Grundlagen der Chemie: Stoffe, Reaktionen & Gesetze

Physikalische und Chemische Änderungen

Physikalische Änderungen

Bei physikalischen Änderungen ändern sich einige Eigenschaften eines Stoffes, ohne dass neue Stoffe entstehen.

Chemische Änderungen

Bei chemischen Änderungen wandeln sich einige Substanzen in andere um. Es findet eine Stoffumwandlung statt.

Chemische Reaktionen

Eine chemische Reaktion ist der Prozess, bei dem chemische Änderungen stattfinden.

Ursachen chemischer Bindungen

Elektromagnetische Kräfte sind die Ursache für chemische Bindungen.

Chemische Bindungen

Chemische Bindungen sind Wechselwirkungen von Elektronen der Atome. Es gibt verschiedene Arten:

• Ionische Bindung: Entsteht zwischen Metallen und Nichtmetallen. Das Metall gibt Elektronen ab und wird zum Kation (positiv geladen), das Nichtmetall nimmt Elektronen auf und wird zum Anion (negativ geladen). Es bilden sich Ionen entgegengesetzter Ladung.
• Kovalente Bindung (Atombindung): Entsteht zwischen Nichtmetallen. Atome teilen sich ein oder mehrere Elektronenpaare, um die Elektronenstruktur eines Edelgases zu erreichen.
• Metallische Bindung: Entsteht zwischen Metallatomen. Die äußeren Elektronen (Valenzelektronen) sind delokalisiert und bilden eine „Elektronenwolke“, die die positiv geladenen Atomrümpfe zusammenhält.

Reagenzien (Edukte)

Reagenzien oder Edukte sind die Ausgangsstoffe, die in einem chemischen Prozess reagieren.

Reaktionsprodukte

Reaktionsprodukte sind die Stoffe, die in einem chemischen Prozess gebildet werden.

Stoffgesetze

Gesetz von der Erhaltung der Masse

Die Gesamtmasse der Edukte ist gleich der Gesamtmasse der Reaktionsprodukte.

Gesetz der konstanten Proportionen

Wenn sich Substanzen zu einer neuen Verbindung vereinigen, tun sie dies immer in einem konstanten Massenverhältnis.

Das Mol und Reaktionstypen

Ein Mol enthält 6,022 × 10²³ Teilchen (Avogadro-Konstante).

Synthesereaktion

Aus einzelnen Atomen oder einfacheren Molekülen werden komplexere Verbindungen gebildet.

Zersetzungsreaktion

Ein komplexer Stoff zerfällt in einfachere Stoffe.

Exotherme Reaktion

Bei einer exothermen Reaktion wird Wärme freigesetzt.

Endotherme Reaktion

Eine endotherme Reaktion benötigt Wärmezufuhr, um abzulaufen.

Chemische Gleichung

Die chemische Gleichung ist die symbolische Darstellung einer chemischen Reaktion.

Beispiel: Ammoniak

Die chemische Formel für Ammoniak ist NH₃.

Atombau und Periodensystem

Ordnungszahl (Z)

Die Ordnungszahl (Protonenzahl) eines Atoms.

Massenzahl (A)

Die Massenzahl (Summe von Protonen und Neutronen) eines Atoms.

Isotope

Isotope sind Atome desselben Elements (gleiche Ordnungszahl Z) mit unterschiedlicher Neutronenzahl und somit unterschiedlicher Massenzahl A.

Alternative Definition Isotope

Isotope haben die gleiche Protonenzahl (Elementsymbol X), aber unterschiedliche Nukleonenzahlen.

Gruppen im Periodensystem

Wichtige Gruppen im Periodensystem sind:

• Edelgase
• Edelmetalle
• Alkalimetalle
• Erdalkalimetalle
• Halogene
• Nichtmetalle
• Metalle
• Halbmetalle

Ion

Ein Ion ist ein Atom oder Molekül, das ein oder mehrere Elektronen aufgenommen oder abgegeben hat und somit eine elektrische Ladung trägt.

• Kation: Positiv geladenes Ion (Elektronenmangel).
• Anion: Negativ geladenes Ion (Elektronenüberschuss).

(Hinweis: Der Begriff „globalen Modell Rutherford“ könnte sich auf das Rutherfordsche Atommodell beziehen.)

Lösungen und Konzentrationen

Massenanteil (Masse%)

Massen% = (Masse des gelösten Stoffes / Masse der Lösung) × 100

Volumenanteil (Volumen%)

Volumen% = (Volumen des gelösten Stoffes / Volumen der Lösung) × 100

Massenkonzentration (g/L)

Massenkonzentration (g/L) = Masse des gelösten Stoffes (in g) / Volumen der Lösung (in L)

Stoffmengenkonzentration (Molarität)

Konzentration (mol/L) = Stoffmenge des gelösten Stoffes (in mol) / Volumen der Lösung (in L)

Allgemeines Gasgesetz

(Druck × Volumen) / Temperatur = konstant (für eine ideale Gasmenge). Alternativ: pV = nRT.

Nützliche Einheitenumrechnungen

• 120 km/h
• 1000 m = 1 km
• 1 h = 3600 s

Stoffklassen und Grundbegriffe

Atom

Ein Atom ist der kleinste Baustein eines chemischen Elements, der die Eigenschaften dieses Elements aufweist. Reinstoffe können aus Atomen eines einzelnen Elements bestehen.

Molekül

Ein Molekül ist ein Teilchen, das aus zwei oder mehreren fest miteinander verbundenen Atomen besteht. Reinstoffe können aus Molekülen bestehen, die Atome eines oder mehrerer Elemente enthalten.

Element

Ein Element ist ein Reinstoff, der chemisch nicht in einfachere Stoffe zerlegt werden kann. Es besteht aus Atomen mit derselben Ordnungszahl.

Verbindung

Eine Verbindung ist ein Reinstoff, der aus Atomen von zwei oder mehr verschiedenen Elementen besteht, die in einem festen Verhältnis chemisch miteinander verbunden sind. Verbindungen können durch chemische Reaktionen in ihre Elemente zerlegt werden.

Reinstoff

Ein Reinstoff hat eine definierte, konstante Zusammensetzung und spezifische Eigenschaften. Reinstoffe können sein:

• Elemente: Sind im Periodensystem geordnet und werden durch ein chemisches Symbol dargestellt. Sie bestehen aus nur einer Atomsorte.
• Verbindungen: Bestehen aus Atomen verschiedener Elemente, die in einem festen Verhältnis chemisch miteinander verbunden sind.

Kolligative Eigenschaften und Löslichkeit

Ebullioskopie (Siedepunktserhöhung)

Die ebullioskopische Siedepunktserhöhung einer Lösung ist proportional zur Molalität (Konzentration) der gelösten Teilchen.

Osmose

Osmose ist der gerichtete Fluss von Lösungsmittelmolekülen durch eine semipermeable Membran, die zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration trennt. Zellen nutzen Osmose für Stofftransport und zur Aufrechterhaltung ihres inneren Milieus (z.B. Nährstoffaufnahme, Abfallbeseitigung).

Löslichkeit

Die Löslichkeit eines Stoffes ist die maximale Menge dieses Stoffes, die sich bei einer bestimmten Temperatur in einer definierten Menge (oft 100 g) eines Lösungsmittels lösen kann, um eine gesättigte Lösung zu bilden.

Phasenübergänge (Beispiel Wasser)

Erwärmungskurve

Eine Erwärmungskurve zeigt die Temperaturänderung eines Stoffes bei kontinuierlicher Wärmezufuhr. Für Wasser gilt:

• Bei 0 °C: Übergang von fest (Eis) zu flüssig (Wasser). Während des Schmelzens bleibt die Temperatur konstant bei 0 °C.
• Bei 100 °C: Übergang von flüssig (Wasser) zu gasförmig (Dampf). Während des Siedens bleibt die Temperatur konstant bei 100 °C.
• Unter 0 °C (z.B. von -50 °C bis 0 °C): Wasser ist fest (Eis).
• Zwischen 0 °C und 100 °C: Wasser ist flüssig.
• Über 100 °C: Wasser ist gasförmig (Dampf).