Wissenschaftliche Grundlagen: Chemie, Physik & Atommodelle

Grundlagen der Wissenschaft

Definition und Typen der Wissenschaft

• Wissenschaft: Ein System aus Wissen und Erkenntnissen, das durch Beobachtung gewonnen und strukturiert wird, woraus Prinzipien und Gesetze abgeleitet werden.

Typen der Wissenschaft

• 1. Empirische Wissenschaften:
  • Naturwissenschaften: Physik, Chemie, Biologie
  • Humanwissenschaften: Geografie, Politik, Geschichte
• 2. Formale Wissenschaften: Mathematik, Logik

Der wissenschaftliche Prozess

• Beobachtung → Informationssammlung → Hypothese → Experiment (unabhängige/abhängige Variablen, Kontrolle) → Ergebnis → Theorie/Gesetz

Grundlegende Einheiten und Umrechnungen

• 1 lb (Pfund) = 0,454 kg (Kilogramm)
• 1 in (Zoll) = 2,54 cm (Zentimeter)
• 1 in² (Quadratzoll) = 6,45 cm² (Quadratzentimeter)

Chemische Nomenklatur und Verbindungstypen

Wichtige Verbindungsklassen

• Hydrogensäuren (Binäre Säuren): H + Nichtmetall (NM)
• Binäre Salze: Metall (M) + Nichtmetall (NM)
• Hydride: Metall (M) + Wasserstoff (H)
• Nichtmetalloxide: Nichtmetall (NM) + Sauerstoff (O)
• Metalloxide: Metall (M) + Sauerstoff (O)
• Sauerstoffsäuren (Oxosäuren): H⁺ + Radikal^- (z.B. -säure, -ige Säure)
• Oxosalze: Metall (M) + Radikal^- (z.B. -at, -it)
• Hydroxide: Metall⁺ + OH^-

Typen chemischer Reaktionen

1. Synthese- oder Kombinationsreaktion: A + B → C
2. Zerlegungs- oder Zersetzungsreaktion: A → B + C
3. Einfache Substitutions- oder Verdrängungsreaktion: A + BC → AC + B
4. Doppelte Substitutions- oder Metathesereaktion: AB + CD → AD + CB

Bildung wichtiger Verbindungsklassen

• Metalloxide: Metall + O₂ → Metalloxid
• Nichtmetalloxide: Nichtmetall + O₂ → Nichtmetalloxid
• Basen (Hydroxide): Metalloxid + H₂O → Base (M(OH)_x)
• Sauerstoffsäuren (Oxosäuren): Nichtmetalloxid + H₂O → Oxosäure (H-Radikal)
• Binäre Salze: Base + Hydrogensäure → Binäres Salz + H₂O
• Oxosalze: Base + Oxosäure → Oxosalz + H₂O
• Hydrogensäuren: Nichtmetall + Wasserstoff → Hydrogensäure

Beispiele chemischer Verbindungen

1. NaCl: Natriumchlorid
2. CaBr₂: Calciumbromid
3. Ni₃N₂: Nickelnitrid
4. Li₂S: Lithiumsulfid
5. BaCl₂: Bariumchlorid
6. CS₂: Schwefelkohlenstoff
7. BaO: Bariumoxid
8. Ca(OH)₂: Calciumhydroxid
9. AgCl: Silberchlorid
10. PbSO₄: Bleisulfat (II)

Häufige Oxidationsstufen von Elementen

Die folgende Liste zeigt gängige Oxidationsstufen für verschiedene Elemente:

• +1: H, Li, Na, K, Ag, F
• +2: Ca, Ba, Be, Mg, Zn, O
• +3: B
• +4: Si
• +1, +2: Cu, Hg
• +1, +3: Au
• +1, +3, +5, +7: Cl, Br, I
• +2, +3: Fe
• +3, +5: N, P, Sb
• +2, +4: Pb, C, Sn
• +2, +4, +6: S
• +3, +6: Cr
• +1, +2, +4, +6, +7: Mn

Nomenklatur-Hinweise für Säuren und Salze (Beispiel)

• Bei Elementen mit 2 Oxidationsstufen:
  • Niedrigere Stufe: Endung -ous (dt. -ig) oder -it (Salz)
  • Höhere Stufe: Endung -ic (dt. -säure) oder -at (Salz)
• Bei Elementen mit 3 Oxidationsstufen:
  • Niedrigste: Hypo-ous (dt. Hypo-...-ig)
  • Mittlere: -ous (dt. -ig)
  • Höchste: -ic (dt. -säure)
• Bei Elementen mit 4 Oxidationsstufen:
  • Niedrigste: Hypo-ous (dt. Hypo-...-ig)
  • Zweite: -ous (dt. -ig)
  • Dritte: -ic (dt. -säure)
  • Höchste: Per-ic (dt. Per-...-säure)

Stoffeigenschaften und Trennverfahren

Eigenschaften der Materie

• 1. Intensive Eigenschaften: Hängen nicht von der Menge der Materie ab (z.B. Dichte, Temperatur, Farbe).
• 2. Extensive Eigenschaften: Hängen von der Menge der Materie ab (z.B. Masse, Volumen, Energie).

Methoden zur Stofftrennung

• Filtration: Trennung von Fest-Flüssig-Gemischen (heterogen)
• Dekantieren: Trennung von Fest-Flüssig-Gemischen (heterogen)
• Chromatographie: Trennung von Komponenten aus homogenen oder heterogenen Mischungen
• Verdampfung: Trennung von Fest-Flüssig-Gemischen (homogen)
• Destillation: Trennung von Flüssig-Flüssig-Gemischen (homogen)
• Kristallisation: Reinigung von Feststoffen aus Lösungen
• Magnetisierung: Trennung von Fest-Fest-Gemischen (heterogen, wenn eine Komponente magnetisch ist)
• Sedimentation: Trennung von Fest-Flüssig-Gemischen (heterogen, basierend auf Dichte)

Atommodelle und Atomstruktur

Historische Atommodelle

1. Dalton-Modell (ca. 1803): Atome sind unteilbare, unveränderliche Kugeln; Atome eines Elements sind identisch.
2. Thomson-Modell (ca. 1904): "Rosinenkuchen-Modell" – Atom als positiv geladene Kugel mit eingebetteten Elektronen.
3. Rutherford-Modell (ca. 1911): Atom mit einem kleinen, dichten, positiv geladenen Kern und Elektronen, die diesen umkreisen.
4. Bohr-Modell (ca. 1913): Elektronen bewegen sich auf bestimmten, quantisierten Bahnen um den Kern.

Wichtige Entdeckungen

• Chadwick (1932): Entdeckung des Neutrons.
• Millikan (1909): Bestimmung der Elementarladung des Elektrons.

Atomstruktur und Isotope/Isobare

Die Atomstruktur wird durch die Anzahl der Protonen (p⁺), Neutronen (n⁰) und Elektronen (e^-) bestimmt.

Beispiel: Natrium (Na)

• Element: Na
• Ordnungszahl (Z): 11 (Anzahl der Protonen)
• Massenzahl (A): 23 (Protonen + Neutronen)
• Protonen (p⁺): 11
• Elektronen (e^-): 11 (für ein neutrales Atom)
• Neutronen (n⁰): 12 (23 - 11)

Beispiele für Isotope und Isobare

• Isotope: Atome desselben Elements (gleiche Protonenzahl), aber mit unterschiedlicher Neutronenzahl (und damit unterschiedlicher Massenzahl).
  • 10 Protonen, 14 Neutronen = Massenzahl 24
  • 10 Protonen, 13 Neutronen = Massenzahl 23
  • 10 Protonen, 11 Neutronen = Massenzahl 21
• Isobare: Atome verschiedener Elemente (unterschiedliche Protonenzahl), aber mit gleicher Massenzahl.
  • 12 Protonen, 12 Neutronen = Massenzahl 24
  • 12 Protonen, 11 Neutronen = Massenzahl 23