der Elektronen ist dann nicht mehr gleich der Anzahl der Protonen im Kern. Die Atome sind nun elektrisch geladen und werden Ionen genannt. Es gibt positive Ionen (zu wenige Elektronen in der Hülle) und negative Ionen (zu viele Elektronen).
Auf den Schalen finden nicht beliebig viele Elektronen Platz. Die Schalen werden K (n=1), L (n=2), M (n=3), N (n=4), O (n=5), P (n=6), Q (n=7) genannt. Auf eine Schale passen 2n2 Elektronen. Also:
K ==> 2
L ==> 8
M ==> 18
N ==> 32
O ==> 50
P ==> 72
Q ==> 98
Die Schalen werden von K beginnend aufgefüllt. Es gilt jedoch die zusätzliche Regel, dass die äußerste Schale höchstens 8 Elektronen enthalten darf. Daher wird, wenn die M-Schale mit 8 Elektronen gefüllt (Edelgas Argon) ist, die N-Schale "angefangen". So hat also Kalium ein einziges Elektron auf der N-Schale, das es gern loswerden möchte, denn dann hätte es die Edelgaskonfiguration auf der M-Schale. Daher ist Kalium einwertig, möchte ein Elektron abgeben und wird in Verbindungen zu einem positiven Ion.
Von der Uni in Ulm gibt es eine vollständige, umfassende Darstellung der Elektronenkonfiguration aller Elemente. Allerdings sind hier auch die s-, p-, d-, f-Orbitale aufgeführt, die die einzelnen Schalen weiter unterteilen.
Das Periodensystem greift die Elektronenkonfiguration als ordnendes Merkmal auf und beschreibt so die Wertigkeit und die Reaktivität der Elemente in Tabellenform.
... ist aufgeteilt in senkrechte Gruppen I - VIII (Spalten) und waagerechte Perioden 1 - 7 (Zeilen). Die Gruppen geben Anzahl der Elektronen in der Außenschale und damit ähnliches Verhalten der Elemente an. Zu jeder Gruppe ist eine „a“- und eine „b“-Spalte. In jeder Periode wiederholen sich die Eigenschaften annähernd, werden aber immer schwächer ausgeprägt.
Die wichtigsten Gruppen sind:
Ia Alkalimetalle, ihre Oxide bilden die stärksten Basen (von oben nach unten schwächer werdend), sehr reaktive Elemente
IIa Erdalkalimetalle, ihre Oxide bilden immer noch ordentliche, aber nicht mehr starke Basen.
IIIa Halbmetall und Metalle
IVa Nichtmetall und Halbmetalle und Metalle
Va Nichtmetalle und Halbmetalle und Metalle
VIa Nichtmetalle und Metall
VIIa Halogene, sehr reaktive Elemente, bilden zusammen mit Metallen auch ohne Sauerstoff Salze (daher der Name).
VIIIa Edelgase (extrem reaktionsträge)
Alle B-Gruppen enthalten die wichtigen Gebrauchsmetalle und Edelmetalle und werden im Allgemeinen zwischen IIa und IIIa angeordnet!
Von allen 105 (stabilen) Elementen der Welt sind die Metalle mit rund 80 Vertretern die größte Gruppe. Es gibt außerdem 5 Halbmetalle (Halbleiter). Dem stehen nur 19 Nichtmetalle gegenüber, darunter die 6 Edelgase und 5 Halogene.
Elemente sind Reinstoffe, es gibt nur eine Atomsorte. Gase (außer Edelgasen) bilden mit sich selbst 2er-Moleküle: H2, O2, N2, aber He, Ar, Ne.
Verbindungen sind durch Reaktion verschiedener Elemente entstandene neue Stoffe, verschiedene Atome haben sich zu Molekülen einer Sorte verbunden.
Gemische sind lose Vermengungen von Elementen oder Verbindungen, die aber nicht miteinander reagiert haben. Gemische sind z.B. Lösungen, Legierungen, Gasgemische (Luft), sie sind durch physikalische Methoden (z.B. Destillation, Membranfiltration oder Zentrifugieren) trennbar.
Metalloxid + Wasser = Base
Na2O + H2O = 2NaOH (die OH-Gruppe ist das Kennzeichen der Basen)
Natirumoxid + Wasser = Natriumhydroxid
Nichtmetalloxid + Wasser = Säure
Der vorne stehende „Säure“-Wasserstoff ist das Kennzeichen der Säuren, das was rechts vom Wasserstoff steht nennt man "Säurerest".
SO2 + H2O = H2SO3
Schwefeldoixid + Wasser = schwefelige Säure
SO3 + H2O = H2SO4
Schwefeltrioxid + Wasser = Schwefelsäure (Schwefeltrioxid entsteht nur mit Hilfe von Katalysatoren)
2NO2 + H2O = HNO2 + HNO3
Stickstoffdioxid + Wasser = salpetrige Säure + Salpetersäure (es entstehen hierbei zwei unterschiedliche Säuren in einer Reaktion!)
Base + Säure = Salz + Wasser (Neutralisation)
2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O
Natriumhydroxid + Schwefelsäure = Natriumsulfat + Wasser
Wasser (H-OH) enthält sowohl den Säurewasserstoff als auch eine OH-Gruppe und ist deshalb weder Säure noch Base oder beides gleichzeitig und deshalb neutral!
gibt die Konzentration von H3O+ Ionen (für Säuren) bzw. der OH- Ionen (für Basen) an und das auch noch als Logarithmus ...
Säure Wasser Base stark neutral stark 0 – 1 – 3 - - 7 - - 10 – 13 – 14
Metall + Nichtmetalloxid = Salz (die wichtigste Form)
Metall + Halogen = Salz (bei allen Chlorsalzen, die häufig auftreten; Halogene sind die Elemente der 7. Hauptgruppe des Periodensystems)
Na + Cl = NaCl
Natrium + Chlor = Natriumchlorid
Metall + Nichtmetall = Salz (ganz allgemein)
Salze mit Nichtmetalloxiden als Säurerest zeigen in ihrer letzten Silbe den Sauerstoffgehalt:
Na2SO4 – Natriumsulfat (-at)
Na2SO3 – Natriumsulfit (-it)
Na2S – Natriumsulfid (kein Sauerstoff)
Endung „-id“ zeigt nur den zweiten Stoff an, keinen zusätzlichen(!) Sauerstoff. Bei Oxiden, die ja auch auf „-id“ enden, ist der zweite Stoff eben der Sauerstoff.
Legt man mit Hilfe von Elektroden an eine Salzlösung eine elektrisch Spannung so tritt Stromfluss druch Ionenleitung auf. Salzlösungen sind genau wie Basen und Säuren (in wässriger Lösung) Elektrolyte (elektrisch leitende Flüssigkeiten).
Dabei wandern die positiv geladenen Ionen zur negativen Kathode, weshalb sie Kationen (+) heißen. Die negativ geladenen Ionen wandern zur Anode, deshalb heißen sie Anionen (-).
Anode und Kathode sind sehr schwierige Begriffe, weil sie von der Sichtweise abhängen. Allgemein gilt: Eine Anode nimmt Elektronen auf, eine Kathode gibt Elektronen ab. Das wir vollends verwirrend, wenn man von Wiederaufladbaren Batterien redet: Für den Elektrolyten der Batterie ist beim Entladen die Anode der negative Pol und die Kathode der positive Pol (beim Laden ist es umgekehrt), der von der Batterie getriebene Stromkreis sieht natürlich den positiven Pol an Anode und den negativen Pol als Kathode (beim Laden treibt der Stromkreis Strom durch die Batterie und es ist umgekehrt!).
Die Metalle (aber auch alle anderen Elemente) lassen sich in eine elektrochemische Spannungsreihe ordnen. Die Spannung gibt an wie "edel" ein Metall ist (je positiver, desto edler) bzw. welche Spannung bei der Kombination zweier Metalle in einer Batteriezelle zu erwarten ist (nämlich die Differenz).
Mit Opferanoden lassen sich Metalle vor Korrosion schützen, dabei werden zwei Metalle elektrisch leitend verbunden und dem Elektrolyten ausgesetzt (Meerwasser, feuchtes Erdreich, Wasser allgemein). Beispiele sind Opferanoden an Schiffsrümpfen, Rohrleitungen oder Wasserspeichern aus Metall. Das unedlere Metall (mit der kleineren Spannung) ist die Anode und wird "geopfert", das edlere Metall ist die Kathode und wird geschützt. Bitte beachten: Es bildet sich ein elektrochemisches Element, dessen positiver Pol an den Elektrolyten Elektronen abgibt, d.h. dieser positive Pol ist die Kathode! Der negative Pol nimmt aus dem Elektrolyten die Elektronen auf (wird "oxidiert") und ist damit die Anode! Also ist immer das Metall mit dem kleineren Wert in der Spannungsreihe (also dem "negativeren" Wert) die (Opfer-)Anode. Opferanoden müssen regelmäßig kontrolliert und bei Bedarf ausgetauscht werden, da sie während des Betriebs verbraucht werden.
Eine Fremdstromanode ist eine positive Elektrode, die von einer Spannungsquelle gespeist wird, die zwischen ihr und der zu schützenden Kathode liegt. Dabei werden die Verhältnisse aus der Spannungsreihe von der externen Spannungsquelle "überfahren". Für die Fremdstromanode wird ein edles Material (oft Platinbeschichtungen) verwendet, das praktisch nicht oder wenigstens so langsam korrodiert, dass keine Wartung nötig ist. Es muss allerdings dauernd ein (wenn auch sehr kleiner) Schutzstrom fließen, um die Kathode vor Korrosion zu bewahren.
Oxidationen sind Reaktionen mit Sauerstoff. Sauerstoff ist das häufigste Element der Erdkruste (nicht der Atmosphäre!), weil praktisch alle Elemente unserer Umgebung oxidiert sind. Das Reaktionsprodukt einer Oxidation heißt Oxid. Bekannte und häufige Oxide sind beipielsweise:
Diwasserstoffmonoxid (H2O): Wasser
Eisenoxide (Fe2O3 oder Fe3O4 oder FeO): Rost und Erz
Kohlendioxid (CO2): oft auch (nicht ganz richtig) "Kohlensäure" genannt
Siliziumdioxid (SiO2): Quarz(-sand)
Stickoxide (z.B.: N2O oder NO oder NO2): Lachgas und nitrose Gase
Elementarer Sauerstoff (als O2) kommt als wesentlicher Bestandteil der Luft vor. Luft ist ein Gasgemisch und besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78 %) und Sauerstoff (21 %). In vergleichsweise hohen Konzentrationen kommen ferner Argon (0,9 %) und Kohlendioxid (0,04 %) vor, der Rest wird als Spurengase bezeichnet.
Oxidationen sind immer exotherm (Reaktion setzt Wärme frei)
Reduktionen sind immer endotherm (zum Unterhalten der Reaktion ist Wärme nötig)
Oxidationsmittel geben leicht Sauerstoff ab, sie werden bei der Reaktion reduziert.
z.B.: N2O (Lachgas), KMnO4 (Kaliumpermanganat), KNO3 (Kaliumnitrat oder Salpeter), H2O2 (Wasserstoffperoxid)
Reduktionsmittel nehmen leicht Sauerstoff auf, sie werden bei der Reaktion oxidiert.
z.B.: C (Kohlenstoff), H2 (Wasserstoff)
Redox-Reaktion
Na2SO4 + 4C = Na2S + 4 CO
Natriumsulfat + Kohlenstoff = Natriumsulfid + Kohlenmonoxid
CaCO3 – Kalk (Kalziumkarbonat, nicht wasserlöslich)
„brennen“ ergibt
CaO – gebrannter Kalk (Kalziumoxid, sehr reaktiv in Verbindung mit Wasser!)
„löschen“ ergibt
Ca(OH)2 – gelöschter Kalk (Kalziumhydroxid, wasserlöslich, wird als Kalkhydrat zur Mörtelherstellung verwendet)
„aushärten“ ergibt
Ca(OH)2 + H2CO3 = CaCO3 + H2O
Kalziumhydroxid + Kohlensäure = Kalziumkarbonat + Wasser
(die Kohlensäure stammt aus dem Kohlendioxid der Luft, das sich im Anmachwasser löst)
Der Kalk ist ausgehärtet, weil er wieder zu wasserunlöslichem Kalziumkarbonat geworden ist.
Gleichgewichtsreaktion im Kalkputz und im Wasser CaCO3 + H2CO3 = Ca(HCO3)2
Wasserunlösliches Kalziumkarbonat wird durch Kohlensäure zu wasserlöslichem Kalziumhydrogenkarbonat. Dieses Hydrogrankarbonat ist aber sehr instabil und zerfällt spätestens bei Erhitzung des Wassers auf 60°C. Übrig bleibt wasserunlösliches Karbonat, die Verkalkung ist entstanden.
Temporäre Wasserhärte = gelöste Salze (Hydrogenkarbonate), die sehr leicht ausfallen, weil sie durch Erhitzen in wasserunlösliche Formen zerfallen.
Permanente Wasserhärte = gelöste Salze (meist Chloride), die nicht ausfallen, weil die Salze stabil gegen Erhitzen sind. Permanente Härte lässt sich nur durch destillieren oder Membranfiltration entfernen.
Ionentauscher: Tauscht auf einer hochporösen Oberfläche (Zeolithe), die mit Na+-Ionen gesättigt ist, Ca2+- und Mg2+-Ionen gegen Na+-Ionen, also temporäre gegen permanente Härte, die Gesamthärte bleibt also gleich, die Leitfähigkeit des Wassers wird sogar geringfügig besser. Die Na+-Ionen sind im Ionentauscher nach einiger Zeit aufgebraucht und der Tauscher muss mit gesättigter Natriumchloridlösung (aus dem Regeneriersalz erzeugt) regeneriert werden.
Die Kohlenstoff-Chemie ist die sogenannte organische Chemie. Sie beschäftigt sich mit mehr oder weniger langkettigen sowie zyklischen Kohlenstoff-Verbindungen. Kohlenwasserstoffe (Kohlenhydrate) verbrennen zu Kohlendioxid und Wasserdampf
Die einfachsten und wichtigsten Kohlenstoff-Verbindungen sind die Alkane:
Methan CH4
Methan ist ein Treibhausgas, das bei natürlichen Zersetzungsprozessen entsteht und als Erdgas bekannt ist. Es setzt bei der Verbrennung relativ wenig Kohlendioxid frei, weil es nur ein Kohlenstoffatom enthält.
H | H-C-H | H
Ethan (Äthan) C2H6
H H | | H-C-C-H | | H H
Propan C3H8 Als Gasgemisch zusammen mit Butan wird Propan in Druckflaschen als Brenngas für Campingzwecke zum Löten oder zum Verschweißen von Dachbahnen verkauft.
H H H | | | H-C-C-C-H | | | H H H
Butan C4H10 (der einfachen Schreibweise halber lässt man die H-Atome in den Strukturformeln einfach weg und gibt nur noch die Positionen durch die Striche an)
| | | | -C-C-C-C- | | | |
Pentan C5H12
| | | | | -C-C-C-C-C- | | | | |
Hexan C6H14
| | | | | | -C-C-C-C-C-C- | | | | | |
Heptan C7H16
| | | | | | | -C-C-C-C-C-C-C- | | | | | | |
Oktan C8H18
| | | | | | | | -C-C-C-C-C-C-C-C- | | | | | | | |
Etwas kompliziertere Stoffe sind die Alkohole. Sie entstehen aus der Gärung, einem sehr einfachen Prozess, den Hefen als Stoffwechsel durchführen. Eine Hefe vergärt Zucker zu Alkohol und Kohlendioxid (d.h. sie frisst Zucker, pinkelt Akohol und furzt Kohlendioxid). Ein Hefe kann den Zucker also nur sehr unvollständig oxidieren.
Methanol (Holzgeist, giftiger Alkohol) CH3OH
H | H-C-OH | H
Ethanol (Äthanol) (Weingeist, trinkbarer, aber dennoch giftiger Alkohol) C2H5OH
H H | | H-C-C-OH | | H H
Wird der Oxidationsprozess fortgesetzt entstehen aus den Alkoholen organische Säuren. Essigsäurebakterien führen diesen Prozess als Stoffwechsel (Fermentation) durch. Alkohol wird mit Luftsauerstoff zu Essigsäure oxidiert.
Methansäure (Ameisensäure, Formylsäure) CHCOOH
H-C=O | OH
Ethansäure (Essigsäure) C2H3COOH
H | H-C-C=O | | H OH
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Was macht |