Konzepte und grundlegende Gesetze der Chemie

Unit 1: Konzepte und grundlegende Gesetze der Chemie

Reine Substanz

Eine reine Substanz ist eine Form der Materie, die eine konstante und definierte Zusammensetzung sowie spezifische Eigenschaften besitzt. Sie kann nicht in andere Stoffe getrennt werden, ohne ihre Eigenschaften zu verändern. Beispiele sind Gold und Wasser. Reine Substanzen können in Elemente und Verbindungen klassifiziert werden.

Element

Elemente sind einfache Reinstoffe, die durch chemische Prozesse nicht in einfachere Substanzen zerlegt werden können. Beispiele: Gold, Silber, Sauerstoff.

Verbindung

Verbindungen sind reine Stoffe, die durch chemische Prozesse in einfachere Substanzen (Elemente) zerlegt werden können. Zum Beispiel wird Wasser durch Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaften, die eine Substanz aufweist, ohne dass sich ihre Zusammensetzung ändert. Dazu gehören Härte, Löslichkeit, Farbe und Schmelzpunkt. Sie werden unterteilt in:

1. Extensive Eigenschaften: Diese Eigenschaften hängen von der Menge der Materie (Masse) ab. Beispiele: Volumen oder kinetische Energie.
2. Intensive Eigenschaften: Diese Eigenschaften sind unabhängig von der Menge der Materie. Beispiele: Temperatur, Dichte.

Chemische Eigenschaften

Eigenschaften, die eine Substanz aufweist, wenn sie ihre Zusammensetzung durch eine chemische Reaktion ändert. Beispiele: Verbrennung oder die Reaktion mit Säuren.

Chemische Reaktion

Die Umwandlung von Ausgangsstoffen (den sogenannten Reagenzien) in Produkte mit einer neuen Zusammensetzung und anderen Eigenschaften.

Grundlegende Massengesetze (Ponderale Gesetze)

Diese Gesetze beschreiben die Massenverhältnisse bei chemischen Reaktionen:

1. Gesetz von Lavoisier (Erhaltung der Masse, 1789): In jeder chemischen Reaktion ist die Gesamtmasse der reagierenden Substanzen gleich der Gesamtmasse der gebildeten Produkte.
2. Gesetz von Proust (Konstante Proportionen, 1799): Verschiedene Proben einer reinen Verbindung enthalten immer die gleichen Elemente in einem konstanten Massenverhältnis, unabhängig vom Herstellungsprozess.
3. Gesetz von Dalton (Multiple Proportionen, 1802): Wenn zwei Elemente miteinander reagieren und dabei mehrere Verbindungen bilden, stehen die Massen des einen Elements, die mit einer festen Masse des anderen Elements reagieren, zueinander im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen.
4. Gesetz der äquivalenten Proportionen (Richter, 1802): Die Massenverhältnisse, in denen verschiedene Elemente mit einer festen Masse eines dritten Elements reagieren, sind entweder gleich den Massenverhältnissen, in denen diese Elemente direkt miteinander reagieren, oder einfache Vielfache bzw. Teilmengen davon.

Dieses Gesetz führt zum Konzept der Äquivalentmasse (oder Grammäquivalent): Die Äquivalentmasse eines Elements ist die Masse, die sich mit 8,0 Gramm Sauerstoff oder mit 1,00 Gramm Wasserstoff verbindet.

Alternativ besagt dieses Gesetz, dass, wenn zwei Elemente miteinander reagieren, sie dies in Massen tun, die ihren Äquivalentmassen entsprechen oder proportional dazu sind.

Gesetz der Volumenkombination (Gay-Lussac, 1808)

Bei konstanter Temperatur und konstantem Druck stehen die Volumina der an einer chemischen Reaktion beteiligten Gase (als Reagenzien oder Produkte) in einem Verhältnis kleiner ganzer Zahlen.

Ionen

Ionen sind chemische Spezies, die eine elektrische Ladung tragen und aus einem oder mehreren gleichen oder verschiedenen Atomen bestehen. Negativ geladene Ionen werden Anionen genannt, positiv geladene Ionen Kationen.

Daltons Atomtheorie

• Materie besteht aus unteilbaren, kleinsten Teilchen, den Atomen.
• Atome eines Elements sind identisch in Masse und Eigenschaften, unterscheiden sich jedoch von Atomen anderer Elemente.
• Atome sind feste Kugeln (Dalton wusste nichts von Protonen, Elektronen und Neutronen).

Dalton konnte mit seiner Theorie die Massengesetze erklären, jedoch nicht die volumetrischen Verhältnisse (wie das Gesetz von Gay-Lussac).

Avogadros Hypothese

Gleiche Volumina verschiedener Gase enthalten unter den gleichen Bedingungen von Temperatur und Druck die gleiche Anzahl von Molekülen.

Avogadro-Konstante (N_A)

Die Anzahl der Teilchen (Moleküle, Atome, Ionen) in einem Mol einer Substanz. Ihr Wert beträgt ungefähr 6,022 · 10²³.

Das Mol

Das Mol ist die chemische Einheit, die der Avogadro-Konstante der betreffenden Substanz entspricht.

• Ein Mol Goldatome entspricht 6,022 · 10²³ Goldatomen.
• Ein Mol Schwefelsäure-Moleküle entspricht 6,022 · 10²³ Schwefelsäure-Molekülen.

Die Masse, die einem Mol Atome oder Moleküle entspricht, ist gleich der Atom- oder Molekülmasse, angegeben in Gramm (Molmasse).

Erweitert gilt dies auch für Ionen, Elektronen usw.: Ein Mol Ionen entspricht 6,022 · 10²³ Ionen.