Anorganische & Organische Chemie Prof. Dr. Sabine Prys
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Historie
1
Der Begriff „Chemie“ „Chemie“ entstand aus dem neueren Griechisch χηµεία, wörtlich „[die Kunst der Metall-]Gießerei“ im Sinne von „Umwandlung“. Die heutige Schreibweise Chemie löste zu Beginn des 19. Jahrhunderts die seit dem 17. Jahrhundert bestehende als Chymie ab. Diese Chymie war wahrscheinlich eine Vereinfachung und Umdeutung der seit dem 13. Jahrhundert als Wort belegten Alchimie („die Kunst des Goldherstellens“), welches selbst eine mehrdeutige Etymologie aufweist, zu den Konnotationen vergleiche die Etymologie des Wortes Alchemie[1]: Das Wort wurzelt wohl in arabisch al-kīmiyá, welches u. a. „Stein der Weisen“ bedeuten kann, eventuell aus altgriechisch χυµεία, chymeía, „die Gießung“, oder aus koptisch/altägyptisch kemi, „schwarz[e Erden]“. Vergleiche hierzu auch Kemet. http://de.wikipedia.org
Anfänge Die Chemie [çe'mi: (bairisch, badisch, österreichisch: ke'mi:), Pl. çe'mi:ən (bairisch, österreichisch: ke'mi:ən)] ist die Lehre vom Aufbau, Verhalten und der Umwandlung von Stoffen sowie den dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten. Die Chemie entstand in ihrer heutigen Form als exakte Naturwissenschaft im 17. und 18. Jahrhundert allmählich aus der Anwendung rationalen Schlussfolgerns basierend auf Beobachtungen und Experimenten der Alchemie. Einige der ersten großen Chemiker waren Robert Boyle, Humphry Davy, Jöns Jacob Berzelius, Joseph Louis Gay-Lussac, Joseph-Louis Proust, Marie und Antoine Lavoisier und Justus von Liebig. http://de.wikipedia.org
2
1 Einige Stichworte ... Chemische Elemente Anorganische Chemie Verbindungen Analysen Reaktionen Säuren Basen Oxidation Reduktion Organische Chemie ...
1.1 Anorganische Chemie Chemie aller Elemente und Verbindungen, die nicht Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten Stoffbegriff Säuren Basen Oxidation Reduktion
3
1.1.1 Teilgebiete und Anwendungen Teilgebiete: • Chemie der Metalle, Nichtmetalle, Halbleiter • Festkörperchemie, Komplexchemie, Kolloidchemie • Atmosphärenchemie, Wasserchemie, Bodenchemie • Säurebasenchemie Anwendungen: • Metallurgie • Herstellung von Eisen und Stählen • Herstellung von Zement, Abbinden von Mörtel und Beton • Herstellung von Keramiken
1.2 Organische Chemie Chemie der Kohlenwasserstoffverbindungen, die folgende Elemente enthalten: C, H, N, O, F, .... Alkohole Zucker Proteine Kohlenhydrate Aminosäuren Nitroverbindungen .....
4
1.2.1 Teilgebiete und Anwendungen
Teilgebiete: • Pharmazie, Biochemie, Petrochemie Anwendungen: • Arzneimittel, Pharmazeutika • Naturstoffe • Kunststoffe • Kunstfasern • Farben und Lacke • Klebstoffe
1.3 Chemische Elemente
5
1.3.1 Elemente und Verbindungen
Chemisches Element Unter einem chemischen Element versteht man einen Stoff, der sich chemisch nicht mehr weiter in andere Stoffe zerlegen lässt.
Chemische Verbindung Unter einer chemischen Verbindung versteht man einen Stoff, der aus Atomen mehrerer verschiedener Elemente besteht und einheitliche physikalisch-chemische Eigenschaften wie z.B. Schmelz- und Siedepunkt aufweist.
1.3.2 Analyse und Synthese
•
Die Zerlegung einer Verbindung heißt Analyse: z.B.
FeO → Fe + 1 2 O2 •
Die Bildung einer Verbindung heißt Synthese z.B.
H 2 + 1 2 O2 → H 2O
6
1.3.2.1 Flammenfärbung
Geräte: Chemikalien: Durchführung:
Beobachtung:
Erklärung: Entsorgung:
Bunsenbrenner, Gasanzünder, Magnesiastäbchen, Uhrglas Salzsäure (HCl) Natriumchlorid (NaCl), Kaliumchlorid (KCl), Kupferchlorid (CuCl2), Bariumchlorid (BaCl2), Calciumchlorid (CaCl2), Magnesiumchlorid (MgCl2) HCl auf das Uhrglas geben, Magnesiastäbchen ausglühen heißes Magnesiastäbchen in Salzsäure tauchen, anschließend feuchtes, heißes Magnesiastäbchen in eines der Salze tauchen, Stächen mit dem Salz in die nichtleuchtende Flamme des Bunsenbrenners halten. spezifische Flammenfärbung: Calcium rot, Barium grün Kupfer blaugrün, Kalium fliederfarben Natrium gelb, Magnesium grau Diese Elemente senden bei Temperatur des Bunsenbrenners Licht von bestimmter Farbe aus. Magnesiastäbchen: Abfall, Säure: Behälter I
1.3.2.2 Elementanalyse Flammenfärbung verschiedener Metalle:
Kupferacetat
Eisen
Kaliumiodid
Strontiumnitrat
Magnesium
Natriumchlorid
http://www.experimentalchemie.de/
7
1.3.2.3 Sicherheitshinweise Chemikalien beim Flammenfärbungsexperiment •
Strontiumnitrat Kaliumchlorat
•
Achtung: Die Stoffe dürfen niemals zusammen in einer Reibschale gemischt oder zerkleinert werden. Explosionsgefahr!
O Brandfördernd
(Sr(NO3)2): O (KClO3): O,Xn
R8 R9-20/22 S13-16-27
Xn
E
Gesundheitsschädlich
Explosionsgefährlich
http://www.experimentalchemie.de/
1.3.2.4 H2 – Synthese & Knallgasreaktion
Geräte: Chemikalien:
KIPP’scher Apparat, 2 gebohrte Stopfen , Reagenzgläser , Glasrohr winkelig, Feuerzeug Zink, Zn, Granulat, Verdünnte (1:10) Schwefelsäure, H2SO4 Kupfer(II)-sulfat-5-Hydrat, CuSO4·5H2O Durchführung: einige Gramm des Zinks werden in den KIPP’schen Apparat gegeben, etwas Kupfersulfat zugeben, Tropftrichter und Winkelrohr in die Stopfen einsetzen, Schwefelsäure in den Tropftrichter geben, Schwefelsäure langsam zutropfen lassen, Reagenzglas auf Winkelrohr, Hahn nach einigen Minuten öffnen, nach einer Weile Flamme mit Feuerzeug an Reagenzglas halten Beobachtungen: Zink und Schwefelsäure reagieren zischend miteinander, beim Annähern der Flamme an das Reagenzglas entsteht ein zischender Laut und das Reagenzglas beschlägt von innen Erklärung: Zink wird durch die Schwefelsäure zersetzt und bildet ZnSO4, dabei entsteht Wasserstoffgas H2, welches durch Verbrennung in H2O überführt wird Entsorgung: Behälter 1
8
1.3.2.5 Erläuterung & Gefahren Erläuterung: • •
Oxidation von Zn zu ZnSO4 Oxidation von H2 zu H2O
Zn + H 2 SO4 → ZnSO4 + H 2 H 2 + 12 O2 → H 2O Gefahren:
1.3.1.7 Schwefel erhitzen
Geräte: Chemikalien: Durchführung:·
Erklärung:
Entsorgung:
Reagenzglas, Reagenzglas-Klammer, Spatel, Brenner, 150 ml Becherglas Schwefelpulver (Schwefelblüte) Becherglas ca. 5 cm hoch mit Wasser füllen Reagenzglas zu ¼ mit Schwefel füllen Reagenzglas in die nicht leuchtende Brennerflamme bringen und unter permanentem Schütteln erhitzen. Beobachtungen notieren: Sobald der Temperaturbereich der 2. flüssigen Modifikation erreicht ist, den flüssigen Schwefel durch umgießen in das Wasser abschrecken, Schwefel herausnehmen und durch auseinanderziehen und die plastischen Eigenschaften demonstrieren. 120° C
150° C
300° C
445° C
S8 → S 8, flüssig → S8, fest → S n, flüssig → S 2 gas + SO2 Restmüll
9
1.4 Stoffe
Ein chemischer Stoff ist Materie regelmäßiger Beschaffenheit, die sich durch die Elementareinheiten, aus denen sie zusammengesetzt ist, definiert. Diese Elementareinheiten können Atome, Moleküle oder Formeleinheiten (etwa bei Salzen) sein. Chemische Stoffe werden durch ihre physikalischen Eigenschaften, wie Dichte, Schmelzpunkt, elektrische Leitfähigkeit etc., charakterisiert.[1] [1] Übersetzt nach: IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic version: http://goldbook.iupac.org/C01039.html, abgerufen am 18. Aug. 2007.
1.4.1 Luft
Reine, trockene Luft Zusammensetzung in bodennahen Schichten
Gas
Volumen-%
Stickstoff Sauerstoff Argon Kohlendioxid Wasserstoff Andere Edelgase
78,08 20,95 0,93 0,034 0,00005 0,00245
www.wetter.com
10
1.4.2 Wasser Charakteristische Eigenschaften •
• • • • • •
Einzige chemische Verbindung auf der Erde, die natürlich in allen drei Aggregatzuständen vorkommt Bedeckt 71 % der Erdoberfläche Chemische Verbindung aus zwei Nichtmetallen Molekül Dipolcharakter (polare Flüssigkeit) Wasserstoffbrückenbindung Grosse Oberflächenspannung Dichteanomalie (bei 4 °C höchste Dichte)
http://de.wikipedia.org
1.4.1 Stoffbegriff – Eigenschaften Stoffe mit ähnlichen Eigenschaften:
•
• •
• •
Metalle ... leiten elektrischen Strom und Wärme gut, sind leicht verformbar, haben im reinen Zustand Oberflächenglanz (erscheinen aber im feinverteilten Zustand schwarz) ... Nichtmetalle ... leiten den elektrischen Strom schlecht ... Salzartige Stoffe ... haben hohe Schmelz- und Siedetemperaturen, leiten als Schmelzen oder Lösungen den elektrischen Strom, sind spröde aber spaltbar ... Leichtflüchtige Stoffe ... haben niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen, ... Makromolekulare Stoffe ... haben oft hohe Schmelz- und Siedepunkte, zersetzen sich aber meist schon bei niedrigeren Temperaturen (Beispiele: Kunststoffe, Proteine, Polysaccharide, DNA)
11
1.4.1.1 Metalle und Nichtmetalle im PS I
II
III
IIII
V
VI
VII
VIII
1 2
1H 3Li
4Be
5B
6C
7N
8O
9F
10Ne
3
11Na
12Mg
13Al
14Si
15P
16S
17Cl
18Ar
4
19K
20Ca
31Ga
32Ge
33As
34Se
35Br
36Kr
5
37Rb
38Sr
49In
50Sn
51Sb
52Te
53I
54Xe
6
55Cs
56Ba
81Tl
82Pb
83Bi
84Po
85At
86Rn
7
87Fr
88Ra
113
114
115
116
117
118
Metalle
2He
Halbmetalle
Nichtmetalle
1.4.2 Stoffbegriff - GefStoffV
1 2 3
4 5 6 7 8 9
Reinstoffe sind einheitlich zusammengesetzt und mit physikalischen Methoden nicht in Bestandteile auftrennbar (Verbindungen oder Elemente). Zubereitungen sind aus mindestens zwei oder mehreren Stoffen bestehende Gemenge, Gemische oder Lösungen Mischungen von Stoffen entstehen wenn Flüssigkeiten mit anderen Flüssigkeiten oder Feststoffen vermischt werden, ohne dass dabei chemische Reaktionen oder Wärmetönungen auftreten Gemenge sind ungeordnete Gemische von beliebigen Reinstoffen in ihrer festen Form Legierungen sind Gemenge aus zwei oder mehr Metallen Amalgame: Lösung von Metallen in Quecksilber Lösungen zeigen bei Ihrer Herstellung häufig Wärmetönungen Dispersionen sind Gemenge aus mindestens zwei Stoffen, die sich nicht oder kaum ineinander lösen oder chemisch miteinander verbinden Emulsionen bestehen aus mindestens zwei miteinander nicht mischbare Flüssigkeiten
12
1.4.3 Stoffbegriff - Verbindungen
Chemisches Element Unter einem chemischen Element versteht man einen Stoff, • der sich chemisch nicht mehr weiter in andere Stoffe zerlegen lässt und • der aus Atomen mit gleichen chemischen Eigenschaften aufgebaut ist.
Chemische Verbindung Unter einer chemischen Verbindung versteht man einen Stoff, • der aus Atomen mehrerer verschiedener Elemente besteht und • einheitliche physikalisch-chemische Eigenschaften wie z.B. Schmelz- und Siedepunkt aufweist.
1.5 Stoffeigenschaften Physikalische Eigenschaften
Chemische Eigenschaften
• • • • • • • • •
• • • •
Farbe, Spektrum Dichte Plastizität, Elastizität, Sprödigkeit Duktilität, Zähigkeit, Kompressibilität Viskosität, Oberflächenspannung Wärmeleitfähigkeit Elektrische Leitfähigkeit Magnetismus, Magnetisierbarkeit optische Aktivität
Brennbarkeit Korrosionsbeständigkeit Löslichkeit Wertigkeit
Physikochemische Eigenschaften • •
Aggregatzustand Schmelztemperatur, Siedetemperatur oder Erweichungsbereich
•
Wärmekapazität
13
1.6 Aggregatzustände Bose-Einstein-Kontinuum
fest
fest
schmelzen verfestigen
sublimieren
flüssig
gasförmig
resublimieren
flüssig
verdampfen
gasförmig
kondensieren
gasförmig
ionisieren
plasmatisch
1.7 Gase •
Charakterisiert durch Druck p, Temperatur T, Volumen V
•
Komprimierbar
•
Ideale Gase: keine Anziehungskräfte, kein Eigenvolumen
• •
Ideales Gasgesetz: p.V = n.R.T R =Gaskonstante = 8,314 J/mol.K
•
Molvolumen eines idealen Gases: 22,4 Liter (0°C, 1 ,01 bar)
•
Gasbehälter: zylinderförmig, kugelförmig, hohe Drücke
Siehe Skript Thermodynamik
14
1.7.1 Gasarmaturen
Farbige Kennzeichnung der Stellteile von Laborarmaturen nach dem Durchflussstoff (DIN 12920) •
Unbrennbare Gase einschl. verbrennungsfördernder Gase
•
Brennbare gasförmige Kohlenwasserstoffe
•
Sonstige Brenngase; Gasgemische
•
Sonstiges http://www.experimentalchemie.de/
Übungsfragen 1
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Was versteht man unter Zubereitungen im Sinne der GefStoffV? Was versteht man unter Mischungen von Stoffen ? Was versteht man unter Gemengen ? Was versteht man unter Legierungen ? Was versteht man unter Lösungen ? Was versteht man unter Dispersionen ? Was versteht man unter Emulsionen ? Wo befinden sich im PS die Metalle ? Was versteht man unter Resublimation ? Was ist ein ideales Gas ?
15
2 Anorganische Chemie
• • •
Säuren und Basen Metalle, Nichtmetalle, Halbmetalle Chemische Reaktionen
2.1 Säuren und Basen
• • • • • • •
Säuren Basen Chemisches Gleichgewicht pH Indikatoren Titration Puffer
16
2.1.1 Säure Begriff Arrhenius : Eine Säure ist ein Stoff, der in wässriger Umgebung Protonen abgibt.
HClaq H+aq + Cl-aq
HCl Brönsted : Alle Ionen-Dissoziation, in denen Protonen beteiligt sind, können als Säurereaktionen betrachtet werden.
Farbumschlag Lackmus
Lewis : Säuren sind Elektronenpaarakzeptoren.
neutral: violett
sauer: rot
2.1.1.1 HCl Elektronenstruktur
H+
Cl-
Kation
Anion
H: s1 Cl: s2 p5
17
2.1.2 Säureeigenschaften 1
Säuren reagieren mit unedlen Metallen
HClaq H+aq + Cl-aq
Zn + 2 HCl aq Zn2+ + H2 + 2 Cl-aq Starke Säure hoher Dissoziationsgrad HCl, H2SO4, ca. 80 % Cl-aq Schwächere Säuren geringer Dissoziationsgrad H2S aq , CH3COOH aq ca < 1 % CH3COO- aq
Säuren neutralisieren Basen in einer Neutralisationsreaktion, dabei entsteht Salz and Wasser H+aq + Cl-aq+ Na+aq + OH-aq H2O + NaCl aq H+ + H-
H2
2.1.3 Säureeigenschaften 2 Säuren schmecken sauer Gleichgewichtsreaktion HClaq H+aq + Cl-aq Sauere Lösungen sind Elektrolyte H+aq + H2O H3O+aq Eigenschaften: ätzend hautreizend
Nichtsauerstoffhaltige Säuren Nichtmetallhydrid + H2O Säure Chlorwasserstoff HClaq Schwefelwasserstoff H2Saq Sauerstoffhaltige Säuren Nichtmetalloxide + H2O Säure Schwefelsäure H2SO4 Salpetersäure HNO3 Metalloxid + H2O Mn2O7 + H2O
Säure 2 HMnO4
18
2.1.4 Base Begriff Arrhenius : Eine Base ist ein Stoff, der in wässriger Umgebung HydroxydIonen abgibt.
NaOHaq Na+aq + OH-aq
NaOH
Brönsted : Alle Ionen-Dissoziation, in denen Hydroxyd-Ionen beteiligt sind, können als Basereaktionen betrachtet werden.
Farbwechsel Lackmus
Lewis : Basen sind Elektronenpaardonatoren
neutral: violett
basisch: blau
Test 1 Zeichnen und Erläutern Sie KOH in der Elektronenpaarstrichschreibweise !
? K: s1 H: s1 O: s2 p4
K+
O-H-
Kation
Anion
19
2.1.5 Baseeigenschaften
Basen denaturieren Proteine Basen schmecken bitter
Base = Metallhydroxid Unedeles Metall + H20
Starke Basen Hoher Dissoziationsgrad BaO, NaOH Ba(OH)2,aq Ba2+aq + NaOHaq Na+aq +
Na + H2O
Metallhydroxid + H2 NaOH + ½ H 2
Metalloxid + H20
Metallhydroxid
BaO + H2O
Ba2+ + 2 OH-
OH-
2 aq OH-aq
Schwache Basen schwacher Dissoziationsgrad NH3,aq NH3 + H2O NH4+ + OH-
Andere Eigenschaften: basische Lösungen sind Elektrolyte, haben ätzende und hautreizende Eigenschaften
Test 2 Ist NH3 eine Säure oder eine Base ?
? N H
H
H
N: s2 p3 H: s1
NH3 + H2O NH4+ + OH-
20
2.2 Gleichgewichtskonstante (reversible) chemische Reaktion
aAaq + bBaq
k→ cCaq + dDaq k←
k→ [C]c ⋅[D]d K= = k← [ A]a ⋅[B]b A,B: Edukte C,D: Produkte [A] = molare Konzentration von A [C] = molare Konzentration von C k = Geschwindigkeit der Hinreaktion K = Gleichgewichtskonstante
a,b = mol Edukte c,d = mol Produkte [B] = molare Konzentration von B [D] = molare Konzentration von D k = Geschwindigkeit der Rückreaktion
2.2.1 Reaktionsgeschwindigkeit
aAaq + bBaq
k→ cCaq + dDaq k←
Reaktionsgeschwindigkeit
−
d[B] d[ A] =− = k→ ⋅[ A] dt dt Reaktionskinetik 1. Ordnung
21
2.2.2 Massenwirkungsgesetz
k→ cCaq + dDaq k←
aAaq + bBaq
k→ [C]c ⋅[D]d K= = k← [ A]a ⋅[B]b Chemisches Gleichgewicht: K gibt an wie viele Eduktmoleküle auf wie viele Produktmoleküle kommen. Gleichgewichtskonstante K, Temperaturabhängig Folge des chemischen Gleichgewichts: auftretende Konzentrationen sind nicht unabhängig voneinander
2.3 Säurekonstante H 3O + aq + A− aq
HAaq +H 2O
Starke Säure KS gross pKS klein
[H O ]⋅ [A ] K= +
−
3
[HA]⋅ [H 2O]
K S =K ⋅ [H 2O ] = pK S =− log K S
[H O ]⋅ [A ] +
3
[HA]
−
Säure
pKS
CH3COOH H3PO4 H2PO4HPO42-
4,76 2,16 7,21 12,32
22
2.4 Basekonstante HB + aq +OH − aq
Baq + H 2O
Starke Base: KB gross pKB klein
[HB ]⋅ [OH ] K= +
−
[B ]⋅ [H 2O ]
K B =K ⋅ [H 2O ] =
[HB ]⋅ [OH ] +
−
[B ]
pK B =− log K B
Base
pKB
CH3COOH2PO4HPO42PO43-
9,24 11,84 6,79 1,68
2.5 Säurestärke Sehr starke Säuren: Starke Säuren: Mittelstarke Säuren: Schwache Säuren: Sehr schwache Säuren:
HClO4, HCl, H2SO4,.. H2SO3, H2PO4,HNO3,... CH3COOH, HClO,... HCN, H2SiO4,H2O2,... H2O,...
Protolyse in 1 m Lösungen bei 18°C HNO3 HCl CH3COOH KOH NaOH
82 % 78 % 0,4 % 77 % 73 %
23
2.6 pH-Werte Ampholyt: H2O H+ + OH2 H2O H3O+ + OHNeutrales Wasser: T = 25 °C: [H3O+] = [OH-] = 10-7 mol / l Ionenprodukt des Wassers: [H3O+] x [OH-] = 10-14 mol2 / l2
pH-Wert: pH = - log [H3O+] pOH = - log [OH-] pH + pOH = 14 Neutrales Wasser: [H3O+] = 10-7 mol / l
pH = 7
Saures Wasser: [H3O+] = 10-2 mol / l pH = 2 Basisches Wasser: [H3O+] = 10-10 mol / l
pH = 10
Test 3 Was ist der pH-Wert der folgenden Lösungen ?
? 10-3 10-1 0,3 1
m HCl m HCl m HCl m HCl
pH = 3 pH = 1 pH = 0,52 pH = 0
24
Test 4 Was ist der pH-Wert der folgenden Lösungen ?
? 10-3 10-1 0,3 1
m NaOH m NaOH m NaOH m NaOH
pH = 11 pH = 13 pH = 13,47 pH = 14
[H3O+] x [OH-] = 10-14 mol2 / l2 pH + pOH = 14
2.6.1 pH-Beispiele
25
2.7 Starke und schwache Säuren [ H 3O + ] = [ A− ] = [HA]0
Starke Säuren
⇒ pH = pK s Schwache Säuren
[ H 3O + ] = [ A− ] ≠ [ HA]0 ⇒ pH = 1 2 ( pK s −log[HA]0 )
2.7.1 Beispiele
pKs
CH3COOH
4,76
1 m CH3COOH
10-3 m CH3COOH
pH = 0,5 * (4,76 – 0) = 2,38
pH = 0,5 * (4,76 +3) = 3,88
1 m HCl
10 -3 m HCl
pH = 0
pH = 3
26
2.8 Starke und schwache Basen [ HB + ] = [OH − ] = [ B ]0
Starke Base
⇒ pOH = pK B Schwache Base
[ HB + ] = [OH − ] ≠ [ B]0 ⇒ pOH =
1
2
( pK B − log[B ]0 )
2.8.1 Beispiele
pKB
H2PO4-
11,84
1 m H2PO4-
10-3 m H2PO4-
pH = 14 - 0,5 * (11,84 - 0) = 8,08
pH = 14 - 0,5 * (11,84 + 3) = 6,58
1 m NaOH
10 -3 m NaOH
pH = 14
pH = 11
27
2.9 Korrespondierende Säuren und Basen
HNO3 + H 2O Säure
Base
−
NO3 + H 3O + konjugierte Base
konjugierte Säure
2.9.1 Beispiele Starke Säure HCl H2SO4 H3O+ HSO4HF NH4+ H2O
Schwache Base Salzsäure Schwefelsäure Oxoniumion Hydrogensulfation Flusssäure Amoniumion Wasser
Abnehmende Stärke
Chloridion Hydrogensulfation Wasser Sulfation Fluoridion Amoniak Hydroxylion
ClHSO4H2O SO42FNH3 OH-
Zunehmende Stärke
28
2.9.2 Gleichgewichtsbetrachtungen
HAaq +H 2O
H 3O + aq + A− aq
A− aq +H 2O
HAaq +OH − aq
KS = KB
[H O ]⋅ [A ] +
−
3
[HA] [HA]⋅ [OH − ] =
[A ] = [H O ]⋅ [OH ] = 10 −
KS ⋅ KB
+
3
−
−14
mol 2 l2
pK S + pK B = 14
2.10 Nachweis
Indikator = Rote-Beete-Konzentrat
29
2.10.1 Farbindikatoren Indikator Lackmus Thymolblau Methylorange Methylrot Thymolphtalein Phenolphtalein
Säure rot rot rot/orange rot farblos farblos
Neutral violett gelb
Base blau blau gelb gelb blau pink
OH
O
Phenolphtalein + 2 NaOH
HO C
O
Na+O-
+ 2 H2O C
C
O- Na+ C
O
O
2.10.2 pH Indikatortabelle
30
2.10.3 Methyl Orange
Gelbe Form
Rote Form O
N
H3 C
N
OH S O
O
N
N
CH3
H3C
N
O S O
N
CH3
2.11 Organische Säuren O
O R
OH
Ameisensäure Essigsäure Buttersäure Benzoesäure Phenol
R
O
+
+
H
HCOOH CH3COOH C3H7COOH C6H5COOH C6H5OH
31
Test 5
?
Wie stellt man eine 2m NaOH Lösung her ?
= 1 mol / l 1 m NaOH 1 mol NaOH = 22,9898 + 15,9994 + 1,00797 = 39,997 g 2 m NaOH = 79,994 g / 1 l 79,994 g in einen Kolben und auf 1 Liter auffüllen
2.11 Puffer Ein Puffersystem: Stoffgemisch, dessen pH-Wert sich bei Zugabe einer Säure oder Base wesentlich weniger stark ändert, als dies in einem ungepufferten System der Fall wäre, z.B. Humus in Verbindung mit Grundwasser, oder Blut.
[ H 3O + ] ⋅ [ A− ] [ HA ] KS = ⇒ [ H 3O + ] = K S ⋅ −0 [ HA0 ] [A ] pH = pK s − log
[ HA0 ] [ A− ]
z.B. schwache Säure und dazugehöriges Salz wie CH3COOH / CH3COONa
32
2.11.1 Das Puffersystem Blut O2
Lunge
CO2 H2O
Erythrocyte
pH =
H+ HbH+ HbO2 Vene
7,4 + 0,5
Puffer:
3 Arterie HCO HCO3-
HCO3Protein PO43-
HbH+ HbO2
24 mmol.l-1 22 mmol.l-1 2 mmol.l-1
H+ Erythrocyte H2O O2
Körperzellen
CO2
2.12 Chemische Reaktionen Stoffumwandlungen
Photoreaktionen Grenzflächenreaktionen (z.B. an Katalysatoren) Polymerisationsreaktionen Additionsreaktionen Kondensationsreaktionen
Redoxreaktionen Ausgangsstoffe Edukte
1 O2 +
Endstoffe Produkte
1C
1 CO2
Mengenangaben in Mol
33
2.12.1 Redoxreaktionen Elektronenverschiebungen
H2 + 1/2 O2
H2O
Na +
1/
2
H2 NaH
Ca + 1/2 O2
CaO
B
3/
2
H2 BH3
S
SO2
Sr + H2
+ O2
Elektronenabgabe = Oxidation
+
SrH2
Elektronenaufnahme = Reduktion
2.12.1.1 Redox Beispiele
Oxidation von Fe und C Oxidationsmittel
2 Fe
+
3/
C
+
O2
2
O2
Fe2O3
CO2
Reduktion von Silikat Reduktionsmittel
SiO2
+
C
Si + CO2
34
2.12.2 Oxidationsstufen
Ladungszahl
elektrische Ladung des Ions
K+, Ca2+ , Ca++, Fe3 +, Fe+++
, Cl-, SO42-, SO4--, PO43-, PO4---
Oxidationszahl
Oxidationsstufe:
Stoffe aus einem Element einatomige Ionen
Oxidationszahl = 0 Oxidationszahl = Ladungszahl
Sauerstoff in Peroxiden
Oxidationszahl = -1 z.B. H-O-O-H
2.12.3 Bestimmung der Oxidationszahlen
Ausnahmen vorhanden?
ja
Ermitteln von Element 1 mit ENmax Oxidationzahl (Element 1) = - Wertigkeit Ermitteln von Element 2 mit ENmin Oxidationzahl (Element 2) = + Wertigkeit Mehr als 2 Atomsorten"
ja
Summe aller Oxidationszahlen = Molekül-Ladung
Oxidationzahl (Element 3) = Differenz
35
2.12.3.1 Oxidationszahlen Beispiele 1 +1
-1
+3
-1
+1
-2
+1 +5 -2
HCl
FeCl3
H2O
H3PO4
+1
+1
+3
+1 +3 -1
-1
-1
NaCl NaH 0
+1
C60
-1
H2O2
-1
BH3
NaBH4
+1 +2 -3
+8/3
HCN
Fe3O4
-2
2.12.3.1 Oxidationszahlen Beispiele 2 Unterschiedliche Oxidationsstufen eines Atoms +1 +7
-2
+4
-2
+2
+4
-2
KMnO4
MnO2
MnCO3
K-Permanganat
Braunstein
Manganspat
+1 +6
+1 +4
+1
-2
-2
-2
H2SO4
H2SO3
H2S
Schwefelsäure
schweflige Säure
Schwefelwasserstoff
36
2.13 Nomenklatur in der anorganischen Chemie Anzahl Vorsilbe (Präfix)
Elementname
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Verbindungsname
mono- oder hendi tri tetra penta hexa hepta octa nona deca undeca dodeca
Nomenklaturname IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry Beispiele: P4S7 Tetraphosphorheptasulfid CrO3 Chromtrioxid CH2Cl2 Dichlormethan
Trivialname
2.13.1 Anionen der Wasserstoffsäuren HCl H+ + Cl -
Chlorid
Endung –id
7. Hauptgruppe (Halogenide) Fluorid (F-), Chlorid (Cl-), Bromid (Br-), Iodid (I-) Beispiel: SF6 Schwefelhexafluorid 6. Hauptgruppe Oxid (O2-), Sulfid (S2-), Selenid (Se2-) Beispiel: Na2S Natriumsulfid 5. Hauptgruppe Nitrid (N3-), Phosphid (P3-) Beispiel: Na3N Natriumnitrid 4. Hauptgruppe ... Beispiel: SiC Siliciumcarbid
37
2.13.2 Sauerstoffsäuren (Oxosäuren) und Anionen 1 Elementsäuren (-at) 7. Hauptgruppe: Halogensäure HXO3 6. Hauptgruppe: Elementsäure H2XO4 5. Hauptgruppe: Elementsäure H3XO4
z. B. Chlorsäure
HClO3 Anion Chlorat
(ClO3-)
z. B. Schwefelsäure
H2SO4 Anion Sulfat
(SO42-)
z. B. Phosphorsäure H3PO4 Anion Phosphat Ausnahme: Salpetersäure
(PO43-);
z. B. Kohlensäure
H2CO3 Anion Carbonat
(CO32-)
z. B. Borsäure
H3BO3 Anion Borat
(BO33-)
4. Hauptgruppe: Elementsäure H2XO3 3. Hauptgruppe: Elementsäure H3XO3
2.13.3 Sauerstoffsäuren (Oxosäuren) und Anionen 2 Per-säuren (per…-at) 7. Hauptgruppe: Perhalogensäure HXO4
zusätzliches Sauerstoffatom
z. B. Perchlorsäure HClO4 Anion Perchlorat (ClO4)-
„Elementige“ Säuren (-it) Salpetrige Säure HNO2 Chlorige Säure HClO2 Schweflige Säure H2SO3
ein Sauerstoffatom weniger Anion Nitrit (NO2)Anion Chlorit (ClO2 )Anion Hydrogensulfit (HSO3) -
„Hypoelementige“ Säuren (hypo…-it) Hypochlorige Säure HClO
zwei Sauerstoffatome weniger Anion Hypochlorit (ClO) -
38
2.13.4 Trivialnamen 1
Es haben sich Trivialnamen für Chemikalien eingebürgert Trivialname Salzsäure Salpetersäure Königswasser Flusssäure
Chemische Formel HCl HNO3 HNO3 + HCl (1:3) HF
Systematische Namen werden von IUPAC vergeben
2.13.4 Trivialnamen 2 Trivialname (Ortho) Ätzkali Ätzkalk Backpulver Bittersalz Bullrichsalz Chilesalpeter Estrichgips Fixiersalz gebrannter Kalk gelöschter Kalk Gips Glaubersalz
IUPAC-Name Kieselsäure Kaliumhydroxid Calciumoxid Natriumhydrogencarbonat Magnesiumsulfat Natriumbicarbonat Natriumnitrat Calciumsulfat/ Calciumoxid-Gemisch Natriumthiosulfat Calciumoxid Calciumhydroxid Calciumsulfat Natriumsulfat
Chemische Formel H2SiO4 KOH CaO NaHCO3 MgSO4 NaHCO3 NaNO3 CaSO4 + CaO Na2S2O3 CaO Ca(OH)2 CaSO4 Na2SO4
39
2.13.5 Trivialnamen 3 Trivialname Hirschhornsalz Höllenstein Kochsalz Kreide Kupfervitriol Marmor Mennige Natriummetabisulfit Natronsalpeter Soda Speisesalz Waschsoda Zinkvitriol Zyankali
IUPAC-Name Ammoniumcarbonat Silbernitrat Natriumchlorid Calciumcarbonat Kupfersulfat Calciumcarbonat Blei(II,IV)-oxid Natriumdisulfit Natriumnitrat Natriumcarbonat Natriumchlorid Natriumcarbonat Zinksulfat Kaliumcyanid
chemische Formel (NH4)2CO3 AgNO3 NaCl CaCO3 CuSO4 CaCO3 Pb3O4 Na2S2O5 NaNO3 Na2CO3 NaCl Na2CO3 ZnSO4 KCN
Übungsfragen 2 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
Was ist eine LEWIS Base ? Was ist eine LEWIS Säure ? Ist Wasser eine Säure oder eine Base ? Was ist der pH Wert einer o.ooo1 m HCl (NaOH)? Welches ist die korrespondierende Base zu H3PO4 ? Welcher Indikator ist für NaOH geeignet ? Wie funktionieren chemische Puffer ? Was ist eine Reduktion Ordnen Sie die Oxidationszahlen den Atomen in folgenden Verbindungen zu: Na + H2O NaOH + ½ H 2 Welche Atome werden bei der Reaktion unter 9, reduziert und welche werden oxidiert ? Was ist Königswasser Welches Strukturelement haben Chlorate ? Was ist die IUPAC
40
Weblinks
http://de.wikipedia.org/wiki/Knallgasreaktion http://www.old.unibayreuth.de/departments/didaktikchemie/experimente.htm http://www.experimentalchemie.de/07-b-03.htm#rezension http://www.iupac.org/index_to.html
3 Organische Chemie
Chemie der Kohlenstoffverbindungen C: 1s22s22p2 • • C • • • •
• C •
Einfachbindungen
CH4
Methan
Doppelbindungen
2HC=CH2
Ethylen (Ethen)
41
Test 6 Welches sind die Elektronenkonfigurationen ? H
N
?
O
F
3.0 Elektronenpaare
Unter einem Elektronenpaar versteht man zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin, die dasselbe Atom- oder Molekülorbital besetzen. Aufgrund des Pauli-Prinzips können Elektronen im Atoms (genauer: innerhalb eines elektronisch abgeschlossenen Systems) nicht in allen Quantenzahlen übereinstimmen. Pro Orbital, definiert durch Hauptquantenzahl, Nebenquantenzahl und magnetische Quantenzahl sind daher höchstens zwei Elektronen mit unterschiedlicher Spinquantenzahl möglich. Man unterscheidet zwischen bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren
42
3.0.1 Elektronenpaarschreibweise
Elektronenpaare werden als Striche angegeben bindende Elektronenpaare nichtbindende Elektronenpaare Einzelne Elektronen werden als Punkte angegeben H ⋅ + ⋅H
→ H −H
H2
| NM + MN | → | N ≡ N | O: + :O
→
N2
O=O
O2
| F ⋅ + ⋅F | → | F − F |
F2
3.0.2 Modell der Elektronenpaarabstoßung •
•
Elektronenpaare = Raumladungswolken – symbolisiert in der Elektronenpaarschreibweise Elektronenpaarabstoßung – COULOMB-Abstoßung zwischen Elektronenpaaren – maximales Ausweichen – maximale Raumausfüllung
Siehe Skript Bindungslehre
H H
C
H
H
43
3.0.2.1 2 Bindungspartner
Bei Einfach- und Doppelbindungen ! AB2, z.B. CO2 2-wertig linear ∠180°
3.0.2.2 3 + 4 Bindungspartner
AB3, z.B. BF3 3-wertig trigonal ∠ 120°
AB4, z.B. CH4 , SiH4 4-wertig tetragonal ∠ 109,5 °
44
3.0.2.3 5 + 6 Bindungspartner
AB5, z.B. PF5 5-wertig trigonal bipyramidal
AB6, z.B. SF6 6-wertig oktaedrisch
3.1 Systematik organischer Verbindungen C,H,N,O,S
Kohlenwasserstoffverbindungen
acyclisch gesättigt
alicyclisch ungesättigt
gesättigt
ungesättigt
z.B.
z.B.
Doppelbindung, z.B. CH2 H3C
H2C CH2
CH3 CH2
H2C
CH2
Dreifachbindung, z.B. HC
CH
H2C
CH2 H2C
CH2
H2C
CH2 CH2
H2C
CH
H2C
CH H2C
mit Doppel- oder Dreifachbindung
45
3.1.1 Gesättigte Kohlenwasserstoffe Alkane CnH2n+2 Paraffine
Methan BP: -164°C (RT: g) Erdgas Faulgas
Ethan BP: -88,6°C (RT: g)
Propan BP: -42,1°C (RT: g)
Gesättigte Kohlenwasserstoffe haben keine Doppelbindungen
3.1.1.1 n-Alkane
G G G G L L L L L L ... S
Methan Ethan Propan n-Butan n-Pentan n-Hexan n-Heptan n-Octan n-Nonan n-Decan
CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3[CH2]2CH3 CH3[CH2]3CH3 CH3[CH2]4CH3 CH3[CH2]5CH3 CH3[CH2]6CH3 CH3[CH2]7CH3 CH3[CH2]8CH3
Siedepunkt um so höher, je länger die Kette d.h. je stärker die v.d.Waals Wechselwirkungen
n-Hexadecan CH3[CH2]14CH3
46
3.1.1.2 Eigenschaften der n-Alkane C Name Summenformel Flammpkt. Schmelzpkt. Siedepkt. Dichte 1 Methan CH4 - 90,65 °C 111,4 °C 0,667 kg/m³ 2 Ethan C2H6 - 90 °C 185 K 1,212 kg/m³ 3 Propan
C3H8
1,83 kg/m³ 4 n-Butan C4H10 5 n-Pentan C5H12 6 n-Hexan C6H14 7 n-Heptan C7H16 8 n-Octan C8H18 9 n-Nonan C9H20 10 n-Decan C10H22
?
- 85 °C
231 K
?
- 135 K 224 K 144 K 250 K 178 K 269 K 182 K 289 K 216 K 304 K 222 K http://de.wikipedia.org/wiki/Alkane 319 K 243 K
272,5 K 309 K 342 K 371 K 399 K 424 K 447 K
2,703 kg/m³ 0,626 g/cm³ 0,659 g/cm³ 0,684 g/cm³ 0,718 g/cm³ 0,733 g/cm³ –
Vorkommen von Alkanen
47
3.1.1.3 „Organische Reste“ •
Bezeichnung für einen Molekülrest (Radikal), der z.B. durch Abspaltung eines H-Atoms entsteht: CH4 H• + • CH3 Methyl rest C2H6 H• + • C2H5 Ethyl rest C3H8 H• + • C3H7 C4H10 H• + • C4H9 C6H12 H• + • C6H11 Cyclohexan CH3
Methylcyclohexan
3.1.1.4 Iso- und Neo-Alkane Name
Isomerenzahl
Strukturisomere gleiche C-Zahl gleiche H-Zahl verzweigte Alkane mit einer Methylgruppe an Position 2 vom Kettenende her werden als iso-Alkane, solche mit zwei Methylgruppen an dieser Stelle werden als als neo-Alkane bezeichnet
Methan Ethan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan
1 1 1 2 3 5 9 18 35 75
48
3.1.1.5 n-Butan und Isobutan
Isomer
Schmelzpunkt Siedepunkt
n-Butan Iso-Butan
−138,3 °C −159,42 °C
−0,5 °C −11,7 °C
Dichte 2,71 kg/m³ 2,70 kg/m³
?
3.1.1.6 Verzweigte Alkane 1
Zeichnen Sie die 9 Isomere des Heptans und benennen Sie sie ! n-Butan
4,6 - Dimethyldecan
n-Hexan
2-Methylpropan „Isobutan“
Cyclohexan
49
3.1.1.7 Verzweigte Alkane 2
n-Octan
„organische Reste“ -yl methyl... R = CH3 ethyl... R = C2H5 propyl... R = C3H7 phenyl R = C6H5 ...
2-Methylheptan
2,2-Dimethylhexan
2,2,4-Trimethylpentan "Isooctan"
3-Methylheptan
2,5-Dimethylhexan
2,2,3,3-Tetramethylbutan
Test 7 Benennen Sie die folgenden Verbindungen:
50
Test 8 Benennen Sie die folgenden Verbindungen:
•
•
•
3.1.2 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe Alkane
Olefine
CH4 Methan
Alkene
Alkine
C2H6 Ethan
C2H4 Ethen
C2H2 Ethin
C3H6 Propen
C3H4 Propin
C4H10 Butan
C4H8 Buten
C4H6 Butin
C5H12 Pentan
C5H10 Penten
C5H8 Pentin
C3H8 Propan
"Crack-Prozeß"
Reaktionsfreudige Verbindungen mit Doppelbindungen
51
3.1.2.1 Ethen = Ethylen
H H
H H
• • • • •
Ethen, (Ethylen, veraltet: Äthen bzw. Äthylen) farbloses, süßlich riechendes Gas Ausgangsstoff für PE (Polyethylen), Schädlingsbekämpfungsmittel und Senfgas Pflanzenhormon (Phytohormon), regt zur Fruchtreifung an narkotische Wirkung
3.1.2.2 Alkene
1-Hepten
1,3 – Heptadien
1,5 – Heptadien
1,6 – Heptadien
1,3,5 - Heptatrien
52
3.1.2.3 Ethin = Acetylen
H H • • • • • • •
Ethin (Trivialname Acetylen oder Azetylen) farbloses Gas Schweißgas, Industriechemikalie ungiftig Hochentzündlich, Zündtemperatur: bei ND 305 °C bildet mit Luft explosive Gemische Bildet mit Cu hochexplosives Cu-Acetylid
3.1.2.4 Alkine
1-Heptin
1,3 – Heptadiin
1,5 – Heptadiin
1,6 – Heptadiin
1,3,5 - Heptatriin
53
3.1.3 Nomenklaturregeln Hauptkettenbestimmung bei verzweigten acyclischen Kohlenwasserstoffen Die Hauptkette (Stammsystem) ist jene Kette, welche • • • • • • • • •
die größte Zahl an Mehrfachbindungen enthält bei Mehrdeutigkeit von (1): die größere Zahl von C-Atomen enthält bei Mehrdeutigkeit von (2): die größere Zahl von Doppelbindungen enthält bei Mehrdeutigkeit von (3): den niedrigsten Lokantensatz für die Mehrfachbindungen hat. bei Mehrdeutigkeit von (4): den niedrigsten Lokantensatz für die Doppelbindungen hat. bei Mehrdeutigkeit von (5): die größere Zahl von Substituenten hat. bei Mehrdeutigkeit von (6): den niedrigsten Lokantensatz für die Substituenten hat. bei Mehrdeutigkeit von (7): den alphabetisch geordnet ersten Substituenten hat. bei Mehrdeutigkeit von (8): den niedrigsten Lokanten für den alphabetisch ersten Substituenten hat.
Bei cyclischen Systemen ohne Heteroatomen ist meist der Cyclus das Stammsystem.
3.1.4 Kohlenwasserstoffe mit einer funktionellen Gruppe R-X R = organischer Rest R=H R = CH3 R = C2H5 R = C3H7 R > C16
X = funktionelle Gruppe X = OH Alkohole X = COOH Carbonsäuren X = CHO Aldehyde X = CO Ketone X = NH2 Amine
54
3.1.4.1 Alkohole
Alkan Methan Ethan Propan n-Butan n-Pentan n-Hexan n-Heptan n-Octan
CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3[CH2]2CH3 CH3[CH2]3CH3 CH3[CH2]4CH3 CH3[CH2]5CH3 CH3[CH2]6CH3
Alkohol
R-OH
Methanol Ethanol Propanol Butanol Pentanol Hexanol Heptanol Octanol
CH3OH C2H5OH C3H7OH C4H9OH C5H11OH C6H13OH C7H15OH C8H17OH
3.1.4.1.1 Beispiele
HO
•
Ethanol
• • •
Isopropanol Andere Bezeichnung: 2-Propanol Verwendung: Lösungsmitttel, Desinfektionsmittel, Reinigungsmittel, Frostschutzmittel
OH
55
3.1.4.1.2 Ethanol zum Festtag BP 78,3 °C
Getränk
Alkoholgehalt
Bier Weißwein Rotwein Sekt Eierlikör Whisky Obstbrand Rum, Arrak
3 10 10 10
- 6 - 12 - 13 - 14 20 43 40 54
% % % % % % % %
3.1.4.1.3 Katzenjammer & Ernüchterung O • Gegen Katzenjammer OH – Aspirin (Acetylsalicylsäure) O – Alka Seltzer (Acetylsalicylsäure + O Citronensäure + NaHCO3) • Geringere Wirkung – gleichzeitige Einnahme von Fruchtzucker ,Vitamin , sowie Mineralstoffen – rasche Ernüchterung durch Einspritzen von 50 - 100 mg Vitamin B6 • gegen Trunksucht – Abstinyl: (0,2 - 1,5 g Tetraethyldithiuramdisulfid) (C2H5)2NC(S)-S-S-C(S)N(C2H5)2
56
3.1.4.1.4 Alkohol & Verkehr
1 0/00
bedeutet: 1 g Alkohol in 1 Liter Blut
Blutalkoholgehalt 0,6 - 0,9 0,5 - 0,8 0,8 ab 0,9 2,5- 3,5
Auswirkung
0/ 00 0/ 00 0/ 00 0/ 00 0/ 00
Erhöhung d. Reaktionszeit geringere Fahrtüchtigkeit Grenze der Fahrunfähigkeit Fahrunfähigkeit Erschöpfungszustände Bewußtlosigkeit
3.1.4.1.5 Der Alkoholtest
Henry`s Gesetz: cBlutalkohol ~ c Alkohol cBlutalkohol [0/00 ]
im Atem
= 330 x c Alkohol
im Atem
[ mg/l ]
Röhrchen besteht aus Kieselsäuregel, imprägniert mit Chromatschwefelsäure: Cr2O72- (gelbe Farbe) Test: 8 H+ + Cr2O72- + 3 C2H5OH 3 CH3CHO + 2 Cr3+ + 7 H2O gelb grün
57
3.1.4.1.6 Weinherstellung 1
1/2 kg Trauben pressen Gramm Traubensaft ermitteln GT Volumen Traubensaft ermitteln VT Traubensaft + 11/2 fache Menge Leitungswasser 1/3 GT Gramm Zucker hinzufügen
Reinhefe zufügen
Kalkwasser
3.1.4.1.7 Weinherstellung 2
mehrer Tage bei 15-25 ° Trübung, CO2 - Entwicklung Gärung C12H22O11 + H2O C6H12O6 + H2O
Kalkwasser
4 C2H5OH + 4 CO2 2 C2H5OH + 2 CO2
Nach einigen Wochen... Klärung... 1 kg Zucker ergibt 1/2 l Alkohol
58
3.1.4.1,8 Weinklassifizierung nach dem Weingesetz von 1971 Qualitätsstufe
Qualitätswein Qualitätswein mit Prädikat Kabinett Spätlese Auslese Beerenauslese Trockenbeerenauslese
Dichte des Traubensaftes (Mindestwerte) °Oechsle g/cm 3 60
1,060
73 85 95 125 150
1,073 1,085 1,095 1,125 1,150
3.1.4.2 Carbonsäuren 1
R-COOH R = organischer Rest R=H Methansäure R = CH3 Ethansäure R = C2H5 Propansäure R = C3H7 Butansäure R > C16 langkettige Alkansäuren
nicht bindende Paare einzeichnen Ameisensäure Entkalker Essigsäure Haushaltsreiniger Propionsäure Buttersäure ranziges Fett = Fettsäuren
59
3.1.4.2.1 Carbonsäuren 2 R-COOH • Dicarbonsäuren Oxalsäure in Rhabarber, Stachelbeeren, etc. • Hydroxycarbonsäuren
Milchsäure
Citronensäure
Weinsäure
3.1.4.3 Carbonsäureester OR´
R-COOR‘ Carbonsäureester R-CO-OR´ Zusammensetzung :
O
R
Säureproton wird durch weiteren organischen Rest ersetzt Fruchtaromastoffe
• Anwendungen : • Reaktionen Veresterung : Carbonsäure + Alkohol / Säure Verseifung : Carbonsäureester + Base
Carbonsäureester + Wasser Carbonsäure + Alkohol
60
3.1.4.4 Aldehyde & Ketone R-(CO)-H, R-(CO)-R‘ Aldehyde : R-(CO)-H • Zusammensetzung : OH-Gruppe einer Carbonsäure wird durch ein H-Atom ersetzt • Anwendungen : Kunststoffindustrie • Beispiel: Formaldehyd R = H
R
O
H
R´ Ketone : R-(CO)-R´ • Zusammensetzung : OH-Gruppe einer Carbonsäure wird durch einen Rest R´ ersetzt • Anwendungen : Duftstoffe, " Blume " beim Wein • Beispiel: Aceton H3C-CO-CH3
O R
3.1.4.5 Säurehalogenide & Säureamide Cl
R-(CO)-Cl, R-(CO)-NH2
O
R O
R
NH2
Carbonsäurehalogenide • Zusammensetzung: : • Anwendungen: : • Beispiel: :
: R-(CO)-Cl OH-Gruppe wird durch Cl-Atom ersetzt Reaktionsmittel in der chem.Industrie Acetylchlorid R = CH3
Carbonsäureamide : • Zusammensetzung : • Anwendungen : • Beispiel :
R-(CO)-NH2 OH-Gruppe wird durch NH2 -Gruppe ersetzt Reaktionsmittel in der chem.Industrie Harnstoff R = NH2
61
3.1.4.6 Ether R-O-R‘ Ether • R = R‘ = Methyln CH3 • R = R‘ = Ethyl CH3CH2 • R = C2H5 R‘ = CH3
R-O-R‘ Dimethylether Diethylether Methylethylether
• Andere Ether
Diethylenglykol HOH2C-CH2-O-CH2-CH2OH Frostschutzmittel
• Anwendungen
Narkosemittel, Lösungsmittel
CH3OCH3 CH3CH2OCH2CH3 C2H5OCH3
3.1.4.7 Amine + Nitrile R
R´´
NR3 , R-CN
N R´
Amine • primäres Amin : • sekundäres Amin : • tertiäres Amin :
NRR‘R‘‘ H R´´ = R´ = H R´´ = H R, R´, R´´ = organische Reste
• Beispiel :
Anilin zur Herstellung von Farbstoffen und Kunststoffen Hochgiftig, Nervengift
Nitrile
R- CN
H N
62
3.1.4.8 Amide & Isocyanate
R‘-(CO)-NRR‘ , R-NCO
R´
O NRR´´
Amide: • Zusammensetzung : • Anwendungen :
R-CO-NRR´ OH-Gruppe einer Carbonsäure wird durch eine Aminogruppe ersetzt Kunststoffindustrie, z. B. Polyamide
Isocyanate: • Anwendungen : • Beispiel :
R-N=CO Kunststoffindustrie, Insektizidherstellung Methylisocyanat, hochgiftig
H3C-N=C=O
3.1.4.9 Aminosäuren N H2 H R
H2N-R-COOH Aminosäuren : • Vorkommen :
• Verwendung :
COOH H2N-CHR-COOH Naturstoffe, Nahrungsbestandteile essentielle Aminosäuren müssen über Nahrung aufgenommen werden Aminosäurederivate als Antibiotika, z.B. Penicillin K H
H3C S H3C H
H3C
H N O
N O
O
O
63
3.1.5 Stereoisomere Isomere: gleiche Summenformel, unterschiedliche Strukturformel Stereoisomere: gleiche Summenformel, gleiche Strukturformel mit unterschiedlicher räumlicher Anordnung Enantiomere: gleiche Summenformel, gleiche Strukturformel Bild und Spiegelbild Diastereoisomere: sind Stereoisomere, die keine Enantiomere sind
3.1.6 Cyclische Kohlenwasserstoffe
• •
Cycloalkane Zucker (Kohlenhydrate)
64
3.1.6.1 Kohlenhydrate: Zucker Cx, H2y, Oy
"Hydrate des Kohlenstoffs"
• Monosaccharide: 5 oder 6 gliedrige Ringe Glucose (Traubenzucker) Weintrauben Pflaumen
α-Glucose
Fructose (Fruchtzucker) Äpfel, Honig,
β-Glucose
3.1.6.2 Galactose • Monosaccharide: 5 oder 6 gliedrige Ringe
Galactose
(Milchzucker)
α-Galactose
β-Galactose
65
3.1.6.3 Saccharose
•
Disaccharide: 2x(5 oder 6 gliedrige Ringe), Saccharose (Rohrzucker) "Zucker"
3.1.6.4 Maltose
•
Disaccharide: 2x(5 oder 6 gliedrige Ringe), α - Maltose (Malzzucker)
66
3.1.6.5 Lactose
•
Disaccharide: 2x(5 oder 6 gliedrige Ringe), (Milchzucker)
β - Lactose
3.1.6.6 Polysaccharide (Biopolymere C6H10O5)n Cellulose
Stärke
67
3.1.6.7 In D zugelassene Zuckeraustauschstoffe VerkehrsEWGbezeichnung Nummer
Summenformel
Mannit
E 421
C6H14O6
chemische (Gebrauchs) bezeichnung D-Mannit
Xylit
E 967
C5H12O5
Xylitol
Sorbit
E 420
C6H14O6
Isomalt
E 953
Maltit-Sirup
E 965
C12H24O11 x H 2O C12H24O11
D-Sorbit, DGlucid Palatinit Oligomere der DGlucose
insulinunabhängige Metabolisierung
Weitere Themen
Kohlenhydrate Fette Vitamine DNS Harnstoff Dopingmittel Drogen
68
3.2 Aromatische Kohlenwasserstoffe Zyklische Kohlenwasserstoffe
aromatisch
heterocyclisch
polycyclisch aromatisch
Grundgerüst
N Benzol
Pyridin
Diphenyl; Phenylbenzol, E 230
Aromaten sind planare, cyclische Moleküle mit konjugierten Doppelbindungen mit besonders günstigen Energieniveaus. Sie unterscheiden sich in chemischen und physikalischen Eigenschaften von den übrigen organischen Verbindungen, den Aliphaten.
3.2.1 Benzol Andere Namen: Benzen CAS-Nummer 71-43-2
Summenformel C6H6 Molare Masse 78,11 g·mol−1
farblose Flüssigkeit mit charakteristischem Geruch Löslichkeit: sehr gut in Benzin und Alkohol, sehr schwer in Wasser: 1,77 g·l−1 Dichte 0,8842 g·cm−3 Schmelzpunkt 5,5 °C Siedepunkt 80,1 °C Dampfdruck 100 hPa (20 °C) Sicherheitshinweise Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I Gefahrensymbole F (Leichtentzündlich), T (Giftig ) R- und S-Sätze R: 45-46-E48/23/24/25-11-36/38-65 S: 53-45 MAK nicht festgelegt, da krebserregend, LD50oral ,Ratte 930 mg·kg–1 WGK 3 – stark wassergefährdend
69
3.2.1.1 Benzolring Das Erstellen der korrekten Strukturformel des Benzols stellte lange Zeit ein Problem dar: Summenformel C6H6 217 Strukturformeln . Da in der systematischen chemischen Nomenklatur die Endung -ol für Alkohole verwendet wird, ist die in Deutschland meist verwendete, historisch bedingte Bezeichnung Benzol irreführend; der Name Benzen wurde von der IUPAC als offizielle Nomenklatur für diesen Kohlenwasserstoff bestimmt.
3.2.2 Mesomerie
Mesomerie (Resonanz): in einem Molekül oder mehratomigen Ion können manchmal die vorliegenden Bindungsverhältnisse nicht durch eine einzige Strukturformel dargestellt werden, sondern nur durch mehrere Grenzformeln. Keine dieser Grenzformeln beschreibt die Bindungsverhältnisse und damit die Verteilung der Elektronen in ausreichender Weise. Die tatsächliche Elektronenverteilung des Moleküls bzw. Ions liegt zwischen den von den Grenzformeln angegebenen Elektronenverteilungen. Dies wird durch den Mesomeriepfeil (Resonanzpfeil) ↔ symbolisiert, der nicht mit dem ein chemisches Gleichgewicht symbolisierenden Doppelpfeil verwechselt werden darf. Der Begriff der Mesomerie wurde 1933 von Christopher Kelk Ingold eingeführt. Ein Beispiel für eine solche mesomere Verbindung ist das Benzol. Auch alle anderen Aromaten sind mesomere Verbindungen.
70
3.2.2.1 Benzol - Bindung
http://de.wikipedia.org
3.2.3 Naphthalin = Benzolderivat • • • • • •
farbloser Feststoff , Summenformel C10H8 sublimiert schon bei Raumtemperatur bicyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff charakteristischer Geruch nach Teer gesundheitsschädlich und umweltgefährlich. (kein) polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffen (PAK) • Früher Bestandteil von Mottenkugeln 1819 vom britischen Chemiker Alexander Garden aus dem Steinkohleteer isoliert. 1866 wurde die Naphthalinformel zum ersten Mal von Emil Erlenmeyer aufgestellt.
71
3.2.4 Anthracen = Benzolderivat • • • • • • • •
farbloser kristalliner Feststoff Summenformel C14H10 sublimiert leicht Flammpunkt liegt bei 121 °C Zündtemperatur bei 538 °C Luftvolumenanteil > 0,6% : explosive Gemische wassergefährdend (WGK 2) Verwendung als Basisstoff für die Herstellung von Gerbstoffen und Schädlingsbekämpfungsmitteln
wurde 1832 zum ersten Mal von Auguste Laurent und Jean Dumas aus dem Teer isoliert.
3.2.5 Toluol = Benzolderivat
CH3
• • • • • • • • • •
IUPAC Namen: Methylbenzen, Toluen Summenformel: C7H8 Trivialnamen: Toluol, Methylbenzol, Phenylmethan, farblose, charakteristisch riechende, flüchtige Flüssigkeit benzolähnliche Eigenschaften aromatischer Kohlenwasserstoff Häufig als Benzolersatz verwendet Bestandteil im Benzin Vorkommen im Erdöl verursacht Nerven-, Nieren- und möglicherweise auch Leberschäden • fortpflanzungsgefährdend sowie fruchtschädigend • wassergefährdend (WGK 2)
72
3.2.6 Trinitrotoluol TNT = Benzolderivat
CH3 NO2
O2N
NO2
• IUPAC Nomenklatur: 1-Methyl-2,4,6Trinitrobenzen • Summenformel C7H5N3O6 • hellgelbe, nadelförmige Kristalle • Sprengstoff • Mit seinem niedrigen Schmelzpunkt von 80,8 °C lässt sich TNT in Wasserdampf schmelzen und kann in Formen gegossen werden • Giftig, bei Hautkontakt allergische Reaktionen • färbt die Haut leuchtend gelborange • R-Sätze: R 2-23/24/25-33-51/53 • S-Sätze: S(1/2-)35-45-61 [1]
3.2.6.1 TNT Äquivalent •
Das TNT-Äquivalent ist eine nicht SI-konforme, aber weiterhin gebräuchliche Maßeinheit für die gesamte bei einer Explosion freiwerdende Energie:
•
1 kT (Kilotonne TNT) = 4,184 · 1012 J Sprengstoff Schwarzpulver Ammoniumnitrat Dynamit/Ballistit/Cordit TNT Chloratsprengstoffe
Umrechnungsfaktor 0,25 bis 0,4 0,5 0,8 1,1 2,2
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3.2.7 PCBs
Polychlorierte Biphenyle (PCB) giftig, krebsauslösend bis in die 1980er in: •Transformatoren, •elektrischen Kondensatoren, •Hydraulikanlagen, •Weichmachern in Lacken, •Dichtungsmassen, •Isoliermitteln und Kunststoffen
PCB sind eine von zwölf als „dreckiges Dutzend“ bekannten organischen Giftstoffen, welche durch die Stockholmer Konvention vom 22. Mai 2001 weltweit verboten wurden.
3.2.7.1 Biphenyl
Konservierungsmittel E 230, Schimmelpilzwachstumshemmstoff, (E 230 wird oft in Kombination mit E 231, E 232, E 233 und Imazalil auf Schalen von Zitrusfrüchten aufgebracht) Schädlingsbekämpfungsmittel, Herstellung von Pharmazeutika & von PCB, Gewinnung aus destillierten Steinkohleteerölen, Andere Bezeichnungen: Diphenyl, Phenylbenzol, Dibenzol
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3.2.7.2 PCB Bezeichnungen
Allgemeines Schema:
Cl
4,4‘-Dichlordiphenyl
Cl
3,4,4‘,5‘ - Tetrachlordiphenyl
Cl
Cl Cl Cl
Test 9
Suchen Sie Informationen zu DDT heraus: Name Anwendung Biologische Wirkungen
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3.2.9 Dioxine Gebräuchliche Bezeichnung für: Polychlorierte Dibenzo-p-dioxine PCDD Dibenzofurane PCDF chemisch ähnlich aufgebaute chlorierte organische Verbindungen; Nebenprodukte bei Herstellung chlororganischer Chemikalien; Früher: Schadstoffemmissionen bei Müllverbrennung Langlebige Schadstoffe, toxisch, karzinogen
3.2.9.1 Seveso Gift
• • • •
• • • • •
2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-1,4-dioxin abgekürzt als 2,3,7,8-TCDD, TCDD, „Dioxin“, oder „Seveso-Dioxin“ 1967 – 1975 Vietnamkrieg: Einsatz des Entlaubungsmittel Agent Orange, dessen Verunreinigung mit TCDD zu schweren, bis heute andauernden Schädigungen bei Bevölkerung und US-Soldaten führte 1976 Sevesounglück: Austritt größerer Mengen von TCDD in Umwelt Früher: Emission aus Müllverbrennungsanlagen (heute durch Nacherhitzung Reduzierung auf unbedenkliche Spuren) Zellgift, teratogen, erbgutschädigend, krebserzeugend Kontakt führt zu Chlorakne, schweren Organschäden, z.B. der Leber LD50,Ratte, oral: 25–60 µg/kg LD50, Kaninchen, oral: 115 µg/kg
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Stoffe der E-Liste • • • • • • • • • • •
Liste der Lebensmittelzusatzstoffe mit E-Nummern E 100 – Kurkumin (Farbstoff) E 101 – Riboflavin (Farbstoff; Vitaminwirksam) E 101a – Riboflavin-5´-Phosphat (Farbstoff; Vitaminwirksam) E 102 – Tartrazin (Farbstoff) E 104 – Chinolingelb (Farbstoff) E 110 – Gelborange S (Farbstoff) .... E 1518 – Glycerintriacetat (Trägerstoff, Füllstoff, Trennmittel) E 1519 – Benzylalkohol (Aromastoff) E 1520 – 1,2-Propandiol, Propylenglycol (Trägerstoff, Füllstoff, Trennmittel; Feuchthaltemittel)
http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_in_der_Europ%C3%A4ischen_Union_zugelassenen_Le bensmittelzusatzstoffe#Liste_der_Lebensmittelzusatzstoffe_mit_E-Nummern
Übungsfragen 3
1.
Welche Struktur hat das Molekül CO2 (Elektronenpaarstrichschreibweise) ? 2. Lösen Sie die Aufgaben unter Test 7 und Test 8 ! 3. Wie sieht Butadien aus ? 4. Was sind Carbonsäuren ? Beispiele ? 5. Was sind Ketone ? Beispiel ? 6. Was ist Benzol ? Gesundheitsgefahren ? 7. Was versteht man unter PCBs ? Gesundheitsgefahren ? 8. Was sind Dioxine ? 9. Welche Gefahren gehen von DDT aus ? 10. Was versteht man unter Mesomerie ? 11. Was sind Enantiomere ?
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Web Links
http://de.wikipedia.org/wiki/Polychlorierte_Dibenzodioxine_und_Dib enzofurane http://www.hls-online http://www.hls-online.org/alkoholgehalt.html http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_in_der_Europ%C3%A4ischen _Union_zugelassenen_Lebensmittelzusatzstoffe
Literatur 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
Hering - Martin - Stohrer ; Physik für Ingenieure; Springer Verlag Berlin 2002, ISBN 3-540-429-64-6 Dobrinski - Krakau – Vogel; Physik für Ingenieure Haliday – Resnick - Walker; Physik; Viley VCH 2001, ISBN 3-527-40366-3 Schülerduden Physik, Duden Verlag Mannheim, 2004, ISBN 3-411-05375-5 De Pree; Physics made simple; Broadway Books; 2004 ISBN 0-7679-1701-4 Browne; Physics for Engineering and Science; McGraw Hill, 1998, ISBN 0-07008498-X B. Bröcker; DTV-Atlas zur Atomphysik; DTV-Verlag, 1993 R.B. Firestone; CD: Table of Isotopes; Wiley-Interscience, 1996 S. Hawking; CD: Eine kurze Geschichte der Zeit; Navigo, 1997 B. Bröcker; DTV-Atlas zur Atomphysik; DTV Verlag 1993 P.M. Magazin 12 / 94 Bild der Wissenschaft 11 / 1996 Volkmer – Kernenergie Basiswissen Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz Koelzer, Lexikon der Kernenergie
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Pause
Ende
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