Grundlagen der Chemie: Prozesse, Gemische und Atommodelle

Grundlagen: Prozesse und Stoffsysteme

Definitionen von Prozessen

Ein Prozess ist jede Änderung oder Umwandlung, die in einer Substanz stattfinden kann.

Physikalischer Prozess

Es ist eine Umwandlung von Materie, bei der die Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften beibehalten werden.

Chemischer Prozess (Chemische Verfahrenstechnik)

Es ist eine Umwandlung von Materie, bei der sich die Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften ändern. Vor der Umwandlung liegen Ausgangsstoffe vor, und sobald diese abgeschlossen ist, sind die gewonnenen Stoffe verschieden.

Mischen und Stoffsysteme

Mischen

Mischen ist die Vereinigung mehrerer Reinsubstanzen, wobei die Komponenten die Eigenschaften beibehalten, die sie vor dem Mischen hatten.

Heterogene Stoffsysteme

Ein heterogenes Stoffsystem weist kein einheitliches Erscheinungsbild in allen Punkten auf. Zum Beispiel: Gemisch aus Wasser und Sand.

Homogene Stoffsysteme

Ein homogenes Stoffsystem hat ein einheitliches Erscheinungsbild in allen Punkten. Zum Beispiel: Meerwasser.

Reinstoffe und Gemische

Merkmale von Gemischen

1. Die Bestandteile können in jedem Verhältnis vorliegen.
2. Die Komponenten behalten ihre Eigenschaften.
3. Die Komponenten können durch physikalische Verfahren getrennt werden.

Reine Stoffe (Reinstoffe)

Reine Stoffe haben eine konstante Zusammensetzung und konstante Eigenschaften. Dazu gehören Verbindungen und Elemente.

Verbindungen

Eine Verbindung ist eine reine Substanz, die durch chemische Mittel in Elemente zerlegt werden kann. Eine Verbindung besteht aus zwei oder mehr Elementen, die immer in bestimmten Verhältnissen kombiniert sind.

Elemente (Einfache Stoffe)

Ein Element ist eine reine Substanz, die durch einfache, gewöhnliche chemische Prozesse nicht in andere, einfachere Stoffe zerlegt werden kann. Elemente oder einfache Stoffe bestehen nur aus Atomen eines Typs.

Methoden zur Trennung von Gemischen

1. Magnetische Separation: Wird verwendet, wenn eine Mischung aus Festkörpern vorliegt, von denen einige magnetisch sind (vom Magneten angezogen werden) und andere nicht.
2. Filtration: Wird zur Trennung von unlöslichen Feststoffen aus einer Flüssigkeit verwendet. Beispiel: Wasser + Sand.
3. Dekantierung: Mit dieser Methode werden zwei nicht mischbare (nicht miteinander vermischbare) Flüssigkeiten getrennt. Zum Beispiel: Öl + Wasser, Wasser + Tetrachlorkohlenstoff (CCl4).
4. Kristallisation: Wir lassen einen gelösten Feststoff aus dem Lösungsmittel kristallisieren, um ihn zu trennen. Beispiele: Wasser + Salz, Wasser + Zucker.
5. Destillation: Wird zur Trennung einer flüssigen Mischung verwendet, die aus zwei oder mehr Komponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten besteht.
6. Chromatographie: Eine Technik zur Trennung der einzelnen Komponenten eines Gemisches (oft eines festen Gemisches mit einer bestimmten Flüssigkeit). Beispiel: Die Trennung der verschiedenen Komponenten in einer kommerziellen Tinte.
7. Extraktion: Wird verwendet, um einen in einer Flüssigkeit gelösten Feststoff mit einer anderen Flüssigkeit zu trennen, in der sich der Feststoff viel besser löst. Zum Beispiel: Iod + Wasser.

Das Atom und die Atomtheorie

Definition des Atoms

Das Atom ist der kleinste Teil der Materie, der nicht weiter fragmentiert werden kann. Das Wort Atom bedeutet "unteilbar".

Historische Atomtheorien

Die Atomtheorie der antiken Schule

Diese Schule bestand aus atomistischen Ideen und Gedanken ohne experimentelle Basis. Ihre wichtigsten Hypothesen waren:

1. Alles ist aus unteilbaren Teilchen, genannt Atome, aufgebaut.
2. Die Atome sind unsichtbar, da sie sehr klein sind. Ihre Anzahl ist unendlich, und sie bewegen sich ununterbrochen in einem luftleeren Raum.
3. Sie existieren seit Ewigkeit und sind unzerstörbar.
4. Die Atome unterscheiden sich nur in Größe, Form und Gewicht.

Daltons Theorie (Die 1. moderne Atomtheorie)

1. Materie ist aus unteilbaren Atomen aufgebaut.
2. Atome sind unveränderlich.
3. Elemente bestehen aus gleichen Atomen: Sie haben die gleiche Masse und die gleichen chemischen Eigenschaften.
4. Atome verschiedener Elemente haben unterschiedliche Massen und chemische Eigenschaften.
5. Chemische Verbindungen bestehen aus Atomen, die sich aus der Kombination von zwei oder mehr verschiedenen Elementen ergeben.
6. Wenn sich Atome verschiedener Elemente zu einer einzigen Verbindung kombinieren, tun sie dies in einem einfachen ganzzahligen Verhältnis.
7. In chemischen Reaktionen werden Atome weder geschaffen noch zerstört; es ändert sich nur ihre Verteilung in den Stoffen.

Thomsons "Plum-Pudding"-Modell

Die Entdeckung des Elektrons im späten neunzehnten Jahrhundert zeigte, dass das Atom teilbar ist und eine Struktur haben muss. Die experimentellen Ergebnisse waren:

1. Atome sind elektrisch neutral.
2. Atome enthalten Elektronen, die negative Ladungen tragen.
3. Die Masse der Elektronen ist sehr klein im Vergleich zu der der Atome.

Der erste Wissenschaftler, der ein Modell für die Struktur des Atoms entwickelte, war der Entdecker des Elektrons, John Joseph Thomson. Er schlug vor:

1. Da der größte Teil der Masse des Atoms mit positiver Ladung verbunden ist, sollte diese den größten Teil des Atomvolumens einnehmen. Die einfachste Vorstellung ist die eines positiv geladenen Bereichs (Kugel).
2. Um zu erklären, dass Atome elektrisch neutral sind, müssten die Elektronen als kleine Kügelchen gleichmäßig im Bereich der positiven Ladung verteilt sein. Wenn das Atom angeregt wurde, vibrierten die Elektronen um ihre Ruhelage.

Diese Verteilung der Elektronen führte zu dem Modell, das als "Plum-Pudding-Modell" (oder "Rosinenkuchen-Modell") bekannt wurde.

Erfolge und Mängel des Modells

Das Modell wurde zunächst akzeptiert, da es leicht folgende Phänomene erklärte:

• Elektrifizierung: Erklärt durch den Gewinn oder Verlust von Elektronen. Wenn dies geschieht, wird das Atom positiv oder negativ geladen.
• Bildung von Ionen: Bei Zusammenstößen verlieren geladene Gasatome Elektronen. Diese Teilchen erzeugen elektrische Ladung, die gesteuert werden kann, wodurch Kathodenstrahlen (Kationen und Anionen) entstehen.

Das Modell konnte nicht erklären: Atomspektren und das Rutherford-Experiment.