Chemie-Grundlagen: Gasgesetze, Bindungen und Thermodynamik

Grundlegende Gasgesetze

Boyle-Mariotte-Gesetz: Bei konstanter Temperatur (T) ist das Volumen (V) indirekt proportional zum Druck. Gay-Lussac-Gesetz: Der Druck (P) oder das Volumen (V) verhält sich bei konstanter Menge proportional zur Temperatur; die Wärme nimmt mit der kinetischen Energie zu oder ab.

Atomstruktur und Quantenzahlen

Die atomaren Quantenzahlen werden definiert als: n (Hauptquantenzahl), l (Nebenquantenzahl: 0, 1, 2 ...), m (Magnetquantenzahl: -l bis +l) und s (Spinquantenzahl). Übergangselemente: Diese befinden sich im Zentrum des Periodensystems. Hauptgruppenelemente: Dazu gehört beispielsweise die Gruppe 1. Der Atomradius nimmt innerhalb einer Periode mit steigender Kernladungszahl (IZK) ab.

Eigenschaften chemischer Bindungen

Ionische Bindung

Es bilden sich keine Moleküle, da die wirkenden Kräfte rein elektrisch sind. Merkmale sind:

• Hoher Schmelz- und Siedepunkt.
• Hart, aber spröde.
• Im festen Zustand elektrische Isolatoren.
• In geschmolzenem oder gelöstem Zustand (in stark polaren Flüssigkeiten) leiten sie den elektrischen Strom.

Metalle

Metalle geben leicht Elektronen ab. Sie besitzen einen charakteristischen Glanz und sind ausgezeichnete Leiter für Elektrizität und Wärme. Sie weisen eine mittlere bis niedrige Härte auf, dienen als mechanische Stütze, haben hohe Schmelzpunkte und sind in der Regel unlöslich.

Kovalente Bindungen und Kristalle

In kovalenten Kristallen gibt es keine freien Elektronen. Sie besitzen sehr hohe Schmelzpunkte, sind als Festkörper sehr steif, gute elektrische Isolatoren, schlechte Wärmeleiter und unlöslich.

Molekülgeometrie (VSEPR-Modell)

• AB2: BeCl2 – lineare Struktur.
• AB3: BF3 – trigonal-planare Struktur.
• AB4: CH4 – tetraedrische Struktur.
• AB5: PCl5 – trigonal-bipyramidale Struktur.
• AB6: SF6 – oktaedrische Struktur.

Konzentrationen und Stöchiometrie

Formeln zur Berechnung: % v = (Vs / Vd) x 100%; % m = (ms / md) x 100. Dabei gilt: m_lösung (md) = m_solut (ms) + m_solvent (md) und V_lösung (vd) = V_solut (vs) + V_solvent (vd). Die Molarität wird berechnet als M = ns / Vd. Der Molenbruch ist xs = ns / (ns + nd) bzw. xd = na / (ns + nd).

Thermodynamik und Reaktionsenergie

Arbeit (w): w = -P x ΔV. Wärme (q): q = m x c x Δt. Enthalpie (H): H = U + PV. Wenn das Volumen (V) konstant bleibt, gilt qv = ΔU. Die innere Energie berechnet sich aus ΔU = q - P x ΔV. Bei konstantem Druck (P) gilt qp = ΔH.

Reaktionsenthalpie und Spontaneität

Die Reaktionsenergie ist Ur = U_produkte - U_reaktanten. Die Reaktionsenthalpie ist ΔHr = H_produkte - H_reaktanten. Ist ΔH positiv, ist die Reaktion endotherm; ist ΔH negativ, ist sie exotherm.

Spontaneität nach Gibbs (G = H - TS):

• Wenn ΔH (-) und ΔS (+), dann ist ΔG (-) und die Reaktion ist bei allen Temperaturen spontan.
• Wenn ΔH (-) und ΔS (-), ist ΔG (-) nur bei niedrigen Temperaturen spontan.
• Wenn ΔH (+) und ΔS (+), ist ΔG (-) nur bei hohen Temperaturen spontan.
• Wenn ΔH (+) und ΔS (-), ist ΔG (+) und die Reaktion ist niemals spontan.

Es gilt: ΔG = G_produkte - G_reaktanten und ΔS = S_produkte - S_reaktanten.

Chemische Kinetik und Gleichgewicht

Das Massenwirkungsgesetz lautet: Kc = [Produkte] / [Reaktanten]. Der Zusammenhang zwischen Kp und Kc ist Kp = Kc(RT)^Δn. Zur Berechnung der Stoffmenge gilt n = M x Volumen (in Litern). Der pH-Wert ist definiert als pH = -log[H+].

Reaktionsgeschwindigkeit

Um die Reaktionsordnung zu bestimmen, betrachtet man Experimente: v2/v3 = (x1)^α / (x2)^α. Das Geschwindigkeitsgesetz lautet v = k[x]^α, woraus folgt k = v / [x]^α. Die Arrhenius-Gleichung lautet k = A * e^(-Ea/RT), wobei Ea die Aktivierungsenergie darstellt.

Säuren, Basen und Katalysatoren

Starke Säuren: HClO4, HI, HCl, H2SO4, HNO3. Starke Basen: ClO4-, I-, Br-, Cl-, HSO4-, NO3- sowie OH-Verbindungen.

Katalysatoren

Katalysatoren erhöhen oder verringern die Reaktionsgeschwindigkeit erheblich. Sie werden am Ende des Prozesses chemisch unverändert zurückgewonnen. Inhibitoren verringern in geringen Mengen die Geschwindigkeit. Katalysatoren ändern keine thermodynamischen Variablen, sondern beschleunigen lediglich die Hin- oder Rückreaktion durch Senkung der Aktivierungsenergie. Biologische Katalysatoren sind hochspezifische Enzyme.

Zusätzliche stöchiometrische Formeln

Massenanteil: % m = (m_sol / m_lösung) x 100. Molenbruch: X = ns / n_gesamt. Ideales Gasgesetz für Partialdruck: Pi = ni * (RT / V). Molare Masse: M = (d * R * T) / P. Molarität: M = n_sol / V_lösung.