Grundlagen der Chemie: Stoffe, Mischungen und Atombau

Reinsubstanzen und Gemische

Reinsubstanz: Eine Reinsubstanz ist eine Materieart mit einer definierten Zusammensetzung sowie invarianten Eigenschaften und Funktionen. Beispiele: Gold, Sauerstoff, Kochsalz.

Gemisch: Ein Gemisch besteht aus zwei oder mehr Stoffen, die als Komponenten bezeichnet werden. Die Zusammensetzung ist nicht definiert, und die Eigenschaften hängen von der Art und dem Anteil der Komponenten ab. Beispiele: Meerwasser, Luft, Farbe.

Heterogene und homogene Mischungen

Heterogene Mischung: Besteht aus Teilchen verschiedener Substanzen, deren Komponenten mit bloßem Auge oder mit optischen Instrumenten bei geringer Vergrößerung unterschieden werden können. Beispiele: Wasser mit Sand, Wasser und Öl.

Homogene Mischung: Die Komponenten sind so klein, dass sie mit optischen Mitteln nicht beobachtet werden können. Viele davon sind wässrige Lösungen. Beispiele: Luft, Sauerstoff, Wasserdampf, Helium, Stickstoff.

Physikalische Eigenschaften und Lösungen

Die Dichte ist die Masse einer Substanz, die ein bestimmtes Volumen einnimmt.

Lösungen: Eine homogene Mischung aus zwei oder mehr Stoffen.

• Gelöster Stoff (Solute): Der Anteil, der in geringerer Menge vorliegt.
• Lösungsmittel (Solvent): Der Anteil, der in größerer Menge vorliegt.

Löslichkeit: Die Löslichkeit eines Stoffes in einem Lösungsmittel ist die maximale Menge des gelösten Stoffes, die sich bei einer bestimmten Temperatur in einer bestimmten Menge des Lösungsmittels auflösen kann.

Unlöslich: Wenn ein Stoff eine sehr geringe Löslichkeit in einem Lösungsmittel aufweist.

Nicht mischbar (Immiszibel): Wenn eine Flüssigkeit (z. B. Öl) eine sehr geringe Löslichkeit in einem Lösungsmittel (z. B. Wasser) hat.

Arten von Lösungen

Verdünnte Lösung: Wenn im Verhältnis zum Lösungsmittel nur wenig gelöster Stoff enthalten ist.

Konzentrierte Lösung: Wenn im Verhältnis zum Lösungsmittel eine große Menge an Substanzen enthalten ist.

Gesättigte Lösung: Wenn das Lösungsmittel keinen weiteren gelösten Stoff mehr aufnehmen kann und sich ein Bodensatz bildet.

Einfluss der Temperatur auf die Löslichkeit

Löslichkeit von Feststoffen: Sie steigt meist mit der Temperatur. Je mehr Wärme zugeführt wird, desto besser löslich ist der Feststoff.

Löslichkeit von Gasen: Sie nimmt mit steigender Temperatur ab; bei höheren Temperaturen sind Gase weniger löslich.

Konzentration und Trennverfahren

Konzentration: Die Konzentration einer Lösung ist die Menge des gelösten Stoffes in einer bestimmten Menge an Lösungsmittel oder Lösung.

Oft wird die Konzentration in Gramm pro Liter (g/l) ausgedrückt:

g/l = m (g) gelöster Stoff / V (l) der Lösung (gelöster Stoff + Lösungsmittel).

Wichtige Trennverfahren

• Klären (Dekantieren)
• Filtrieren
• Verdampfen
• Destillieren
• Chromatografie

Atommodelle und der Aufbau der Materie

Daltons Atomtheorie

Dalton veröffentlichte seine Ideen über den Aufbau der Materie:

• Materie besteht aus Atomen.
• Jedes chemische Element besteht aus identischen Atomen.
• Chemische Verbindungen werden durch die Verbindung unterschiedlicher Atome gebildet.

Thomsons Atommodell

Thomson postulierte, dass Atome aus Elektronen bestehen. Die negative Ladung ist in einer Kugel aus positiv geladenem Material verteilt, sodass das Atom insgesamt elektrisch neutral ist.

Rutherfords Atommodell

• Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen.
• In jedem Atom ist die Anzahl der Protonen und Elektronen gleich, sodass das Atom elektrisch neutral ist.
• Protonen und Neutronen befinden sich in einem sehr kleinen Kern; Elektronen bewegen sich in einem viel größeren Raum, der sogenannten Elektronenhülle.

Elemente und Verbindungen

Elemente: Eine Substanz, die nicht in einfachere Stoffe zerlegt werden kann und aus einer einzigen Art von Atomen besteht.

Verbindungen: Stoffe, die in einfachere Bestandteile zerlegt werden können, da sie aus Atomen von mehr als einem Element bestehen.

Elektrolyse: Ein Verfahren, bei dem elektrischer Strom verwendet wird, um eine reine Substanz in ihre Bestandteile zu zersetzen.

Kennzahlen der Atome

Ordnungszahl (Z): Sie wird durch (Z) dargestellt und gibt die Anzahl der Protonen in einem Atom an. Beispiel: H (Wasserstoff) Z=1 (1 Proton), He (Helium) Z=2 (2 Protonen).

Massenzahl (A): Sie wird durch (A) dargestellt und ist die Summe aus Protonen und Neutronen. Bei einem neutralen Atom gilt: Anzahl der Protonen = Anzahl der Elektronen.

Formel: A = Z + N (wobei N die Anzahl der Neutronen ist). Beispiel: Cobalt (Co) mit Z=27 und A=39 hat 27 Protonen und 12 Neutronen (39 - 27 = 12).

Isotope und Radioaktivität

Isotope: Atome desselben chemischen Elements, die die gleiche Ordnungszahl (Z), aber eine unterschiedliche Massenzahl (A) haben (unterschiedliche Anzahl an Neutronen). Beispiel: Cl-35 (Z=17, A=35, N=18).

Radioisotope und Strahlungsarten:

• Alpha-Strahlung (α): Besteht aus Heliumkernen (zwei Protonen und zwei Neutronen).
• Beta-Strahlung (β): Besteht aus Elektronen, die mit hoher Geschwindigkeit emittiert werden.
• Gamma-Strahlung (γ): Eine hochenenergetische elektromagnetische Strahlung, ähnlich dem Licht oder Röntgenstrahlen.

Kernreaktionen und Ionen

Kernspaltung: Wenn ein Neutron auf ein Uran-Atom trifft, spaltet sich dieses in kleinere Kerne auf, wobei eine große Menge Energie freigesetzt wird.

Kernfusion: Wenn kleine Kerne verschmelzen, um massivere Kerne zu bilden. Auch bei diesem Prozess wird viel Energie frei.

Kettenreaktion: Wenn kontinuierlich Neutronen freigesetzt werden, die wiederum weitere Urankerne spalten können.

Ionen: Kationen und Anionen

Ionen: Atome, die Elektronen in ihrer Hülle verloren oder gewonnen haben.

• Kation: Wenn ein neutrales Atom Elektronen verliert, bleibt ein Überschuss an positiver Ladung zurück. Es wird zu einem positiven Ion. Beispiel: Lithium verliert ein Elektron und wird zu Li+.
• Anion: Wenn ein neutrales Atom Elektronen aufnimmt, erwirbt es eine negative Ladung. Es wird zu einem negativen Ion. Beispiel: Ein Chloratom nimmt ein Elektron auf und wird zu einem negativen Chlorid-Ion (Cl-).