Grundlagen der Chemie: Bindungen, Kohlenwasserstoffe & Isomerie

Grundlagen der Chemischen Bindung

Arten von Bindungen und Regeln

Chemische Bindung

Bindung zwischen Atomen, Molekülen oder Ionen zur Bildung großer Strukturen. Moleküle können wiederum durch intermolekulare Kräfte verbunden werden, um multimolekulare Strukturen zu bilden.

Ionische Bindung

Entsteht durch elektrische Kräfte zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen, die einen ionischen Kristall bilden.

Kovalente Bindung

Entsteht zwischen Atomen, die sich ein Elektronenpaar teilen, wodurch ihre Valenzschale vervollständigt wird.

Metallische Bindung

Entsteht durch die elektrische Anziehung zwischen positiven Metallionen und der sie umgebenden Elektronenwolke.

Oktettregel

Um ein stabiles Molekül oder eine Struktur zu bilden, neigen Atome dazu, Bindungen einzugehen (durch Gewinnen, Verlieren oder Teilen von Elektronen), um ihre äußere Schale mit 8 Elektronen zu vervollständigen.

Kovalenz (Valenz)

Die maximale Anzahl kovalenter Bindungen, die ein Atom eingehen kann.

Modelle der Bindung

Lewis-Modell

Die Bindung wird gebildet, wenn die anziehenden Kräfte durch abstoßende Kräfte ausgeglichen werden, wodurch die Elektronenpaar-Bindung in der Region zwischen den Kernen erreicht wird.

Elektronenwolken-Modell

Die negative Ladungsdichte zwischen zwei Kernen übt eine anziehende Kraft auf jeden Kern aus und hält sie zusammen.

Intermolekulare Kräfte

Dipol

Ein physikalisches System, bestehend aus zwei entgegengesetzt gleichen Ladungen in festem Abstand. Es wird durch das Dipolmoment (μ) charakterisiert, dessen Wert μ = q · d ist.

Dipol-Dipol-Kräfte

Intermolekulare Kräfte, die zwischen dem positiven Pol eines Dipols in einem Molekül und dem negativen Pol des Dipols in einem anderen Molekül entstehen.

Wasserstoffbrücken

Starke intermolekulare Kräfte, die zwischen einem Wasserstoffatom in einem Molekül und einem Atom Fluor, Sauerstoff oder Stickstoff in einem anderen Molekül entstehen.

Chemische Formeln und Kohlenwasserstoffe

Formeln

Empirische Formel

Gibt das kleinste ganzzahlige Verhältnis der Atome in einer Verbindung an.

Summenformel

Gibt die tatsächliche Anzahl der Atome jedes Elements in einem Molekül an.

Kohlenwasserstoffe

Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Kohlenwasserstoffe, bei denen alle Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen Einfachbindungen sind und die keine weiteren Wasserstoffatome aufnehmen können (z. B. Alkane).

Ungesättigte Kohlenwasserstoffe

Kohlenwasserstoffe, die in der Kette Doppelbindungen (Alkene oder Olefine) oder Dreifachbindungen (Alkine) enthalten. Sie sind reaktiver als Alkane.

Alkene

Können leicht Elemente wie Wasserstoff, Halogene oder Halogenwasserstoffsäuren addieren (Additionsreaktionen).

Alkine

Hochreaktiv. Die Addition erfolgt in zwei Stufen:

1. Ein reaktives Molekül wird an die Dreifachbindung addiert, wodurch ein Molekül mit einer Doppelbindung entsteht.
2. Ein weiteres Reaktanten-Molekül wird an die gebildete Doppelbindung addiert.

Erdöl und Raffinerieprozesse

Erdöl (Rohöl)

Ein komplexes Gemisch von Kohlenwasserstoffen, hauptsächlich Alkanen. Bei Erhitzung auf bis zu 400 °C gehen die Komponenten in den Dampfzustand über und werden durch fraktionierte Destillation getrennt. Kleinere Moleküle mit niedrigem Siedepunkt verdampfen zuerst und steigen zur Spitze der Säule.

Benzin

Ein flüchtiges Kohlenwasserstoffgemisch, das neben Alkanen auch unterschiedliche Mengen anderer Kohlenwasserstoffe enthält.

Cracking-Prozess (Spaltung)

Ein Prozess zur Erhöhung der Produktion von leichteren, flüchtigeren Erdölprodukten, indem schwere, weniger flüchtige Fraktionen gespalten werden.

Katalytisches Reformieren

Ein Prozess, der Alkane in aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzol, Toluol und Xylol umwandelt.

Alkylierung

Ein Prozess, bei dem niedere Alkane und Alkene zu verzweigtkettigen Alkanen mit höherer molarer Masse umgesetzt werden.

Oktanzahl

Messung der Detonationsfestigkeit (Klopffestigkeit) eines Kraftstoffs. Je höher die Oktanzahl, desto höher die Effizienz des Kraftstoffs.

Isomerie und Funktionelle Gruppen

Konstitutionsisomere

Verbindungen, die aus den gleichen Atomen bestehen, aber unterschiedlich miteinander verbunden sind. Sie werden in drei Hauptgruppen unterteilt:

• Kettenisomere: Unterscheiden sich in der Anordnung der Kohlenstoffatome.
• Positionsisomere: Haben das gleiche Kohlenstoffgerüst, unterscheiden sich aber durch die Position der funktionellen Gruppe.
• Funktionsisomere: Besitzen die gleiche Summenformel, weisen aber unterschiedliche funktionelle Gruppen auf.

Funktionelle Gruppe

Eine Atomgruppe in einem organischen Molekül, die dessen chemische Eigenschaften bestimmt.

Umweltchemie

Saurer Regen

Entsteht durch die Umwandlung der Schadstoffe SO₂, NO und NO₂ in H₂SO₄ (Schwefelsäure) und HNO₃ (Salpetersäure), die anschließend gelöst in Regen oder Schnee auf die Erde zurückkehren.