Grundlagen der Chemie: Atommodelle, Bindungen & Methoden

Atommodelle und Materie

Daltons Atommodell

Das Modell besagt, dass Atome unteilbare, kompakte Kugeln mit spezifischem Gewicht sind. Es erklärt Aspekte chemischer Reaktionen, reicht aber nicht aus, um die elektrische Natur der Materie zu erklären.

Rutherfords Atommodell

Bei der Bestrahlung einer Goldfolie mit positiv geladenen Alpha-Teilchen wurde beobachtet, dass die meisten Teilchen die Folie ungehindert durchdrangen, einige abgelenkt wurden und wenige zurückprallten.

Chemische Bindungen

Ionenbindung

Eine Ionenbindung entsteht, wenn Atome Elektronen vollständig übertragen, um Ionen mit entgegengesetzten Ladungen zu bilden. Diese Ionen werden durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten. Die Ionenwertigkeit entspricht der Anzahl der aufgenommenen oder abgegebenen Elektronen.

Eigenschaften von Ionenverbindungen

• Bei Raumtemperatur sind sie feste Stoffe mit hohen Schmelz- und Siedepunkten.
• Sie sind hart, spröde und bilden Kristalle.
• Im Allgemeinen sind sie in Wasser löslich.
• Als Festkörper leiten sie keinen elektrischen Strom, wohl aber in flüssigem Zustand oder in Lösung.

Kovalente Bindung

Molekulare Stoffe

Atome sind durch kovalente Bindungen fest miteinander verbunden, die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen sind jedoch schwach (z.B. H₂).

Eigenschaften von molekularen Stoffen

• Sie haben niedrige Schmelz- und Siedepunkte und sind daher bei Raumtemperatur oft Gase oder Flüssigkeiten.
• Sie sind in der Regel nicht in Wasser löslich.
• Sie leiten keinen elektrischen Strom.

Kovalente Kristalle (Atomgitter)

Die kovalente Bindung erstreckt sich in alle Raumrichtungen und bildet stabile Gitterstrukturen.

Eigenschaften von kovalenten Kristallen

• Bei Raumtemperatur sind sie feste, sehr robuste Stoffe mit hohen Schmelzpunkten.
• Sie sind unlöslich in Wasser.
• Sie leiten keinen elektrischen Strom.

Metallische Bindung

Die metallische Bindung entsteht durch die Anziehung zwischen positiv geladenen Metallionen und einer 'Elektronenwolke' (delokalisierte Elektronen), die sich frei im gesamten Metallgitter bewegen kann. Die Atome geben ihre Valenzelektronen ab, ohne ein vollständiges Oktett zu bilden, und werden zu positiven Ionen, die in einem Gitter angeordnet sind.

Eigenschaften von Metallen

• Bei Raumtemperatur sind sie fest (mit Ausnahmen wie Quecksilber).
• Sie sind gute Wärme- und Stromleiter.
• Sie sind duktil (ziehbar) und verformbar.
• Sie besitzen metallischen Glanz.

Etappen der wissenschaftlichen Methode

1. Problemstellung

   Hierbei wird das zu untersuchende Problem klar definiert und abgegrenzt. Dies kann durch die Beobachtung eines Phänomens, die Entdeckung neuer Aspekte, das Aufzeigen von Widersprüchen in bestehenden Theorien oder die Reproduktion eines Verhaltens im Labor geschehen. Wichtig ist die Identifizierung der beteiligten Variablen.

2. Hypothesenformulierung

   Nach der Problemdefinition formulieren Wissenschaftler eine plausible Annahme über die Ursachen oder Zusammenhänge und sammeln relevante bibliographische Informationen. Eine Hypothese ist eine überprüfbare, plausible Vermutung, die experimentell getestet werden kann.

3. Hypothesentestung

   Bestätigung oder Ablehnung durch Experimente.

   Zuerst werden Experimente und notwendige Geräte konzipiert. Zweitens werden Maßnahmen ergriffen, um die beteiligten Variablen zu kontrollieren. Variablen, deren Werte bewusst verändert werden, nennt man unabhängige Variablen. Variablen, deren Werte sich infolge der unabhängigen Variablen ändern, nennt man abhängige Variablen. Variablen, deren Werte konstant gehalten werden, nennt man kontrollierte Variablen.

   Die Ergebnisse werden erfasst, tabellarisch dargestellt und jede Messung wird wiederholt. Grafische Darstellungen helfen, Muster und Unregelmäßigkeiten zu erkennen.

4. Formulierung von Gesetzen und Theorien

   Gesetze sind bestätigte Hypothesen, die oft in mathematischer Sprache ausgedrückt werden. Eine Reihe von Gesetzen, die ein kohärentes Wissenssystem bilden, wird als Theorie bezeichnet.

Masse und Volumen

Masse

Die Masse ist ein Maß für die Menge an Materie, die ein Körper enthält. Sie ist eine charakteristische Eigenschaft von Materialien und hängt nicht von der Form oder dem Zustand des Körpers ab. Im internationalen Einheitensystem (SI) wird die Masse in Kilogramm (kg) gemessen. In einem geschlossenen System bleibt die Gesamtmasse konstant.

Volumen

Das Volumen gibt an, wie viel Raum ein Körper einnimmt. Es hängt nicht von der Form oder dem Aggregatzustand ab, kann aber von Faktoren wie Druck oder Temperatur beeinflusst werden. Im internationalen Einheitensystem (SI) wird das Volumen in Kubikmetern (m³) gemessen.

Dichte

Die Dichte (ρ) ist das Verhältnis von Masse (m) zu Volumen (V) eines Stoffes. Sie beschreibt, wie viel Masse pro Volumeneinheit vorhanden ist. Formel: ρ = m / V. Daraus ergeben sich: m = ρ * V und V = m / ρ.

Eigenschaften von Materialien

Alle Objekte um uns herum bestehen aus Materie. Jedes Objekt ist eine Form von Materie, sei es Gas in einem Ballon oder ein Ozean. Alle Materie nimmt Raum ein und besitzt Masse. Umgangssprachlich: Alles, was Platz einnimmt und Masse hat.

Stoffdefinition und Eigenschaften

• Stoff: Eine spezifische Art von Materie, die für sich betrachtet wird.
• Allgemeine Eigenschaften: Diese Eigenschaften hängen von der Menge der Materie ab (z.B. Masse, Volumen). Sie geben keine Auskunft über die Art des Stoffes.
• Spezifische Eigenschaften: Diese Eigenschaften hängen von der Art des Stoffes ab, nicht von seiner Menge oder Form (z.B. Dichte, Schmelzpunkt).

Aggregatzustände der Materie

• Feststoffe

  Haben ein festes Volumen und eine feste Form. Sie sind nicht komprimierbar und fließen nicht. Man spricht von Kristallen, wenn ihre Teilchen geordnet sind, und von amorphen Stoffen, wenn sie ungeordnet sind.

• Flüssigkeiten

  Haben ein festes Volumen, aber keine feste Form (nehmen die Form des Behälters an). Sie sind kaum komprimierbar und fließen.

• Gase

  Haben kein festes Volumen und keine feste Form (füllen den gesamten Behälter aus). Sie sind leicht komprimierbar und fließen.

Homogene und Heterogene Gemische

Heterogene Gemische

Bestehen aus mehreren Komponenten, die optisch voneinander unterscheidbar sind und durch physikalische Prozesse getrennt werden können:

• Filtration: Trennung eines Feststoffs von einer Flüssigkeit mittels eines Filters.
• Sedimentation: Trennung von Komponenten unterschiedlicher Dichte durch Schwerkraft (Absetzen).
• Zentrifugation: Beschleunigte Trennung von Komponenten unterschiedlicher Dichte durch hohe Rotationsgeschwindigkeiten.
• Selektive Lösung (Extraktion): Trennung einer löslichen Komponente von unlöslichen Komponenten durch ein geeignetes Lösungsmittel.

Homogene Gemische oder Lösungen

Bestehen aus mehreren Komponenten, die optisch nicht voneinander unterscheidbar sind (einphasig) und deren Komponenten durch Zustandsänderungen getrennt werden können:

• Verdampfung: Trennung eines gelösten Feststoffs von einer Flüssigkeit. Langsame Verdampfung führt zu großen Kristallen, schnelle Verdampfung zu kleinen Kristallen.
• Destillation: Trennung von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Siedepunkten. Die Flüssigkeit mit dem niedrigeren Siedepunkt verdampft zuerst und wird anschließend kondensiert. Auch zur Trennung von Gasen geeignet.
• Chromatographie: Trennung von Komponenten einer Flüssigkeit oder eines Gases aufgrund ihrer unterschiedlichen Adhäsion und Diffusion auf einer stationären Phase (z.B. poröse Oberfläche wie Kreide).