Grundwissen Chemie Mittelstufe (10 SG) · Neutralisation Säure-Base-Titration Einer Protolyse ist...
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Grundwissen Chemie Mittelstufe (10 SG)
Marie-Therese-Gymnasium
Erlangen
Diese Fassung des Grundwissens wurde im Dezember 2014 für das Marie-Therese-Gymnasium Erlangen von der Fachschaft Chemie beschlossen. Arbeitsgrundlagen waren die Fassung der Wilhelm-Lö-he-Schule Nürnberg und Diskussionsergebnisse in der Arbeitsgruppe DELTAPLUS Mittelfranken.
Diese Grundwissenssammlung soll einen Überblick darüber geben, welche Grundfertigkeiten und -kenntnisse zum jeweiligen Zeitpunkt bzw. beim Eintritt in die Q11 vorausgesetzt werden. Sie umfasst nicht den gesamten vermittelten Stoff und ersetzt daher nicht die kontinu-ierliche Vor- und Nachbereitung.
Version 5.1 (5.12.2014)
Einzeldateien:
GW8 Grundwissen für die 8. Jahrgangsstufe
GW9 Grundwissen für die 9. Jahrgangsstufe (MNG)
GW9a Grundwissen für die 9. Jahrgangsstufe (SG)
GW10 Grundwissen für die 10. Jahrgangsstufe (MNG)
GW10aGrundwissen für die 10. Jahrgangsstufe (SG)
GW-Chemie Komplette Grundwissenskartei 8-10
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 259 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 259 NTG
10 SG
ElektronegativitätPolare Bindung
Elektronegativität (EN)• Eigenschaft der Atome, Bindungselektronen anzuziehen• Die EN hängt von der Kernladung und der Größe der Atome ab.• Die EN nimmt im PSE von rechts oben nach links unten ab:
In einer Atombindung zieht der Bindungspartner mit derhöheren EN die Bindungselektronen stärker an. Dadurch wird die Bindung polar ( ), es entstehen Partialladungen (δ+, δ-). Die Atombindung ist umso polarer, je größer die Elektronegativitätsdifferenz der Bindungspartner ΔEN ist.
H Clδ+ δ-
(Nr. 1-25 s. GW 9a)
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 269 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 269 NTG
10 SG
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 279 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 279 NTG
10 SG
Dipolmoleküle
Zwischenmolekulare WWvan-der-Waals-WW
Dipol-WW Wasserstoffbrücken
Ein Molekül mit polaren Atombindungen ist genau dann ein Dipol, wenn sich die Ladungsverschiebungen nach außen nicht aufheben.
Dipol Dipol
kein Dipol
H Clδ+ δ-
van-der-Waals-WW • Anziehungskräfte zwischen spontanen und induzierten Dipolen• steigen mit zunehmender Kontaktfläche und Molekülmasse• wirken zwischen allen Teilchen (auch unpolaren)Dipol-Dipol-WW • sind WW zwischen positiven und negativen Partialladungen von Dipol-Molekülen (z.B. HCl)Wasserstoffbrücken • sind besonders starke Dipol-Dipol-WW • sind bei geringer Molekülgröße die stärksten WW• bestehen zwischen stark (nur durch F, N und O) positiv polarisier-tem H und einem nichtbindenden Elektronenpaar:
H F H F+ +
O C Oδ- δ-δ+
O H
Hδ+
δ-
δ+
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 319 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 319 NTG
10 SG
Säure – saure Lösungneutrale Lösung
Base – alkalische Lösung
Säure: Protonendonator (Beispiel: HCl) Saure Lösungen enthalten mehr Oxonium- als Hydroxidionen
c (H3O+) > c (OH-)
Neutrale Lösungen enthalten gleich viel Teilchen beider Ionensorten:
c (H3O+) = c (OH-)
Base: Protonenakzeptor (Beispiel: NH3)Alkalische Lösungen enthalten mehr Hydroxid- als Oxoniumionen:
c (H3O+) < c (OH-)
(HCl + H2O -> H3O+ + Cl-)
(NH3 + H2O -> NH4+ + OH-)
(Nr. 28-30 siehe GW 9a)
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 329 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 329 NTG
10 SG
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 339 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 339 NTG
10 SG
Wichtige Säuren
Wichtige Basen
Natriumhydroxid NaOH Lsg.: Natronlauge in Rohrreiniger, Laugengebäck
Kaliumhydroxid KOH Lsg.: Kalilauge zum Abbeizen
Calciumhydroxid Ca(OH)2 Lsg.: Kalkwasser CO2-Nachweis, Kalkmörtel
Ammoniak NH3 Lsg.: Ammoniakwasser Pferdemist, Haarfarbe, überreifer Camembert
Säure Säure-AnionHCl Chlorwasserstoff Cl- Chlorid (Lösung: Salzsäure) (Magensäure)HNO3 Salpetersäure NO3
- Nitrat (Dünger- u. Sprengstoffherstellung) H2SO4 Schwefelsäure SO4
2- Sulfat (in Autobatterien)H2CO3 Kohlensäure CO3
2- Carbonat (in Erfrischungsgetränken)H3PO4 Phosphorsäure PO4
3- Phosphat (in Coca-Cola)CH3COOH Essigsäure CH3COO- Acetat (Konservierungsmittel)
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 349 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 349 NTG
10 SG
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 359 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 359 NTG
10 SG
Protolyse Neutralisation
Säure-Base-Titration
Einer Protolyse ist eine chemische Reaktion, bei der Protonen über-tragen werden.
Bei einer Neutralisation findet ein Protonenübergang von Oxonium-Ionen auf Hydroxid-Ionen unter Bildung von Wassermolekülen statt:
H3O+ + OH- → 2 H2O
Bei der Reaktion äquivalenter Mengen einer starken Säure mit einer starken Base bildet sich eine neutrale Lösung (pH=7).
z.B.: HCl + NaOH → NaCl + H2O allg: „Säure + Base → Salz + Wasser“
Quantitatives Verfahren zur Bestimmung einer unbe-kannten Konzentration eines gelösten Stoffes (z.B. Säure) durch schrittweise Zugabe einer Lösung bekannter Konzentration (Maßlösung, z.B. Lauge) bis zum Äqui-valenzpunkt ÄP (zu erkennen z.B. an der Änderung der Indikatorfarbe).
Am ÄP gilt für die Titration von Säuren
n(H3O+) = n(OH-)
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 369 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 369 NTG
10 SG
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 379 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 379 NTG
10 SG
pH-Wert
Oxidation und Reduktion
Salzsäure, Cola dest. Wasser Natronlaugec = 1 mol/l c = 1 mol/l
Der pH-Wert ist ein Maß für den sauren, neutralen oder basischen Charakter einer wässrigen Lösung.Daher ist der pH-Wert auch ein Maß für die Konzentration der Oxoniumionen in einer wässrigen Lösung. Es gilt: Saure Lösung: pH < 7 Neutrale Lösung: pH = 7 Basische Lösung: pH > 7pH-Skala, Färbung mit Universalindikatorlösung:
Oxidation: Abgabe von Elektronen(Oxidationszahl wird größer)
Reduktion: Aufnahme von Elektronen(Oxidationszahl wird kleiner)
Oxidationsmittel:oxidiert, nimmt Elektronen auf und wird dabei selbst reduziert
Reduktionsmittel:reduziert, gibt Elektronen ab und wird dabei selbst oxidiert Redoxreaktion: chemische Reaktion, bei der Elektronen übertragen werden.
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 389 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 389 NTG
10 SG
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 399 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 399 NTG
10 SG
ElektrolyseBatterie/Galvan. Element
Donor-Akzeptor-PrinzipProtolysereaktion
Redoxreaktion
Elektrolyse:Eine Redox-Reaktion wird mit Hilfe einer Spannungsquelle durch Zufuhr von elektrischer Energie erzwungen
Galvanisches Element:Die Umkehrung der Redox-Reaktion setzt elektrische Energie frei.
Elektrolyse Galvanisches Element
ZnI2 à Zn + I2 ΔEi > 0 Zn + I2 à ZnI2 ΔEi < 0
erzwungen freiwillig
Fast alle chemischen Reaktionen können als Donator-Akzeptor-Reak-tionen beschrieben werden.
• Protolyse-Reaktion: Protonenübergang• Redox-Reaktion: Elektronenübergang
Donator Akzeptor
Protolyse-Reaktion
Säure Base
Redox - Reaktion Reduktionsmittel Oxidationsmittel
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4010 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4010 NTG
10 SG
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4110 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4110 NTG
10 SG
Kohlenwasserstoffe
Homologe Reihe
Kohlenwasserstoffe sind nur aus C- und H-Atomen aufgebaut.
In einer homologen Reihe werden Moleküle zusammengefasst, die sich nur durch die Länge ihrer Kette aus -CH2- Einheiten unterschei-den.
Beispiel: Alkane (Methan - Ethan - Propan - Butan - Pentan - ...)
Allgemeine Summenformeln:Homologe Reihe der Alkane: CnH2n+2Homologe Reihe der Alkene: CnH2nHomologe Reihe der Alkine: CnH2n-2
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4210 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4210 NTG
10 SG
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4310 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4310 NTG
10 SG
Funktionelle Gruppen
Isomerie
Funktionelle Gruppen bestimmen mit ihren Eigenschaften das Reaktionsverhalten organischer Verbindungen:
C
O
C
O
OH
C C
C C
Alkene
Alkine
Alkohole Carbonylverbindungen(Aldehyde und Ketone)
Carbons‰uren Ester Amine
C
O
O
N
H
H
O H
Doppelbindung
Dreifachbindung
Carboxygruppe Esterbindung Aminogruppe
Hydroxygruppe Carbonylgruppe
funktionelle Gruppen
IsomereUnterschiedliche Verbindungen
mit gleicher Summenformel
Konstitutionsisomere(Strukturisomere)
unterschiedliche Verknüpfung der Atome, z.B.
Stereoisomereunterschiedliche Anordnung
der Atome im Raum, z.B. E/Z-Isomerie
C C C C
n-Butan
2-Methylpropan
C C C
CC C
H
ClCl
HC C
Cl
HCl
H
Z - 1,2-dichlorethen E - 1,2-dichlorethen
Carbonsäuren
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4410 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4410 NTG
10 SG
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4510 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4510 NTG
10 SG
elektrophile Teilchennucleophile Teilchen
Radikale
organische Reaktionstypen:
Substitution
Elektrophile Teilchen haben an einer Stelle ein Elektronendefizit, sind also positiv geladen oder polarisiert.
Nucleophile Teilchen haben an einer Stelle einen Elektronenüber-schuss, sind also negativ geladen oder polarisiert. Sie haben mindes-tens ein nichtbindendes Elektronenpaar.
Elektrophile Teilchen (Elektronenakzeptoren) reagieren stets mit nucleophilen Teilchen (Elektronendonatoren).
Radikale sind Teilchen mit mindestens einem ungepaarten Elektron. Radikale sind besonders reaktiv.
Organische Verbindungen mit Einfachbindungen (Alkane, Alkohole, Halogenalkane) haben die Tendenz zu Substitutionsreaktionen:Zum Beispiel: Radikalische Substitution bei den Alkanen
H C C H + Br Br H C C Br H Br+Lichtenergie
Mechanismus (nur NTG):Die Radikalische Substitution läuft in drei Schritten ab:- Startreaktion (Bildung eines Radikals, z.B. durch Lichtenergie)- Ketten(fortpflanzungs)reaktion- Abbruchreaktionen (Kombination zweier Radikale)
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4610 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4610 NTG
10 SG
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4710 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4710 NTG
10 SG
organische Reaktionstypen:
Addition
organische Reaktionstypen:
Kondensation und Hydrolyse
Organische Verbindungen mit Mehrfachbindungen (Alkene, Carbonylverbindungen) gehen Additionsreaktionen ein:Zum Beispiel: elektrophile Addition bei den Alkenen
C C + Br Br C C
Br Br
Mechanismus (nur NTG):- Angriff des elektrophilen Teilchens an der Doppelbindung (hier: δ+ Br→Br δ-)- im zweiten Schritt nucleophiler Angriff (hier: Br-).
Kondensationsreaktion: zwei Moleküle verbinden sich miteinander unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (z.B. H2O: Esterbildung)
Hydrolyse:Spaltung einer Verbindung durch Reaktion mit Wasser (z.B. Esterspaltung)
Veresterung Esterspaltung
OC
O
R1 H O R2H+Kondensation
OC
O
R1 R2 + OH2Hydrolyse
Carbonsäure Alkohol Ester Wasser
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4810 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4810 NTG
10 SG
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4910 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 4910 NTG
10 SG
Redoxverhalten der organischen
Sauerstoffverbindungen
Nachweisreaktionen für Aldehyde
C
H
H
C OH
H
H
ROxidaton
Reduktion
R1 C OH
H
R2Reduktion
Oxidaton
R1 C OH
R3
R2
Oxidaton
Reduktion
primärer Alkohol
sekundärer Alkohol
tertiärer Alkohol
C
H
H
C
O
H
ROxidaton
Reduktion
Aldehyd
C
H
H
C
O
OH
R
Carbonsäure
Oxidaton
Reduktion
R1C O
R2
Keton
Oxidaton
Reduktion
Nur Methansäure ist noch zu Kohlenstoffdioxid oxidierbar.
Fehlingsche ProbeEine alkalische wässrige Lösung von Kupfer-(II)-sulfat wird bei vorsichtigem Erhitzen durch Aldehyde zu rotem Kupfer-I-oxid (Cu2O) reduziert (ziegelroter Niederschlag).(Ketone reagieren nicht)
SilberspiegelprobeHier werden Silber-(I)-Ionen einer ammoniakalischen Silbernitratlö-sung (Tollens Reagens) bei vorsichtigem Erhitzen durch Aldehyde zu metallischem Silber (Silberspiegel) reduziert.(Ketone reagieren nicht)
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5010 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5010 NTG
10 SG
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5110 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5110 NTG
10 SG
Wichtige sauerstoffhaltige organische Verbindungen
Fette
Fette sind Triglyceride, d.h. Ester aus Glycerin und drei Fettsäuren. Fettsäuren sind langkettige gesättigte oder ungesättigte Carbonsäu-ren.
Methanol Treibstoff
Ethanol Genussmittel, Brennstoff, Lösungs- mittel
Hexan-1,2,3,4,5,6-hexol (Sorbit) Zuckeraustauschstoff
Methanal (Formaldehyd) Ausgangsstoff für Kunststoffe, Kon- servierungsstoff (Anatomie)
Propanon (Aceton) Lösungsmittel
Methansäure (Ameisensäure) Bestandteil von Ameisen- und Brennesselgift
Ethansäure (Essigsäure) Essig, Konservierungsmittel
Fruchtester Bestandteil natürlicher Aromen
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5210 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5210 NTG
10 SG
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5310 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5310 NTG
10 SG
Kohlenhydrate:
Monosaccharide
Monosaccharide sind entweder Polyhydroxyaldehyde oder Polyhydroxyketone,
Beispiele:
Glucose (Traubenzucker) Fructose (Fruchtzucker) Aldose Ketose
Disaccharide Monosaccharide werden durch glycosidische Bindungen zu Disacchariden oder Polysacchariden verknüpft.
Beispiele:Maltose Saccharose
O
OH
HH
OHOH
H OH
H O
H
OH
OH
H
H
CH2OH
CH2OH CH2OH
Kohlenhydrate:
Disaccharide
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5410 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5410 NTG
10 SG
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5510 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5510 NTG
10 SG
Proteine:
Aminosäuren
Kohlenhydrate:
Polysaccharide
NH2 C H
R
CO OH Carboxygruppe
Aminogruppe Rest
Aminosäuren (2-Aminocarbonsäuren; α-Aminocarbonsäuren)allg. Schema:
Nur 20 Aminosäuren mit jeweils unterschiedlichem Rest bilden die Bausteine der Proteine („proteinogene Aminosäuren“).
Polysaccharide sind lange Ketten von glycosidisch miteinander ver-knüpften Monosacchariden. Beispiele sind:
Amylose (aus α-Glucose; spiraliges Molekül)
Cellulose (aus β-Glucose; gestrecktes Molekül)
O
CH2OH
OH
OH
HH
H
H HO
CH2OH
OH
OH
HH
O
H
H
H
O O
CH2OH
OH
OH
HH
H
H HO
CH2OH
OH
OH
HH
H
H
H
O
Stoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5610 NTG
10 SGStoff/Teilchen Donor/Akzeptor EnergieGleichgewicht Struktur/Eigenschaften 5610 NTG
10 SG
Proteine
Proteine: Aminosäuren werden durch Peptidbindungen zu Ketten verknüpft.
• Primärstruktur: Reihenfolge der Aminosäuren (AS-Sequenz),• Sekundärstruktur: Regelmäßige geordnete Strukturen innerhalb der Aminosäurekette, die durch Wasserstoffbrücken zwischen Pep-tidgruppen stabilisiert werden: α-Helix oder β-Faltblatt.• Tertiärstruktur: Räumliche Anordnung der Helix- bzw. Faltblatt-struktur durch WW zwischen den Resten• Quartärstruktur: Räumliche Anordnung mehrerer Polypeptid-Ket-ten zu einem Gesamtprotein.