Aufbau der Materie Flashcards
Was ist Materie?
alles was eine Raumerfüllung (Volumen) und eine Masse (Maß für die Menge/Trägheit von Materie) hat
Wasserstoffbrennen
Bildung von Helium aus Wasserstoff durch Kernfusion
Nächster Schritt: Heliumbrennen
Bildung von Beryllium aus Helium und Bildung von Kohlenstoff aus Beryllium und Helium
Masse des Universums
Wasserstoff
Helium
Sauerstoff
Kohlenstoff
Masse der Erdkruste
Sauerstoff
Silicium
Aluminium
Eisen
Masse des Menschen
Wasserstoff
Sauerstoff
Kohlenstoff
Stickstoff
Das Urkilogramm besteht aus
90% Platin und 10% Iridium
Heterogene Gemische
- sind an einer Phasengrenze zu erkennen, somit sind sie nicht einheitlich
- mindestens zwei Phasen (unterschiedlicher Aggregatszustand)
Was ist Masse?
Maß für die Menge von Materie
Maß für die Trägheit von Materie
Was ist Gewicht?
Anziehungskraft die auf eine Masse von der Erde ausgeübt wird
Proportional zur Masse (in Abhängigkeit vom Abstand zum Erdmittelpunkt)
Woher kommt Materie?
Vor ca. 13,7 Milliarden Jahren
Bildung der Elemente durch Kernfusion
Merkmale der Materie
Unterschiedliche Substanzen
118 Elemente
ca. 50 Millionen anorganische und organische Substanzen
Physikalische Eigenschaften der Materie
- Substanz bleibt erhalten
- Farbigkeit
- Magnetismus
- Änderung des Aggregatzustands
- Leitfähigkeit
- Schmelzpunkt
Chemische Eigenschaften der Materie
- Substanz verändert sich
- Elektromagnetismus
- Flammpunkt
- Passievierung
- Legierbarkeit
Heterogene Gemische
- sind an einer Phasengrenze zu erkennen
- sind nicht einheitlich
- mindestens zwei Phasen (unterschiedlicher Aggregatzustand)
- Gemenge (fest/fest z.B. Mineral)
- Suspension (fest/flüssig z.B. Schlamm)
- Emulsion (flüssig/flüssig z.B. Milch)
- Aerosol (fest/gasförmig z.B. Rauch)
- Aerosol (flüssig/gasförmig z.B. Nebel)
- Hartschaum (fest/gasförmig z.B. PU)
- Schaum (flüssig/gasförmig)
Durch welche Verfahren kann man Heterogene Gemische trennen?
- elektrostatische Trennung
- Flotation
- Dekantieren
- Zentrifugieren
- Extraktion
- Trocknen
- Sedimentieren
- Filtration
- Sortieren
Homogene Gemische
- variable Zusammensetzung von ununterscheidbaren Phasen
- einheitlich
- eine Phase
- Lösung (flüssig/flüssig z.B. Meerwasser)
- Legierung (fest/fest z.B. Messing, Bronze)
- Gasgemisch (gasförmig/gasförmig z.B. Luft)
Durch welche Verfahren kann man Homogene Gemische trennen?
- Kristallisation
- Extraktion
- Trocknen
- Destillation
- Chromatographie
Was ist eine reine Substanz?
- feste Zusammensetzung
- wird unterscheiden zwischen Verbindungen (ca. 60 Millionen) und Elemente (118 bekannt)
Was ist der Aggregatzustand?
verschiedene Zustände von Substanzen, veränderbar durch die Parameter Druck und Temperatur
Chromatographie
auf Reaktion zurückzuführen
vor der mobilen Phase gibt es einen Trenneffekt durch Transportverzögerung bei Absorption von der
stationären Phase, je schwächer die Wechselwirkung, desto stärker werden die Bestandteile in der stationären Phase gehalten → Streifen
Gesetz der Erhaltung der Masse (Lavoisier)
im Verlauf einer chemischen Reaktion bleibt die Masse der beteiligten Komponenten konstant
Gesetz der konstanten Proportionen (Proust)
Elemente kommen in einer chemischen Verbindung immer im gleichen Maßverhältnis vor
Gesetz der multiplen Proportion (Dalton)
die Massenanteile der Elemente in allen chemischen Verbindungen steht in einem ganzzahligen Verhältnis
Was sind Elemente laut Robert Boyle?
Elemente sind Substanzen, die sich nicht in andere Stoffe zerlegen lassen
moderne Athomtheorie
- Thomson’sches Atommodell (1903)
- Rutherford’sches Atommodell (1911)
- Bohr’sches Atommodell (1913)
- Orbitalmodell (1928)
Dakton’s Atommodell (1808)
- Elemente bestehen aus Atomen (atomos=unteilbar)
- alle Atome eines Elements sind identisch und alle Atomen verschiedener Elemente sind verschiedene
- bei chemischen Reaktionen werden Atome miteinander verbunden oder voneinander getrennt
- Atome werden nie zerstört oder neu gebildet
- Chemische Verbindungen = Verknüpfungen von zwei oder mehrer Atomen verschiedener Elemente
Kathodenstrahlröhre
- Enstehung ein Stahl eines Partikels, welcher sowohl von E als auch B umgelenkt werden kann
- Elektrische Ablenkung wird ausgenutzt um die Masse-zu-Ladung-Verhältnisse q/m zu bestimmen (q/m = -1,7588 x 10*8 C/g)
- Anion (-) zur Anode (+)
- Kation (+) zur Kathode (-)
Millikanversuch
- elektrische geladene Öltröpfchen werden im elektrischen Feld eines Plattenkondensatores in der Schwebe gehalten, um die Elementarladung e und die Masse m des Elektrons zu bestimmen
- Ladung: q = -e = -1,6022x10*(-19) C
- Masse: m = 9,1094x10*(-28) g
Rutherford’s Streuversuch
Die Goldfolie ist ganz dünn und mit (alfa)-Teilchen
(He-Kerne) beschossen
Die meisten (alfa)-Teilchen gehen ungehindert durch die Folie durch, andere werden abgelenkt oder zurückgeschlagen
Schlussfolgerung:
- der Atomkern ist sehr kleinin Verhältnis zum ganzen Atom aber macht den größten Teil der Masse aus (Protonen und Neutronen)
- die Hülle wird durch präsidierende Elektronen gebildet, welche den größten Teil der Volumens ausmachen
- Elektronen kompensieren die positive Ladung des Kerns
(alfa)-Strahlen
aus 2 Protonen und 2 Neutronen aufgebaut
ß-Strahlen
bestehen aus Elektronen
(gamma)-Strahlen
kurzweilige und energiereiche elektromagnetische Strahlen
Was ist Massenspektrometrie?
Verfahren zum messen der Masse-zu-Ladung-Verhältnisse q/m von Teilchen
=> bei bekannter Ladung q kann die Masse m der Teilchen ermittelt werden
Aus was besteht ein Element?
- aus Atomen gleicher Sorte
- gleiche Anzahl von Protonen, gleiche Kernladungszahl, gleiche Anzahl von Elektronen
Was sind Isotope?
Isotope sind selbe Elemente mit unterschiedlichen Massen (Nukleonenzahl)
Wie sind die Elemente im Periodensystem geordnet?
Nach zunehmender Ordnungzahl Z (Zahl der Protonen)
Wie berechnet man die mittlere Atommasse?
U = sommatoria (Nuklidmasse x Isotopenhäufigkeit)
Atomare Masseneinheit (Definition)
1/12 der Masse eines Kohlenstoffisotops
Was ist die Atommasseneinheit?
U = Unit
1 u = 1,660540x10*(-24) g
Radiocarbonmethode
- N14 zerfällt in der Stratosphäre und wird C14
- Gleichgewicht von C12 und C14 in lebenden Organismen
- kein Metabolismus bei Totem Gewebe (Verschiebung des Gleichgewichts hin zu C12, da C14 zerfällt => Halbwertszeit)
Was ist der Massendefekt?
Massenunterschied zwischen der tatsächlichen Masse eines Atomkerns und der stets größeren Summe der Massen der in ihm enthaltenen Nukleonen (Protonen und Neutronen).
Massendefekt Merkmale
- der Massenverlust steckt in Kernbindungsenergie nach E=mc*2
- Massendefekt erreicht sein Maximum beim Isotop Fe58
Was ist der Grund für die Abweichung von ganzzahligen Massenzahlen im PSE
Isotopenverteilung und Massendefekt
Was ist das Mol?
Ein Mol ist die Stoffmenge, die aus genauso vielen Teilchen besteht, wie Atome in 12g des 12C6-Isotops
Diese Zahl entspricht der Avogadrozahl NA
1 Mol = 6,02214x10*(23) Teilchen
Formel der Molaren Masse
M=m/n
Molare Masse M [g/mol]
Masse m [g]
Stoffmenge [mol]
H2
Wasserstoff
N2
Stickstoff
O2
Sauerstoff
F2
Fluor
Cl2
Chlor
Br2
Brom
I2
Jod/Iod
P4
Phosphor
S8
Schwefel
H2O
Wasser
H2O2
Wasserstoffperoxid
NH3
Ammoniak
C6H12O6
Glukose
H2SO4
Schwefelsäure
N2H4
Hydrazin
NH2OH
Hydroxylamin
HCl
Chlorwasserstoff
H2S
Schwefelwasserstoff
CO2
Kohlenstoffdioxid
CO
Kohlenstoffmonoxid
AsCl3
Arsentrichlorid
PF5
Phosphorpentafluorid
Was ist elektromagnetische Strahlung?
Elektromagnetische Strahlung ist die Welle eines oszillierenden elektrischen und magnetischen Feldes
Wellenlänge (lamda)
Amplitude A
Intensität A*2
Ausbreitungsgeschwindigkeit v
Frequenz v
Ausbreitungsgeschwindigkeit v im Vakuum
Lichtgeschwindigkeit c = 2,99792458x10*8 m/s
c = Wellenlänge (m) x Frequenz (/s) bzw. (Hz)
Was ist Flammenfärbung?
beim Erhitzen diverser chemischer Substanzen z.B.
mit einem Bunsenbrenner lässt sich ein charakteristisches Leuchten beobachten, welches auf e -Übergänge zurückzuführen ist
Was sind Atomspektren?
- wird einen Atom ausreichend Energie hinzugefügt, lassen sich dessen äußere Elektronen vom Grundzustand auf energetisch höherligende angeregte Zustände anheben
- diese Zustände haben ein definiertes Energieniveau, die bei der Rückkehr in den Grundzustand (Relaxieren) in Form einer Lichtaussendung wieder frei wird
Spektrum von Wasserstoff: System 1 e-, 1 p
- auftreten von Spektrallinien bedeutet diskrete (gequantelte) Energiezustände
- diese Energieniveaus sind offensichtlich systematischer Natur
- warum gerade diese und nicht andere Frequenzen bzw. Energien?
Bohr’sches Atommodell
- Elektronen können sich nur auf definierten, um den
Kern konzentrierten Kreisbahnen aufhalten - Schalen haben 7 Energieniveaus (K,L,M,..) und einen definierten “Radius”/definierte Energie/definierte Energiedifferenz
- Nur während des “Schalensprungs” kann sich das Elektron “zwischen“ den Schalen aufhalten
- diskrete Energieniveaus: definierte Energie zur Überwindung des Übergangs von Grundzustand zu angeregtem Zustand; Relaxion der e- aus angeregtem in Grundzustand führt zur Emission definierter Energiemenge
Welle-Teilchen Dualismus
Licht ist Welle (Eigenschaften: Wellenlänge λ; Amplitude A, Ausbreitungsgeschwindigkeit v und Frequenz ν) und Teilchen (Eigenschaft: Ort und Impuls) gleichzeitig
Photoelektrischen Effekt
Licht löst aus Metallplatten Elektronen heraus. Dieser Effekt tritt jedoch nur ab einer gewissen Grenzfrequenz des Lichts auf, die für jedes Metall spezifisch ist. Unterhalb der Grenzfrequenz werden keine Elektronen herausgelöst, wie intensiv das Licht auch sein mag. Die kinetische Energie der Elektronen (oberhalb der Grenzfrequenz) steigt proportional zur Frequenz an.
Was ist Licht?
Licht ist ein Strom von Teilchen: Photonen
Energiegleichung
E = h x v
E: Energie [J]
h: Planck-Konstante (6,63x10*(-34) J/Hz)
v: Frequenz [/s] bzw. [Hz]
Luis De Broglie
- Nun kann jeder Masse eine Wellenlänge zugeordnet werden und mit jeder Wellenlänge eine Masse bestimmen
- jede Masse kann als Welle beschrieben werden => λ=h/(m x c)
- je kleiner und schneller, desto stärker/höher die Wellenlänge
Teilchen mit Wellencharakter beschreiben
- große Massen mit geringer Geschwindigkeit haben kleine Wellenlängen (Wellencharakter vernachlässigbar)
- kleine Teilchen mit hoher Geschwindigkeit (z.B. Elektronen) haben Wellenlängen in der Größenordnung ihres Aufenthaltsortes
Werner Heisenberg
- die Aufenhaltsort des Elektrons ist nicht bestimmbar
- um ein Elektron zu orten, ist ein elektromagnetische Strahlung mit sehr kurzer Wellenlänge (entspricht eine hohe Energie) notwendig; der entsprechende Impuls bewirkt eine Ortsveränderung des zu beobachtenden Elektrons
- Ort und Geschwindigkeit eines Elektrons sind ne gleichzeitig bestimmbar
- Heisenberg’sche Unschärferelation (vedi appunti)
Schrödingergleichung
- fundamentalste Formel in Chemie und Quantenmechanik
- um dem Welle-Teilchen-Dualismus Rechnung zu tragen, ersetze Schrödinger die Bahnkurve eines Teilchens durch eine orsabhängige Wellenfunktion (vedi appunti)
- Elektron wird als Wellenfunktion beschrieben
- der Ort des Elektrons kann nur mit einer gewissen Aufenthaltswahrscheinlichkeit bestimmt werden
- die Wellenfunktion wird mit charakteristischen Orbitalen, definierter Struktur und Energie beschrieben
- die Energieniveaus der Elektronen werden als dreidimensionale stehende Wellen beschrieben
- die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen entspricht dem Quadrat der Wellenfunktion; Lösung der Schrödingergleichung ist nur genährt möglich, liefert aber gequantelt Energiezustände
Quantenzahlen
- um die Aufenthaltsbereiche und die begrenzenden Knotenebenen zu charakterisieren
- n Hauptquantenzahl
- l Nebenquantenzahl
- m Magnetquantenzahl
- n Spinquantenzahl
Quantenzahl n
- energetische Lage und mittlerer Kernabstand
- n (1,2,3,4,…)
Quantenzahl l
- Bahndrehimpuls: Gestalt (Raumausdehnung) des Orbitals
- l (0,1,2,…, (n-1))
Quantenzahl m
- Orientierung des Orbitals im Raum
- m (-l,-(l-1),…,0,…,+(l-1),+l)
Quantenzahl s
- spin up bzw. spin down
- s (+1/2 oder -1/2)
s-Orbitale
- l=0, m=0
- zu jeder Hauptenergiestufe gehört ein kugelsymmetrisches Orbital
- bei 1s (Atomorbital des Wasserstoffs) gibt es die größte radiale Aufenthaltswahrscheinlichkeit bei 53pm und keine “Knotenebene” mit Quadrat der Wellenfunktion=0
- Elektronen führen keine Rotation um den Atomkern aus (das Elektron hält sich am liebsten genau am Ort des Kerns auf
- Knoten = Aufenthaltswahrscheinlichkeit 0
p-Orbitale
- sind Hantelförmig und stehen senkrecht aufeinander
- liegen genau auf Achsen
- sie werden erst in der zweiten Perioden besetzt
- die Elektronen werden in 3 Klassen eingeteilt (x,y,z) und unterscheiden sich in ihrer Quantenzahl
- bei höheren orbitalen kommt ein weiterer Orbitallappen hinzu
d-Orbitale
- sind doppel-hantelförmig
- Vorzeichen der Wellenfunktion sind anders (gegenüberliegende Hanteln haben das gleiche Vorzeichen)
- sie liegen zwischen Koordinatsystem und nicht ganz auf Achsen
- Ausrichtung verläuft in Raumachsen x,y,z und sie besitzen 2 Knotenebenen
- höhere d-Orbitalee haben die Hauptquantezahl n=4 und sind Doppel-Hanteln und besitzen 4 Knotenebenen
f-Orbitale
- Hauptquantenzahl n=4
- sind tripple-Hanteln und besitzen 3 Knotenebenen
- sind radialer und gleichmäßiger als die anderen Orbitalen
- besitzen 6 Orbitallappen, die um den Kern gruppiert sind
g-Orbitale
- höhere Orbitale als die f-Orbitale werden mit den Buchstaben (g,h,j,k) bezeichnet
- sind in der Natur nicht mit Elektronen besetzt, Elektronen der anderen orbitale können aber durch Energiezufuhr in diese Orbitale “angehoben” werden
