Grundlagen der Chemie: Atomstruktur, Mol und Ideale Gase

1. Grundlagen der Atom- und Molekülstruktur

1.1 Fundamentale Elementarteilchen

Proton

Das Proton ist ein Elementarteilchen, das Teil des Kerns eines jeden Atoms ist. Die Anzahl der Protonen im Atomkern wird als Ordnungszahl (Z) bezeichnet und bestimmt die chemischen Eigenschaften des Atoms. Protonen besitzen eine positive elektrische Ladung (+) und eine Masse, die etwa 1836-mal größer ist als die der Elektronen.

Elektron

Das Elektron ist ein subatomares Teilchen vom Typ Fermion. In einem Atom umgeben Elektronen den Kern, der aus Protonen und Neutronen besteht. Elektronen haben eine im Vergleich zum Proton sehr kleine Masse. Ihre Bewegung erzeugt in den meisten Metallen elektrische Energie. Diese Partikel spielen eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung der chemischen Bindungen und der Anziehungskraft zwischen Atomen.

2. Atomare Kennzahlen

2.1 Ordnungszahl (Z)

Alle Atome eines chemischen Elements besitzen im Kern die gleiche Anzahl von Protonen. Diese Zahl, die jedes Element charakterisiert und von anderen unterscheidet, ist die Ordnungszahl und wird mit dem Buchstaben Z dargestellt.

2.2 Massenzahl (A)

Die Summe der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Neutronen in einem Atom wird als Massenzahl bezeichnet und mit dem Buchstaben A dargestellt.

2.3 Isotope

Isotope sind atomare Formen desselben Elements, die sich in ihrer Massenzahl unterscheiden. Sie besitzen die gleiche Ordnungszahl (Z), aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen.

3. Masse und Stoffmenge

3.1 Atommasse

Die Atommasse ist die Summe der Massen aller Elementarteilchen, die in einem Atom enthalten sind (Protonen, Neutronen und Elektronen). Da die Masse des Elektrons sehr klein ist, wird sie oft vernachlässigt.

3.2 Molekülmasse

Die Molekülmasse ist die Summe der Massen der einzelnen Atome, aus denen das Molekül besteht.

3.3 Das Mol

Das Mol ist die Menge der Substanz, die so viele Einheiten (Atome, Moleküle, Ionen etc.) enthält, wie Atome in 0,012 kg reinem Kohlenstoff-12 enthalten sind.

3.4 Avogadro-Zahl

Die Avogadro-Zahl ist die Anzahl der Teilchen in einem Mol:

$$1 \text{ Mol} = 6,022045 \times 10^{23} \text{ Teilchen}$$

3.5 Molmasse

Die Molmasse ist die Summe der Atommassen der Komponenten, die in der Formel beteiligt sind, wobei jede Masse mit der entsprechenden Anzahl der Atome multipliziert wird.

3.6 Molares Volumen (V_m)

Das molare Volumen ist das Volumen, das von einem Mol eines Gases eingenommen wird. Das molare Volumen eines Gases bei Normalbedingungen (Normaldruck und -temperatur) beträgt 22,4 Liter. Dies bedeutet, dass ein Mol eines Gases und ein Mol eines anderen Gases unter den gleichen Bedingungen von Temperatur und Druck das gleiche Volumen einnehmen.

4. Die Gesetze der Idealen Gase

4.1 Die Drei Gasgesetze

Ein ideales Gas folgt diesen drei Gesetzen:

• Boyle-Mariotte: Bei konstanter Temperatur ist das Volumen eines Gasgemischs umgekehrt proportional zum Druck des Gases.
• Charles: Bei konstantem Druck ist das Volumen einer Gasprobe proportional zur Temperatur des Gases (ausgedrückt in Kelvin).
• Gay-Lussac: Bei konstantem Volumen ist der Druck einer Gasprobe proportional zur Temperatur des Gases (ausgedrückt auf der absoluten Skala).

4.2 Das Ideale Gasgesetz

Das Ideale Gasgesetz (oder die allgemeine Gasgleichung) ist die Kombination der drei vorherigen Gesetze und beschreibt das Verhalten eines idealen Gases.