Chemie: Grundlagen, Aufbauwissen, Anwendungen und Experimente, 8. Auflage

U C'I.' ro liltllll io n

Im ddtro.<,,,'ischen Fetd we rden die elektrisch geladen..'tl Feslkörpcrteilchc'JI abgelrennt. HO!i.lpi,.{: Ab gascr nstaubua g in Kra ft- und Stahlwerken

Sedimen llllion

n ie dichtere , unmischbare Flüssigkeit seilt sich unter ei ner weniger dichten ab.

( Abscllcn la~~n )

Hd,pi"': Olabscheider im Gullj vo n Kfz-Waschplätzen

ZC'nlrifueieIT n

IIt'i.lp icl: Tre nnung vo n Sahne und Milch

:l!!\orb il' rt n ( Adso rpliu n)

[i n Ilüssigcr Stoff wi rd an der Oberfläche eines fe sten Körpers. de m .M.w rplimWll ill el. d urch p hysika lische Wechselwirkungskräne ge bunde n. Beispie l: ( ira nulat Ilir verschüttete Che mi kalien.

Il c,t illicrrn

Wegen ungleicher Siedepunkte verd am pfen flüc htige Stoffe bei niedri geren Siedetemperaturen a ls schwe r flüchtig e Stoffe und we rden d urch Kühlung konde nsiert. fle i ,\p " 'I.' Hruuntwcinhcrstcllung, traktioniertc l.rdöldcstillaticn

.l!!,m·h icrcn (Ab surpt iun )

Dce gas tllnn ige Stoff wird durch e inen festen oder flüssigen StolT ( Adsurptions mi ud) physikafisch gelüst (/'hy,~iwl'fJ/i(!II) oder chemisch ge bunden (Chl'lIIi.
.\ bt rC'iht'n (Strip po."TI )

Die Lo sfichkeit des Gas es in der Flüssigkeit ist 10m l)nJ ~k und \ n n der Te mpcr..tur abhllng ig. Iki.lpi"': Vakuumentgasung I'on Meta llschmclzen: Einbla sen m ll I'n: sslutl in Lösungen

.\ th o rh iC' rTn

H"i'\l'it'l: Gasmaskcn lihl'l" ge gl"TI Dämpfe

Mil Ililfe d nl'l"fl üss igke it wird da" Gas hefVu.
.\ h, ,,r p tin n

Hd ,p w l .- Gasrcinigung: Aus KOkcreigas wird Ammon iak mi t Wa sSl,.'1" und Ben / ol mit

\\ a."Chen (l1'isung). Sch" e felwas.'if.'1"Sloff an fcst..-s

F.iSl,."fIh~ dn•.\ id

01

ausge-

c h"'1llisch gebund""TI.

.\d "llrption

Bindung eill\.-s Stoffes an e iner Oberflllcbc. Rd~l'icl. Ga'>llla., k..'tllilter

"':ondC'n'llt inn

nie unl"'f"SChicdlichcn I 'elj!ussigu ngslemperu lurefl dL'T belei ligten Stoffe \\l.-rdcn l ur Trennung a osge nullt. H.'is/"dl'.' ,\ us fti.....-en \0Il 11'isI.-miud dlimpfe n in eill\..,. KQhlfa[]c.lk 'StilJatio n

10

[

1.8

A llgcn~ inc

lind Alx'rganischc Chemie

Anal se und S nthese: So funktioniert Chemie!

v ermischt man Schwefel (chem isches Zeichen: S) und Eisenpulver (Fe). sind in dem Gemenge die gelben Schwefelkörner und die grauen Eisenpartikel erkenn bar. Taucht man einen glühenden Draht in d ie Mischung. entzündet sich der Schwefel und das Gemisch glüht selbstständig we iter; es riecht stechend und e in schwarze r FeststofTentsteht der nicht wie Schwefel auf Wasser schwimmt und n icht wie Eisen magneti "Ch i"l. n ie r eue Verhindung heißt n ..ens ulfid (FeS ) und ist aus Eisen und Sch wefel zusammengesetzt.

®

Eisen

®®

CD

+

Eisensulfid

Schwefel

Rcinstolf

Reinslnlf

Ek."IT'k."Il1

U."Illl.:nt

RcinstotT Verbindung

Das G...'01isl.:h aus Eisc."Il und Schwefel kann man durdi ph)silaJi"Chc in die All"!!llJ1g..~ o lTe 1\."fk.-geß. Bei Eisensullid misslingt dies, FeS ist also nicht die Mischung .Fe + S- . sondern die v eelnigung IU ein.:rn l'M.,a,:n SlofTrnit ei~cntiirnlictll..'fl SwfTdgl'flsdlaften.

Tn.~\ e..-fahn.'T1

S".nthese bedeutet I. d ie Vere inigung chemischer Elemente oder allgemein 2. die UmSt.1ZUng von Ausgangsstoffen ( EduJae) durch chemische Reaktion zu neuen chemischen Verbindungen (ProJlIl<1e). Die Zerlegung einer Verbin dung in die sto fflichen Bestandteile nennt man A na l",'se.

... n ~nn~nd~ t.:~r,~. Das f "erdampfrfl \ 00 Wadi s i~ ein (lh}sikalisdlt.'f Vorp,ang und mecht die ~crn: kidill'f. Die I"erbrrflfl/lIIg \00 Wao..its mit Lull'iaut:TSltlfTTU Kohlt.'lldi<.I\ k1 und wasscr ist ei~ dk.m ischc RCakti<.lll (O\idation). I·c'.tk.'f i~ kein SlufT; die f-"lammc k:uchll'l durch ~1üht.'Ode Rußtcilchcn. dt.'flOdie Veriln:nnung S<.'V1 IIllnne &l:i (e \o lht."t'1llC Rl-aktklll). Ei~ gesch keese"oc Apparatur auf eiI'M'. f Waage lCigt in"'l"SWlll lei~ MoKsc'03ndt.·nll1g.

Chem ische Reaktionen. bei den en g leichzeitig Verb indunge n in Atome gespa lten (analysiert) und neue Stoffe gebil det (synt het isiert) werden. nen nt man Umsetzu ng. Edukte

I n .:menICtlder Verbindungen}

~=S= >="'="'=~j.~ tlI Anal}SI:

Prod ukte (Verbindungt:n )

Zerlegt man Wasser gewa ltsam durch den elektrischen Strom in wasscrsroff und Saucrsto ff entsteht die do ppelte Menge Wassersto ff Die Formel für Wasser lautet de mnach H10 .

~~ 11

11

+

11

2 11 10

Wasser Vl'fbimJung

11

®@

-

80

+

®@ 2 1h Wasserstoff 1:lenll' l!

+

0, Sauersto ff E k'111l'111

Stoffe. die man mit chemischen Methoden nicht weiter zer lege n kan n. heißen che mische Eleme nte. Elemente bestehen aus Ato me n. z. B. Eisen (Fe). Schwefel (S). Silber (Ag) und Gol d (Au). Die Elemente Wassers toff Hl • Sauerstoff 0 1• Stickstoff N!. Fluor F!. Chlo r Ch. Brom Br! und Iod 12 sind in der Nat ur abe r nur als zweiatomige Mo leküle beständig . Atome gehen bei chemi sche n Reak tionen niemals verloren. Die Produkte und die Edukte sind in Summe gleich schwer.

... WlI' IoC' n'Il'l.l ml}loC'. Mil 1 % Schwefelsäure lciUlhig gcrnecl acs Wasser IhO " in.! durch d en elektrischen Strom (0.5 A: 5 V) in ....\ ci Volumenteile Was.sc'TSlnlT und eiucn Teil SauerstofT A"t"It.'gt. 0 1 an dt.,. AOtltk ( + ) \\ ird durt:h Aufllam mcn ciI'M.'S (ilimmspans nechgewiesen . Ih an dt.'f Kathnd,: (- ) w I'pu ffi an dt.'f I.uft dllfltl _~nidl~",",pklSi<.lIlM zu Was.se'f.

I Chcrmc in Technik und Umwelt

11

W arum ist W ll SSl'I-1I 20 lind A m m o n ia k N H J ? Es verb inden sich immer etwa 2 g Wasserstoff (22 Liter) und 16 g Sauerstoff( 11 Liter) zu 18 g Wasser. Wasser hat die immer gleiche Zusammensetzu ng H!O . Das Bleic hmittel Wasserstoffperoxid 1-l!0 2 enthä lt 111H) " 2/~ ""6 % WasserstotTu nd 1110 ) = 94 % Sauersto ffim Atom verhä ltnis H : = 2 : 2.

°

11\' "

l'nll'tn lUII.Ie ZU"lImmtn"",ll' un l:

11' ~1 as s":l1alltci l x StullTn,..mgcnenrcil,

_ 111(2 11 ) -_ - 2g- _ -I _ _ l I. ' .' '0 1_ 111(11 : 0 ) 18 s 9

11~ 0, = 111( 01 = 16 g = ! "" gg.9% 11I(II ~ O)

18 g

.rll h = 111( 11 )/ .\1(11: 1 .r(0)

mt O) / .HIO :)

9

x, = n/'.:n,

~1t>lt.'1lhu ch :

m

d esStu tT...-s in kg n StulTIl1\.'1Ige in Mol

,

~ lassc

.\ 1 molare Masse in Gramm pro Mol " . ml.lI_ . 62 . 7.9

2 g 12 g mol = - = 2: 1 16 g / 32 g mol-1 0.5

Chemische Elemente verbinden sich in kon st anten M assen- und ~a nua h ligen Alom\erhältnissen. 0...'1' Atommultiplikator •..2•• in HP bedeu tet die konstant e Zusammensetzung H---Q---H. "' 6.1.3

1

031 N,

ffi5

ffi5

11

11

+

@

~ ~

11

11

11

11

11

.2 Nil }

3 H!

Stic kstoff

Was serstoff

Ammoniak

Elt.'1lk.'1lt

H_ '1Il\.'1It

VabiooUßg

Die Gesamtzah l der Atome und d ie Mas se ble ibt bei chemischen Reakt ion en kon stant. Man berücksichtigt d ie Mas senerhaltu ng durch Koeffl z jenten (Zahlenfaktoren) in de r Reaktionsg leichung. Links und rechts dc-s Reakt ionsp feils müssen gleich viele Ato me jedes Elementes stehen. Ein fach abzählen! 2 N·Atome

28g.

+ +

) ·2

l i-Atome

! N + 6 11

:;·2

g

2-I7g

Gase verb inden sich außerdem in konstantem Volume ns u hä lt nis, we il ein Raumt eil (z. B. I m J ) j ed es idealen Gases dieselbe Tei tehen zahl enthält. Dies g ilt nicht für Flüssigke iten und Feststoffe. Das Gesamtvol umen und d ie Za hl der Mo lekü le können sich be i Gasreaktionc nj..x toch ände rn. "' 6.3 I Molekül I Raumteil

+ +

J Moleküle J Raumteile

\ VIUUIlt laufen chemische Reaktionen a b? Chemische Reaktionen laufen freiw illig ab. wenn d ie Produkte energieärmer sind als die Ausga ngssroffe: dann wi rd der Energieunterschied übe r alle chemischen Bindungen fre i. Eine exo/lu:rlllt' Reaktion setzt Wänne frei. "' 6.5. Bei der Ver bren n ung reag iert Sauers toff mit einem Brennstoff; es hande lt sich um e ine Oxidation. Die Reaktionsprodukte C0 1 und lI 20 sind energieärmer als de r Brennstoff und O! zusamme n; daher w ird Energie in Fonn von Wänne und Licht frei. Bei einer endothermen Reaaion kü hlt die Umgeb ung ab; man muss w ärme zuführen . dam it d ie Edukt e überhaupt miteinander reagieren . Die nwrmodynumik ("' 6.6) sagt . wie viel Energ ie eine chemische Reakt ion benötigt ode r fre isetzt. Ob und w ie schnell die Reakt ion abläuft. entsc heide'! d ie ReuktiollSkinelik ("'6.7). Ohne Zufuhr der Aktivieru ngscnergie geht nichts! Ka ta tj sa toren besc hleu nige n Reaktionen du rch Ern ied rigung der Akuvierungsenergie und werden dabei nicht verbrau cht.

-;.

2 Moleküle 2 Raumteile

1-

Iki.'I'i..J..: Oxidatione n

C

+

Kohlenstoff

0)

cu,

S;llIl'Nnlr

Kohlendioxid

Auch bei Waldbrändengilt die Massenerhaltung . C0 1 alls der Reaktion I llIl Holz ((.) und l.uil (0 , ) kann wegen der l:I"lIan/ ichunl; nicht ins Wchall entweiche n. Lincn Feuerstoff wie die Alchemisten gfuubrcn.gibt es nicht wärme und Lichtsta mmen alt.' dem Umcrschicd der .Jreicn Bildungsemh alpicn" zwischen den Edukten und den Pr odukten. • 65.213

2 CIII,( )11 Alkoh"t

•

70 , Sa lJ\Tl>hlff

-4C0 1 + 6 11,0 Kohlendio xid und Wasser

",

•

3 1-"e

•

l'lx..... ['ho.lf

Eisenwolle

50,

1 1',0,

Sau!,.Tl>I"rr

Ph<...... pho..fo\ id

20.

I'C10.

Sauo,.Tlolt1rr

[ir.o:no\i d

11

12

[ A Ill:l~m<:inc lind AIlI'rganischcChemie

1.9 Chemische Ex erimente die h eislern! Ei nd r uc ksvolte Flam men Wenige Zentimeter Magnesiumband oder eine Spatels pitze l\I a ~n esi umpu l \'er werden in der Bunsenbrennerflamme entzündet. Durch e ine chemische Reaktion (Synthese. Oxidation. Verbrennung) entsteh t mit gre llem Licht ein weißes Pulver. Vorsicht! Magnes ium + Sa uersto ff - Magnesiumo xid Spektaku lär ox idieren Stah lwolle zu Eisenoxi d und Aluminiumpulvcr zu A lumi niumoxid . Et ha no l verbrenn t zu Kohlendioxid und Wasser. Nur Geübte so llten das Feuerspucken vorführen. Abstand ha lten! Kühlwasser bereitstellen! Uäda p pspo n:n bläst man mit e inem langen Glas roh r in die Bunsenflamrne. Vors icht! Abstand halten! Mit W h~ nt o rr~a s gefüllte Luftba llons an der Zimmerdecke explodieren lautstark. wenn man eine an einem 2 bis 3 m langen Stab befestigte Kerze heranfiihrt. Vorsicht! Wassersto ff + Sauerstoff - Wasser + Energie! O,Ktalionsmittd wie Kaliumnitrat geben beim Erhitzen Sauersto ff ab. dl,..r einen glimmenden Holzspann aufflackern lässt.

.&. 1)",,, J:cu~. rsdllud,l'f'" b1lW. e in Schnapsglas voll ElhwJuI in e ine feu..T...."lI~I1ammc. VOß~ht!

Flüt;t;i~er SlickstofT (- I%°C) verdeutlich t physikalische Vorgänge. Schutzbri lle! Handschuhe! DEWAR-Gefaß! • Einen Gummischlauch durch Einlegen in den Flüssigstickstoff unter den Gla,~plI"kl einfrieren und mit dem Hammer zersc hlagen. Spröde werden in der Kälte auch Tennisbälle. Äpfel. Blumen. Butterpl ätzchen. Eine gefrorene Banane wirkt gar als Hammerersatz. • v ot urnenändcru ngcn verdeutlicht ein aufgeblasener Luftba llon. der im Flüss igstickstoff zusammenschrumpft und sich bei Raumtemperatur wieder sel bst aufbläst.

Ge ldsc hei n in "lammen Eine Petrischale mit einer Ethano l-w asscr-Mischung ( 1 : I) füllen und e ine Spatels pitze Natriumchlorid dazu geben. Einen Geldschein oder ein Papiertaschentuch einwe ichen. mit e iner Tiege lzange entnehmen und mit einem Feuerzeug anzünden. Der Alkeholenteil an der Oberfläche verbrennt (Flammpunkt 12 °C. S iedetemperatur 78 °C); der feuchte Geldschein ble ibt unversehrt. Geldsche in. abwaschen. trocknen und weiterverwenden! Natrium färbt d ie Flamme sichtbar ge lb. Alkoho l wird oxidiert: 2 C 2 H ~O H + 7 0 2 - 4 C01 + 6 H10 . Källt'mi , ,,hu ng Vermisc ht man 15 g Bariumhydroxid und 5 g Ammoniumthiocyanat mit einem Glasstab. dann entwe icht Ammoniak. Dk"SC endathenue Reaktion wird durch d ie Zunahme der Teilchenzahl (Entropie) getrieben. " 6.5.3 ßa( 0 11 )f 8H ~ + 2 N I I~SCN - Ba(SCN)2+ 2 NH:; + 10 H~ Kata l~t;e Wasserstoffperoxid wird augenblicklich zersetzt. wenn man Braunstein Mn0 2 zugibt. Biokatalysatoren (Enzy me) in Karto ffeln oder Blut wirken ebenso. 2 H20 2 - 2 H~ + O 2.

. Umgang mit llUss igcm Slickstoff. Ein uufgeblaseuer l .utlballon nach dem Kältebad,

I Chcrmc in Technik und Umwelt

13

1.10 Auf aben mit Lösun en lum Üben die rechte Seile mit einem Hlan l'apicr abdecken.Aufgaben 1(1)<:11 und bei llt:darL.spi<:kcn", 1. Wodureh ullters.:hciJc n sich ph ~ sili.lIliSl,"ht' und f ht'mi"f hf \"0ll:ilnl:t'?

Ph}sikatischc Vorgänge: Zu.
2. Weshalh sind Änticnmg~'Il des II ggrcgiltzustand~"S keine chemischen IIblllufe?

Der StolT bleibt erhalten: ledig lich der Encrgieinhalt .k'!" Teilch..mbcwc gung ändcn sich.

3. Was sind ph}silalisd .... hAI . cbcrnische VOfl!.ängc? a] Auflösen eines Eisennagels in Sal/sllure b) I" :stillatio n 100 Bran ntwein c) Elektrolyse Ion Was....:r ..I) Glühen 100 MagOt."SiurnJlllhe.'!" 1.') Erstarren I on ,\ Ikohol in Jc r II: lIl1e b .tra1.tion \on II:am.'C g) J-"i ltration eil'll.'!' Gipslösung h) Cilalleishildung auf dc.'!' Straße im Winter i) Glühen eines Platindrahtes j) II:alk'll I on Hn>t (Verdauung) k) \lablen Ion Gc.'lfCidc I) Misdll.'ß \ ""11'I Was.~'T!i tolT und Sam..r stoff 01)Naphlhalingeruch (MuUcnkugdn) n} p).rol) sc H"II'I ZU<.."i.c'.!' 0 ) Radioal..til er Zerfall 1011 Radium zu Radon. p) Rauchen einer Zig3J1\: ql Rosten eines Stahlhlech...'S r) Vorgang: Ik'S Schc.'ßs s) Spaltung \l"ll'l l Jrom im II:c.'TTlrt.'"dklor t) Stnlmldtung in Mc.'1alJ...-n und Salzlösungen u) v erbrennen I on Il.cnzin im Moto.'" I ) Venl3ßlpfen Ion Was~'!' beim Teekochen \\) Vc.'fd Unr'k.'Il 1'0(1 Farbe mit Wa~sc.'!' 00.1. Terpennn x) Zerstäuben vun Parfum

o

) ) Zünden

\ 1"11'I

Knallgus.

,.Unterscheiden Sie eh... l )

Zusammen schmelzen eines Ker amikp ulvers

mi~ ch ... \'nhindun Kcn und Sroffgcmischc: Ci rafit. Kochsalz, Rost. Schwasvpulver, Streusalz, Wasser. wasscr in 01. Wasscrsllltf

S. Giht es lIHY%ig n ' inc SlolTc'!

..Was verstehtman unter l' hll' l' n'!

a) chemisch: Säurekorrosion h) physikalisch: Verdampfung, II:on'J....nSOltion c) chemisch: Wasscrspahung ..I) chemisch; es ernstehr ~lagOt.'Siumo\id 1.') physikalisch: Alkohol bleibt ,\ Ikoho l. n physikalisch: Ilcral,Ls!öscn I on StotTc.'ß g ) physikalisch: Trennung \ Oll Gips. und Was",,'!" h) ph}sikalisch: Eis ist gcfn>n:Ot.'S weeer. i) ph}silalisch: Platin bleibt !'Iatin. j) cbemisch: Verdauung ist Chemie! k} physikalisch: Änd.,:rung der Korngröße I) physikalisch: StolTmischung m) physikalisch; verdampfen Ion Naphlhalin nj cbernisch: Verl.okung 0) ph}silalisch: raJioa ktilc Strahlung pi cbcrnisch. Verbrennung Ion Tahilk q) chemisch: SaucrstoOl.orrosion r}chemisch: Real..tion des SchJlUlT'UTS (Rhodopsin) s) kernphysikalisch: II:emspa llung I) ph}silalisch: clcktrische l.eitP.1hip.dt u) chemisch: SloITum\\andl ung: \")physikalisch: Dampf'ist gasilinnigc'S we-scr. \\ ) physikalisch: Farbe hleibt Farbe. x) physikalisch: ÄIH.J...·nmg des l.ertd lung.sgm.,t...'S I ) chcr niscb: Reaktion zu Wa·'...er ~ ) ph) sikahsch: Änderung des Zerteilungsgrades Chemische l'erhindnng (Reinstnll) : Grant. Koc hsalz, Rost. wu sscr, Wa,scN o tf Stoffgemisch (aus mehreren Komp oucntcn): Schwervpub cr, SIreusalI . Wasser in Öl

Nein. Jeder Stoff ist Ion Natur aus mit anderen Stoffen vcrunreinigt. Eine I ~'oi ge Reinigung ist technisch nicht möglich.

(

Eine Phase ist ein homogener Teil eines Systems. der sich von anderen Teilen durch eine sichtbare ( irenzflächc abhebt.

7. I:rk13ren Sie den tJ n le rsch i~-d I\l ischen hUl1l ul:cnclI und hCll' w l:cnl' n Gemischen. 8. Was hcdeuten die Be /d ehnungen ..Ii..,lloidd iSllc",," lind ..i: ru bd il llc ",,· ~!

In honHlgenen C,emi,ehen lassen , k h keine I'hasen fcsLslcl1cn. ll clel'llgene Gernisd l<': Ilcstehen aus l ersehic.-dencn I'hasen.

9. Nennen Sie Il.cispiele filr fnlgc.'ßde Gcmisch...:

a} honl.~en : festJnllssig h) heterogen: f....,.t/fc."St c) hl>llJ(~en : nUssig/nUssig ..I) hctero gen: fc.'SI!gasRlnnig e) ht>lllogen: gasRlnnig/gasft'ormig

10. Was 1c."fSIeht man unlc.'T I.C'RiC' l'lInl:f n?

}.;olloiddiv ",rs(' Gt'mi.w he Il<::sillen submikroskopische. j~'t.Ioeh im Lichtstrahl erkennbare l cikhen ' Oll 10 ' bis I() • ('nl Durehmesser. Grohdispt:r.. 'e Gt'IIIi.\'c!1I.' bcsil/ en im Mikroskop erkennbare Teik hen \ on > 10 ~ , m I)urchlliesser.

a) l. H. Zuekerillsung b} (irani t: I') n t in ,kr "'ohle Iklvin , II:ohlen\la s..scrstolrgemischl : Weinhrand (Alkohul in WasSf,.'!") dl Rauch: Staub\\ olkc cl l.ull (CJCmisch aus Saocl':itulT. Sti(-kstolT. II:ohlcndio\ id und Edelgasen); Ilcizgas ( M~'1han. Slk kshllTu. a.)

"

Gemische \1"11'I !lktallcn (und clIl. Nkhlmc.'1allcn) odc.'T il1lc.'Tl1lc.'la llischo: Vc.'Tbindungc.'Il

11

I Allge n~ mc ' 1111

11 . Wo\on hängt tlic

Stoffeab'!

Lü ~l kh h~it

verschiedener

12. Unterscheiden Sie Ilh~ sil....li'ofht und cht nli'ofht Eil:t n'of hllrtt n von reinen Stolfcn. 13. Welcher StolTpasst zu diesen Eigcnschaüen? al hervorragende elektrische l.citfähigkeit b) hohe l.citfähigkcu und Schmelztemperatur cj sehr hohcr Schmcbpunkt und hohe Dichte tl) l.cicturnctaü mit gute... I.citr.thigkeil cl weiches . k:icht schmcl/.ban:s Schwermetall I ~ . 1lt. -schreiho."II Sie die Begriffe _ \ n ll ~ se- und _' ) nlhC'\('" anhand von Beispielen.

15. [ rtllult.Yrl Sie.: d..:11 ßc grilTl ·m..n/ unjt am nd spie:l der Reaktion \(lfJ EisensulfKl mit Sill/saure lU Sch"erel"assentolT und Eisc.-nchlorid.

16. \ 't rh r.:nnun jt a} Welche VOraUs,S4'17ungen mDs,S4"1l fIIr einen Brand er111llt sein? b) Wie Iösc"""n Sie einern (kund? 17. Zu"lllmm~n\('t/unjt \lln Ammoniak. I~ g StickslOlTuod 3 g Was.S4'NoIT reagieren mitcinandc.... a) Wieviel Ammoniak cn l-tehl? Warum? b) Aus \\ie \ icle" Pnulmt Wasscon;tolTund StkkstolTho."Sld ll Ammoniak? c) Wit..... icle Kikl[:.ral'llm StkLstolTsind in SOkg AmnMlIliak ehc.'misch gdxlIldc-n?

h e hcnnc

Ix' rgalll s ~ ~

Polare l.öscmiucljöscn bcvorvugt polare StufTe. Und umgekehrt: unpolar löst unpolar. Physikatische Eigenschaften: r, Il. Schmelzpunkt, Siedepunkt. Dichte. Farbe (AhsorpliUllS\l.'mlögl.'n). Löslichkeit. Chem ische Eigrnscbaften: Reaktil"ls\ emlögen mit Parmern

a}Siltll.... b) Kup fer; Stahl c j Wol fram d J Af urninium et Rlei Analyse: StofTzerlcg.ung.. z.B. die I'.lcl..tml) sc von WasSI.... 04:1' Reaktion \ (lfJ Was.St.... mit glühende... Kohle zu WasSl.'T'il.olTund KohlenslolTtl, jdc:n ICO. CO: ). 5.\7Ilhese: Stoffaufbau. r: Il. V~'fbrt.'tlnun g: C -+ 0 : ..... CO: Es \(t.'Tdc."Il gld~itig Verbindungo..... im Atcme gespah""11 {AnaI) sc) und nc:ue StolTeg..:hikl-t (S)"'hc-<). FeS + + Hel IbS Ft.{.'I: Ei5.ensul lid SaI~ Sdl"delEisenchlorid " 3'>SI,.' Nl.ff L gcnug..'fld ßn..... n.-tolT_ 2. I:m:icho..'tl do..'T EnlLfinJung...... tempcratar I_fl ammpunkt..). 3. aUSll:khcndc I.uftrofuhr. 1. En tzug \on Sau..'N
-

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1-' g + J g - 17 g (Mas..S4......'l'hahung!J

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IK. Ve-rglcichcn Sie je..sorbieren und Adsom iercn

al Flo /miut/: Trennung durch unterschiedliche Ikno.:t/t:>arl;cit: F.rL sch\\ imml durch anhaftende PTcsslullhl:Lsc hcn auf: Sand sinkt zu 1\011.." . Se,limefllll/iof/: Trennun g durch untcrschicdliehe Sinkgeschwindigkeiten im Sch.... <.'rcfeld der Erde. b] Dekamieren- Nach dem Ahscllen ein..'S Fc'StstuIT<.'s \\ ird die flüssige Phase ahgegos's<.'n. Fillr;"n.'//." Ahtrcnnung ICstcr Teil~h<.'n aus ein<.'r llUssigen I'hase tlureh ein<.' [Mlnb e Schkhl. c ) DesliI/'l/ iof/: VCNiUll pfl.'n <.' inl.'r nUs.sigkeitlintl Kondcnsation in einem KUh!<.'r: Trennung eines Ocmischcs dur"'h tlic \en;chietlcneß Siedepunkte. E.T/1Y,üitm: Ilcnmslilscn \UIl Stollen aus einer leste n odcr nicht mischharen l1Ussigen I'hase mit eincm l ./\scmiltd , d) Ab.s orplüm: ..O(ls....llschc.. in eincr F1 Uss igk<.' iL Ad:\orpliof/: Festhalten vun Stullen auf tler gn,lIen Ohcrlläche von l. B. Aktivkohk dun;h Wcchscl\\ irkungskrliHe.

1'1. Wie trennt man technisch Erle auf?

l.

B. S..oJillleßtation. Flutation.

~bgllc\Schcitlcll

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2

In der Atom lehre liegt der Sch lüssel für ein tieferes Verständnis chem ischer Vorgänge. Atom e bilden d ie kle insten. mit chemischen Mitteln nicht meh r teilbaren Bausteine der Materie. Sie bestehen aus Elementarteilchen. VOll denen Elektron und Proton in der Chem ie besond ers w ichtig sind. Atomm odelle veranschaulichen Aussagen über Atome und

atomare Vorgänge in vereinfachter Form.

2.1 Vorstellun en vom Atom Die Entdecku ng de... Radioakt ivität gegen Ende des 19. Jahrh underts zerstörte d ie Vorst ellung von der Unteilbarkeit der Atome. Nach zweieinhalbtausend Jahren fand dam it d ie Xatllrphilo.wphie bedeut ende... Griech en ihre ex perimente lle Bestätigung. Bere its im A ltertu m war DEMO'-:RIT (400 'I . Cbr.) der Ansicht. dass d ie gesam te Materie aus sehr kleinen. unteilbaren Teilchen aufgebaut sei. PU TOS (427-34 7 v. Chr.) und ARISTOH:U:S (384-322 v. Chr.) lehnten die Atomi stik ab. Warum so llte das gedan kliche Zertei len der Materie bei den Atomen halt machen? E!'IKUR pos tulierte Atome , da Materie durch unbegrenzte Teilung vemichtet würde. Um 1650 gingen Atome als Naturbausteine (minima nuturuJia) in die Sto fflehre ein . I BOYI.E ordnete die wüsten Tei lchenaggregate durch Strukturen und NEWTO:-';S Gra vitation ( 1686) erklärte ihren Zusammenhalt. DALTON prägte um 1803 die erste naturwissenschaft lich begrü ndete Vorstellung von kle insten Materietei lchen.!

• AlOml.: - kugefförmig, fest und unteilbar - formen die kle insten Te ilchen der Elemente. • Atome verschiede ner Elemente bauen Verbindungen auf. • Das .relarive Atomgew icht" kennzeichnet j ede s Element. FARAllAYS Elek trolyseversuche wiesen auf die Ladungsquantelung hin, TIIOMSON entdec kte 1897, dass man Atomen Elektronen entreißen kann. 19 11 entwic kelte RlnJ 1ERFORll nach experimentellen Untersuchungen eine Theorie über de n Aufbau der Atome , die BOIIR, SOMMI:: RFEU>, 5cHRÖI>IN(iER und andere Wissenschaftler zum qucnnenI//echcm;xchm Atommodell weiterentwic kelten. Neuere Erkenntnisse sehen das Elektron als ec htes Elementartei lchen. Proton und Neutron den kt man sich aus Quarks aufgeba ut und se lbst diese könnt en sich als te ilbar erweisen. I GASSENDI slcllle GIIU als l'r.
1

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Aufbau der Materie (Atomlehre) '"

t: n l\l k"'l u n~

dC'r .\ lonn O!"lIC'lIunR

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TH....l ES ( (,l 1Q \ . ( 'hr.): Wa~ser als Urstoff aller Dinge. I.EUKll'l'OS und Dt MIJt;. RIT (om 460-370 v , Chr.) l'nJ.:nken unt~i lbarc mOll/a als 11aI_L~lci nc dt.-s eil1\.'11 Urstuff.:s. EPI KUR (3-12-270 v. Chr. ): ..in Wahmcil gibt es nur Atume und Lccees - , 1"111 J2.!'O ARJSTOTf.lf.s· I .t.tll~ dt.... kootinuierlich aufgcbanc-n Matl..-ic ulme 11.'\". 1\.'11 Rawn. 1 ~- J7• .Ih, B e lebu ng dt.... ,\ Iumistik durch N. VON CUES ( I-IOI- I,UH). N , t.;cRR NI" lJS ( 1.173t 5-l3). G. BRUNO ( 15-1S- lbOO. minima im ,\ tht....). P. GASSENDI ( 1592· 1655). I>. S F.N~l-:RT ( 15721637•. -IIOm" sind minima flCl/um/ia). D. BASSO {um 1621) und J. JUNGlus t I587-1657). 1661 R . n O YLE ( 1627-169 11tII.-sd1n:ibt Partikel eil1\."l" ..allgc..... lt;iTll,.'Il \ Iatl..-ic- ; sie bildt.'11 primäre A'OI" ,"liotlt'n (seil x voo....DRo: Akme wxI M.lk..... IlIe ) und minuf'f/t' (Vl-rbindung\......1 \00 unll"f'dJcidOOn.'f ..Te\lur'""" Struklur ). 17117 I.....VOlSIER unk'I'SChcid.:1 Elemente und in sulche n,.·rkltban: I "erhindUngftl. IKOJJK J. ()Al TON (I 7h6-184·t \ tarn:h..' Sk"'): A lomh~ pullll....... und A ttlll1l,!e\\ icht~lalxl lc. IK7-4fl1 G. J. STONEY (1826-1911 ): das ..Etetfron" als "I rllgl"l" .....' r elcklrischt. 'I1 Ladung. IK!lI 11. V. IlEL MIK)lTl (I821- 1K9-t1: Eld.lrisehe Ladung als v icllachcs d.:r EIt..........'11tarladung. 1900 M. /'1...... N(·K( 1858-19471: Quanll'11tht.xme t 904 J. TlK>MS()N ( 111~ 1940): Atummudell. F.leklnlnen schwingen in cincr hom ogen pus ith10 geladenen Kugel HHI 10. m l>un:hm..'S S\.'f. I ')(l~ A, F1 N'in-:IN(1879-- 1955) erkl:lrt die Ilnm n ' sehe Tcilcbcnbc...w gung mit der Alnmtht.'l,Irie, 1'111 E. RtITI U'RFORD(1871-1937): Al.. Hllmodcll auf Basis Hili Sucuvcrsuchcn mit u-Strahlen. Atomkern aus Pnaoncn (postulicrt 19 13) und Ncurroncn (postuliert 192U). R. A. ~tl l llKAN misst die El el1l~l1lar1adunl:t tÖnröpfchcnvcrsuch). I'J t3 Atlll1l1ll0dell von N. HOIlR ( 1885-11)(,2). 1')16 Atommodell von A. SCJMMERF EI.D. t'J24 l..·V . lJE neocus ( 18l)2-]9&7): Materiewcllcu. Welle-Teilchen-Dualismus. Bestätigung durch EIe/.:/r(Jl/I'nh;,'IIK'IIIK an Kristall..'11 ( 1926). 1 92 ~ Entdeckung dl'S Elektmnc nspins. W, l' AlIU posluliert Kernspin lind Pauli-l'rinzip. F. IluND: I'rillt ip lkr grillltcn Multiplizitäl. 1926 E. SC! IRl"ll..'I1: Nadlw. 1937 1945 Schak.'IlIT1l'dd l dt.-r:-':ukk:c.>rII,.'11 im Attlffikl'Tfl 1 9~ R.IlC ..ST....rrrre : Q UClrb , t ~ A nti-Neutri no und Sl'Ulrino (1959).

16

[ A llgcn~ inc lind Alx'rganischc Chemie

2.2 Aufbau der Atome aus Elementarteilchen Mit Hilfe der Raster-Tunne i-Mikroskapie gela ng es, Ato me sichtbar zu machen und ihre Abstände an e lektr isch leitende n Oberflächen zu vermes sen (Physiknobe lpreis 1986).

"'(11d.o r;rQ/k baraduet lind dann 1/I1,·II.m· o lleh die DlC'hle heachl<'/. I",mm l huld dll! F.rk"'''III.I. und die m /lIchi seh...er. .iL.. doch <'11I AltHII m ,11I G m tJJe Ieer.

• Atome sind unvorstel lbar klein. Die Durchm esser der Ato me liegen zwischen 10-10 und l0"9 m. • Atome wiegenetwa zwischen 10-24 und 10-21 g.

PAt: LS n tFJ PERS

• Atome bes tehen aus Atomkern und Atomhülle. Der A tomkern umfasst rroonen und Neutronen . D ie Atom - oder Elektronenhülle besteht aus Elektronen. De... Atomkern ist ungefäh r zehntausend Mal kleine r als das gesamt e Atom . Das bedeutet :

Wmll ",<1/1 />(:Im A /lH"

:ww

Auf I cm l1lnge kann man 50 \ til1iool.'fI Schwefd alonlC an ordnen (j..:J<."S 2.08.10.10 01). I g WiK'il.n tolfen thllh 1.1\\3 3·1cr' II .- Mo ld .üle lld..'f b-l o:'J II-AtonlC.

D

Atommodelle können die tatsächlichen Größenverhältnisse im Atom nich t richt ig abbilden Proton und Neutron sind 1836-mal schwerer als ein Elektron . Könnte man die Elektronen an den Atomkern drücken. schrumpft der Atemdurchmesser auf 1/ 10 000 . ohne dass sich dabei die Masse des Atom s ändern würde . Die Masse des Atom s konzentriert sich im Atomkern (99,9 % ). Die Masse de r Elektronenhülle ist winzig .

Zei chßl.1 man einen Krcidcpunkt

Atomkerne, wie Kugeln in einem Kasten ang ehäuft. hätt en eine Dichte von 2' 101) g/cm' . Eisen von 7.85 gzcm' muss fol ~lich große Hoh lräume enthalten! Das Leervol umen ist 10 1• bis 101$_mal größer a ls das dc... Ato mkerne. " Weiße Zwerge" (S terne) erreichen ler bis IO~ kg/cm' . Proionen (p"] sind stabile Bausleine de r Mater ie. Das Pr0ton ist ähnl ich schwer w ie ein Neutron, aber 1836-m al schwerer als ein Elektron und hat die positive elektrische Elementar ladung von 1,602' 10-111 Co ulomb. Proione n und Neutronen sind aus QII(1rk.~ (Elc mentarbausteine) aufgebau t, die in der Chemie aber keine Rolle spielen. Chemische Ele", e/lle (.. J ) unterscheiden sich durch die zahl ihrer Proionen (Kernladungszahl). Atome sind nach auße n elektr isch neutral. wei l die zahl der Elek tronen und Protonen g leich ist. Die Proionenza hl ist chemisch nicht veränderbar und charakterisiert Eleme nte ei nde utig; deshalb ist sie das O rdnungskriterium im Periodensystem.

I

Elekt ron

"

f 1cktrllll

,-

n

\ TJj I

Atomhülle AtomklM'n ... .\Ufll
1.6 726 . 10 -17

1.007 276

938.272

1.6 7-19 .1 0 -17

1.008665

939.565

t,l. IQt,l-l · IO )l

0.000 5-1116

5 mm

Elektron

... Ele me n ta r te ilc hen i m A to m ( .. -I, I ) Energieäquirelative Mas se I:lcment arl udlI11g (h) \'alc~t (MeV) I" ) le - As l

Neutron

\01\

Durchmes ser als Atoenk cm , so mil.....te ein H eklmn do.'f AtumhOlle (rot) mindl.'Slcns 25 m en lfcmt dargcaclh werden.

Masse

Te ilchen

Proton

.. Gn'Wl."f1\ 1.'Tb.:IltniS!;C \ uo Atumkl."ITl und Hüüe.

0.510m

posi tiv + 1.6022 . 10

10

neutral

At omkern

Atomkern

negati \

- 1.6022· 10

I Anordnung im Atum

I~

1 u - 1.660 53<J-l0-TT LI! - al<~ Mao.....TICinhcilu - 'lI! dl:r Masse: emesAIol1ll."S lk.-s Koh ll.-nsloffiso(o,,.. I1C I Co" llJtIIh - I Amp,:r~LuOOc (A51 i!;t die l.adUllgsmcngc \011 6.2 4-10 " 1:1d.~ nlJ&:' Prutor...n, I .l k gu f'"1e,{Iromu'1 (MeV)- 1.6022· ur " J. Encrgie \('lI einer Million Ek Llrof1l."f1 im d eLtrischnl Fekhlln I V.

Alom hOl1e

2 Aufbauder Materie (Atomlchrcj

17

Neutro nen (n) bilden den ..Kin" für den Zusammenha lt der Protonen im Atomkern. Neutronen haben keine elektrische Ladung. Sie spielen bei kernphysikalischen Vorgängen eine große Rolle. Die Atome a ller Elemente, mit Ausnahme von Wasserstoff. enthalten Neutronen. Das Wau en(ojJ: caom besteht aus einem Elektron und einem Proton.

nrc

Kermrl(ll/ung ( ....... 12 ) setzt bis zu 30 000 km/s schnelle Neutronen frei. d ie Bleiwände b is 50 cm Dicke durchdringt.

"SchlIerer Wasserstoff' (Deuterium und Tritium ) enthält ein bzw. zwei Neutronen. Das schwerste technisch wichtige Atom ist Plutonium mit 9.. Elektronen. 9.. Protonen. 150 Neutronen.

Elekt ronen (e) sind stabile Elementarteilchen. Die Ruhemasse eines Elektrons beträgt 0,9109'10.27 g. die negative Elementarladung - 1,602' 10-19 Coulomb. Chemische Reakfirmen werden durch Elektronen der Atomhülle bewirkt. Durch Elektronenabgabe oder -aufnahmc entstehen aus den ungeladencn Atomen elektrisch geladene Ionen. Der Atomkern lässt sich mit chemischen Mitteln nicht verändern.

,. IJild un

Kationen po sitiv

Ato me od e r Moleküle. die ein oder mehrere Elektronen ab-

gcl U<J<:ll

g<:gcht:n hah<:n ( ....5. 1. 1)

AI/ionen

Atome oder Mo leküle. d ie e in oder mehrere Elektronen aufgenommen heben

negativ geladen

2.3 Der Atomkern 2.3 .1

R UTII ER FORDS St r euvers uch

R UT1IERFORD bestrahlte d ünne Aluminium- und Goldfolien m it c -Teilchen. Das s ind Heliu mkerne. die beim radioaktiven Zerfall entstehen und im elektrischen Feld auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden können. Sie bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen und sind zwe ifach positiv ge laden. Er beobachtete Erstaunliches: • Die meisten (1 - Teilchen treten ungehindert durch. • Wenige werden stark abgelenkt oder reflektiert: sie müssen einer starken positiven Ladung nahe gekommen sein. Materie besteht demnach überwieg end aus •Jcerern Raum" und positiv geladenen Massezentren. Die Masse eines Atoms konzentriert sich fast vollständig im Kern. Der Atomkern misst etwa 10. 14 m = [0 frn = 0.0 1 pm, die Elektronenhülle hingegen 10-10 m = 100 pm = 0.1 nm (früher: I Ängstr örn) .

Atome bestehen aus einem positiv ge ladenen Ato mke r n und einer negativ ge ladenen Elekt ro ne nhülle. Die Elektronen bewegen sich um den Kern. Nach außen ist das Atom ungeladen (elektrisch neutral). denn: Die Zahl der Elekt ro nen Z in der Hülle ist gleich der Zahl der Protonen (positiven Ladungen) im Atomkern . Atomkerne müssen aus gleichartigen Bausteinen bestehen. Denn beim radioaktiven Zerfa ll entstehen gleichartige neue Atome (z. B. Blei- und Heliumatorne aus Radiumatomen). Der Atomkern besteht aus Nucleo nen ( aus Protonen bzw. Neutronen, .... .....).

Kembausteine

Die Masse eines Atomkerns hängt von der Anzahl der Protonen und Neutronen ab. Zur Kernladung tragen nur die Protonen bei. R UTll ERI'O RD verstand die ungeladenen Neutronen als .Kittsubsranz-' der sich abstoße nden Protonen. Heute wird der Zusammenhalt mit Gluonen erklärt.

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~ GEIG E R und MARSDEN (19119l zählten nacä RVIHERt'ORDs Vorsc hla g u-Tei ldicn als mikrvs· kopischc Lichtblitze (S/-intil1alion en) auf dem [cuchtschinn. Die Anordnung ist :lllf einer 1'1;Hte ~ rehhar angeordnet. U n<:Tw~1 trct~ auch Ull tCI gmllen Aole nkungs" inkcln ßli~ aur.... c_ ---"J

Atomkernradius. Aus experimentelle n Daten und der Massenzah l A ge folgerte Schä tzung: rK =

IA·VA

Im

Atomkerndichte. Dichte de r Kernsubstanz mit Kernmasse IIIK (kg) und Atomkernvolumen , .~ :

mK Il 1'. = ~ '" 2· \0 kglc m'

,

Atomradius. Die kern fern sten Elektronenbahn ist etwa 0.1 nm = ro" m groß ( /II_~ Atom masse in kg, p Dichte der Su bstanz).

r~ =0.5' ~

Im

2

111

I A llgen~ ine lind A lx'rganis ~h~ Ch~ m ie

2.3.2 Eleme ntsy mbo le und Atommasse n D ie chemischen Eigensc hafte n de r Eleme nte werden überw iegend von der Zah l der Elektro nen bes tim mt. Alle Atom e eines Elementes haben die g leiche Ordn ungs- oder Kernladungszah l Z. D ie Massenzahl A := Zah l der Nucleonen ( Protonen + Neutronen) kann unterschiedlich se in. • Die OnJnun ~s,..ahl wird links unten vor das Elementsy mbol gesetzt. Im Per iodensystem sind d ie Elemen te nach steigender 7 geordnet.

It" ' _" 'I1::<,ht A

Atum mils", - Nuclet,ne'WaIll

On lll ulIJ()::
Reinelemente kommen in der Natu r nur mit j ewe ils einer Neu tronenzah l (ein em Isotop ) vor. Es sind d ies: AI. As, Au. Be. Bi. Cs. Co. F. Ho, I. Mn. Na. Nb. P. Pr. Rh. Sc. Tb, Tm. Th, Y. D ie mei sten Element e sind s tiscbelemerae; sie treten als G emisch mehrerer isotope - Nuklide. d ie sich in ihrer A tommasse {Neutronenzahl} unterscheide n - auf Ato ma re :\Ia'ioseneinht"it Elementarteilc hen vereinigen sich zu Atomen . Atome zu Molek ülen. Massen bel iebige r Te ilchen werden im Verhä ltnis zu 1/ 12 der Masse des Kohien stolT-12-A toms angegeben. Ein 12C_Ato m w iegt defi nitionsgemäß 12 atomare Einhelten. was etwa de r Masse von zwölf Wasserstoffatomen entspr icht. Atom-. lsotopen- und Mo lekülmassen sind mittels Massenspektrometrie auf 10" u gcna u besti mmbar. Alo mare Ma,"....'neinheit ..

M(l'i."Ce inc'S

11(' -Atcm

s

12

I U " 1/ . 2 m('2C) .. I.MO 5010· 10-!1 kg I kg Materie entspricht 6.022 137' IO;'/> u

Die rulafive Atommasse Ar g ibt an. wie viel Mal schwe rer ein Atom ist als die atomare Masseneinheit. Rela tive Atorumassc A,

..

.v e

.~

;E:+ (toe i hll~n )

-e,

-+

.\ t'lIlfV1Jrll::tm'

• D ie :'t!assenTahl A entspricht der ge rundeten Atommasse und Sieht links oben vor dem Elementsy mbol. • D ie Ne utrone nza hl N ergibt sich als Differenz von Masse nza hl und Kern ladungszahl .

L
- gerundet...

I

I/um mullq"ilul/ur (toei Verbino.lllll~'ß 1

·Z

Elememsymboie sind eindeulig: die Ordnungszah l darf ~'flt falk.'fl. TIAI. L,Uf"1 17AI oder Al·27. hat 13 Prot"nl.'T1. 13 f.k.i.:tnll1<:n. I ~ Neutroneen.

rin Aluminium.2 7. ,\I"m : [in Aluminiumion: J-"ormel \on AluminiunMl\id : ":\ ul..lid t und

l ~'l ollt'

17AI AI "

AI:O_ ,

I ~ 3. 1. ~ .2_ 01 .3)

Es gibt natürliche . künstliche, stabile und radjoaktive .\'uJdidt: (RadionuL,Iidl:..""'c menen''). (' 0-59 (2 7 p, 32 nl klimmt natürlich vor. o ('0-60 (2 7 p. 33 n) w ird Inr ml.'oJilinischc b , <.'tk<.' kün st lich erzeugt.

lsoeope s ind Nuklide mit der gleichen "'...mladungszahl. a ber verschiedenen Neutronenzählen. Sie gehören zum gl<.'ichcn Element, bcs udiese lben chem ischen Eigenschatten und s ind chemisch n icht trennbar. Leic hte Kerne [wie lI e1ium) en thalten etwa gleich viele Prutoncn IInJ Ne utronen. schwere K emc (\\ ie Uran ) haben eincn Neunonenüberschuss. • Kohlenstoffisotope: l!(', 1'(', 1'(' Chkmsotope : Ijn ( 17 p + 18n) J 7Cl (l 7 p + 20 n ). • U·1I.11I.'rslojJ . i.1'OI{}pe: ' 11 schwerer Wlissc rstu lT: 111.. I) (D eu terium )

''''0

übe rschwe rer W.

' 11" T (Tri1ium)

Ahsu llile Atommasse m( X) Ato mare Masseneinheit 11

D ie im Periodensystem tabellierte Atomm asse (.Atomgewicht") berücksichtigt das natürliche lsotopengemisch der Elemente. Deshalb we icht der Wert von der ga nzzah ligen Nuclco ncnzahl ab. Die a bsolute Atem masse. das Produkt aus relativer Atommasse und atomarer Masse neinhe it A ill. gibt an. wieviel ein Ato m tatsächlich in Kilogramm wiegt. Wegen de r kle inen Zahlenwerte sind abso lute Massen angaben in der Praxis ungebrä uch lich. Die gemessene Atommasse ist um den .\lau enJefe/a kleiner als d ie berech nete Sum me aus Elektronen-. Protoren - und Neutronen masse ( ~ Ka p. 4 .3).

Chtor ist ein Misc helement. d ie im I' SE tabellicne Masse ein Mittelwert der Isotopenmassen. ISlltll

'-CI " CI

I I:illli 'kei t

ISlllU

75.77'% . + 2-t2 3~ o .

.-4,(CI)

'IHlliISSC

3.J.'l6RII53 36.965903 35.-1517

Ein Sauerstlllf· I6-A tom wiegt etwa :

16u = 16 · 1.67·1O·17 kl; - 2.7·1O·16 kg. 16 := 5.3' 10. kg.

ein Sauersreffmolekül 0 1 32 u

Dic relative \!ofd äilnUlsJe von wesscr II~() mit Rücksic ht auf die ISll\llpe ß\ t.-r1e ilung ist

2· 1.008 + 1 5 .9
ni... absolu te M{llekn l m a~se bc ~t

IlW I 5~ u " 18 · 1.67·1O·11 L.g ::: H O·l6 kg..

"

2 Aulhml der Materie (Atllmlchrcl

2.4 Einblick in die Welt der

uanten

und -chemie erm ögl ich en d ie moderne Halbleitere lektron ik und Lasertech nik. Elektro nen- und Rastertunnelmikroskopi e. Kern spin tomographie. d ie Nutzung der Kernen erg ie und neu artige Mög lichk e iten der Informatio nstec hnik (Quarue nco mp uter, Quantenkryptograph ie). Mit Hilfe qua ntenc hem ischer Rechnungen wer den heute neu e Reakt ion en. Molekü le und Wirk stoffe erforsch t (..Drug design-). Oh ne Quant en und ihre Gesetze gäbe es d ie uns bekannte Materie nicht. Ql/I.Jntellfl/~)'.I' iJi.

Materie. Elektrizität und Energie beste hen aus kleinsten.

unteilbaren > dis kreten Einheiten. den Q ua nte n.

Makroskopische Sy steme ändern ihre Energie kontinuierlich in beliebigen Beträgen. In atomaren Größenordnungen jedoch ändert sich die Energie stufenw eise durch Quantensprunge zwi sc hen den erlaubten Energienivea us. MAX PLANO~ erklärte 1900 m it se iner Quamenhypotb ese die Strah lung eines sch warzen Körpers. Ein strahlender Oszillator sc hw ingt nicht m it beliebiger Energie. sondern nim mt d iskrete Werte E.. = n hf(n = O. 1.2. 3•...) an. EINSTEINS LichlqllanlenhypOIhese ( 1905) beschreib t j ed e A rt von Strahlung als ei nen Strom aus einer unvo rste llba r großen Zahl von Quan ten . den Photon en. zw ischen deren Energie und Freq uen z de r Zusa mme nha ng E = lifbesteht. Je de Stra hlu ng - Licht. Wärmest rahlung, Röntge nstra hlung - besteh t au s Quan ten ( Photo nen). die s ich mit Lichtgeschwin digk eit fortbe wegen und in Ruhe keine Masse besitzen. Das Produkt der umge setzten Energ ie ma l der Ze itdaue r des Elementa raktes heißt Pl..ANC'''sc hes W irkung squa ntum h, eine fundamental e Nat urkonsta nte . Je nac h Versuch sbedin gu nge n ze igen sic h Quan ten a ls Welle oder Teilchen. Qu anten erklären den Strah lungs druck. Fotoeffekt und O)M I'TON-Effekt. COMI'TON en tdeckte 1922 bei der Durchleu chtung von Krista llen m it Röntgenstrahl en eine langweilige Streustrahlung. Er folge rte : Die Energ ie der einfallenden Strahlung (P ho tone n) geht in e inem elasti schen Stoß auf d ie Elektronen über. wo bei d ie Photo nen Energie verl ieren. Nac h de r klassischen Theorie hätt e allei n die Intensität des Röntgen strahls. nic ht aber dessen Wellenlän ge ab ne hmen müssen . D ie Energie (eines Teilchens. e iner Stra hlung. eines Feldes etc.) und d ie Ma sse dt.'f materiellen Träger sind äquiva lent. Bei der Kernspaltung wird Materie ge mäß E = n/C" in Energ ie umgewandelt. Bei chemischen Reakt ion en gilt die Massenerhattung: Reaktion swärm en von E "= 10 ... 100 kJ/mol stammen nicht aus einem Massenverlu st von m "= I ng/m ol.

Fullermt'. fullballRlrmige Gellildc aus 60 o&:r 70 "ohkn' t"ffalum.:n. ~cllen 'J"iI,;~1Ii,. als g.roße Quant <"ouhjc"te ? mit Wd lcn- l!lli!Teilcbc.....

ei!!<-nschalkn . Die lmer- ~~~~~~~. fercnr.;lreifen am Do"",:I- spall \ eN;h\\ indo:n h:i 2700'''C am Üllergang dI.... Qwlnt<"f1\\ cn /ur U"", il'dll."f1 Ph~~i"

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.,. E ' lle r imtnlt lur t :, i'l t nl \ 00 l' ho lu1\I."n De m m it L i..:hlg..:scll\\ lndig. keil beweglichen I'hllt" n kommen relativistische Masse und Impuls 111. Di... Ruhemasse ist null! Masscäquivalcnt: 111 hß c' = II d . Impuls des Photons: p = III C = II/ c .. h ',{

Stra h hlO~'>lI rud•.

Futm'kklri,,,·ht·r E rr~ kl . Lichtq uante n {Photonen) huh cr Energie befreien Elekt ronen aus elektrischen tcucm (Ir" AuslrillsamciL 111,

Musse. \.Geschwindigkeit des Elektrons). Lichtquant :

I!f= 11'" + %111.''>

CO,tPTo'· Ur.. kl. Stre uung eines I'hntOllS an

einem Elektr on (I. B. in (imphit). Beim Aufprdl1 s inkt die Energi... des I'hn tuos hzw. Freq uenz d..:s Liehtc'S. I)a, I'hotull saust mil unveränderter Liclugeschw indigkcit uutc r dem StrcU\\ inke l 'I' zwisch.."f1 I:infall- und Au.,fal1richtung davon. Encrgieebgabc: hf .. hf' + E~. Wclk'lll3ngt."fllUnahme: &), = i", (l-cos '1') COMI'TON. Wel1""f113ng...: '''' = hmJ e = 2.-I26 311·1O·11 m

11

20

[ A llgcn~ inc lind Alx'rganischc Chemie

2.5 0 tische Liniens ektren der Elemente Wasse rstotTund andere verdünnte Gas e kann man in einer Gaseruludungsröhre zum Leuchten bringen. Die Gasa tome werden durch Stöße mit Elektro nen. die aus den Hochspannungse lektrode n austreten. angeregt und se nden Licht aus, das sich im Prisma oder optischen Gitt er in vie le einzel ne (diskrete) Linien re...legen lässt. Freie Atome zeigen - anders a ls die kontinu ierliche Hohlraumstrahlu ng - e in diskretes Emissions- und Absorpt ionsspe ktrum. das charakteri stisc h für den jew ei ligen Stoff ist. Die Auftrag ung der Strah lungsinten sität gegen die Frequ enz j; Wellen länge A. oder We llenza hl i' nennt man Spetarum.

• Beim Emissionsspekt rum wird die Probe im BUNSENBrenner. Lichtbogen oder Hochfrequ enzfeld angeregt und die ausgesandte Strah lung spektral zerlegt: l. B. das Bogempelclrum von Gasen und Metalldämpfen. • Be im Ah..o rp uo nsspe kt r um wird d ie Probe mit Laseroder Lampenlicht bes trahlt und die Lichtsc hwäc hung gemessen; z. B. Infrarotspektren von Mo lekülen. Funkenemisslons-. Röntgenfl uoreszenz- und Atomabsorption sspe ktro merer werden für d ie chemische Analvse von Stählen. Legierungen und Umweltproben eingesetzt Die Spe ktroskopie erm öglic ht die Sirulcluraujklärung de r Materie bis in d ie Dimensio nen der sube lementaren Te ilchen. "' S~ktrum

der ehektromagnenschen wetten

4 Rev. oIl - die b nis....ion \00 Slron tium - (rot) und Hariumsaln."rl 1p11n1 in F':\Jl.""\~*.J.öq>cm. ~

SJltkl ra hlina l) se d tr .\ Ik.a l im tlllllt

Wir glühen ein \lagnt.osia...;t;1ht.i k."rl eus, nehmen einige I-:llmt:ho.."fI Kodtwl:: auf und bahcn es in die: Brennerflanunc:. ~atriunlt.illurid (NaCl) ver-

dampft unt..,. Aus.se"rlJung d..-s t)pisd> gelben Natriamlichtes. Im BUNsl::N-I-:1ROllICH -Spo..i.uomctcr sc:hcn "ir eine gelbe Ljnic (I. = 589 nm). Nur cin Bruchteil tk.,. Niltriumatomc: wird in dt,.,. Flammeang..T\:Il-I; doch die ~ kmodc: verrarschon NatriußlS(lt.lI\."fI - \\ as filr die f7t1m mt'lljötonwlrie genutzt "in!. Ang....-n:gle Uel..tmnt."fI. spring..'11 von höht..Tt:fl rnt:rgk"fli\eall.... ur acr hlt.Tgic-J~ (E - hf » he'" = ]A- IO·IQJ I in die lrei gcwordcncn Platte im tieferen Niveau zurik.i.( ... 2.61.

__ n""

..."""

Zw ische n den kilo meterlangen Niederfr equenzwellen (Wec hselstrom und Töne). über d ie Radio- und Lichtwellen . bis zu den energiereichen - hochfrequente n Röntgenund Gammastrahlen liegen 2 1 G rößenordnunge n. r

.~"" hel!tllQU lt.rit'l blou

..ootet!

lO!WR LicllI

Wttlll.tl·

""" 1.:7

fm

pm

nm

11m

mm

m

km

IU

At ome (typisch IU· 111 = Il.] nrnj und Moleküle (10"" Jll "" JO nm) treten in lI 'ech.~t'llrirhll1~t'lI mit elektromagnetischer Strahlung und können daher spckuoskopis ch unters ucht werden. Um winzige Sruk-

turen aufzulösen, muss die ..bcxrbachtcndc.. Strah lung von kleiner wclfenlänge ), und hnhcr Energie E - h dA sein. Strul..t Uf Fn tk llrpr r " "lt U I

.\ Io m

Wd1cnlänl!c 10 km I m Im I mm

I mm I 11m 170 ... JQO nm 4110 .. 10 nm 10 nm ... 1 pm < I pm 10 fm - 10·" m 0_1 fm _IO·16m

- gelb

t;[] ::::J

,

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Wellenast

N·I

Rundfunk Mikrowellen

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Infrarut Sichtl>ares Licht Uhr avjolett

Röntgenstrahlen y-Strahl\"fI

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c'CJI."I JI '"

,

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ICJ, :I

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... I-:ulllinuit.'l1icht.os St>nllt."rl~ktrum und die J-inicrn..mis...it>ns.o;pcl..ll\."fI dt,.,. Alkalimctallc m it ihn."rl t) piSl;ht."fI l1amnlt.'IIlWt>unIl-t.T1

~

21

2 Aulhml der Materie (A lllmlchrcl

Das \ Vll.sst' rsl ulTslll'l..trum Das Emiss kntsspektrum des Wasserstoffatom s ("' 2.7) und vieler Metalle - besteht aus d iskreten Linien im s ichtbaren und ultravioletten Frequenzbereich. In bestimmten Wellenlängenbereichen häufen sich d ie Linien und werden zu Serien zusammenge fasst. Die Elektronen in der Atomh ülle besetzen ganz bestimmte Energiez ustän de so nst würde man ei n kontinuierliches Spektrum beobachten. J. J. ß Al M ER fand 1885 e inen empirisch en Zusa mmenhang für die Wellen zahlen Ö'. den w ir heute mit Hilfe der Rvna sen-Konstanre R... ausdrüc ken :

.·(.!._.!.]I -- .

Iv='!'=R ,..

').

10.1

~ -----Ih Ut t . ·

L.:! A

Sene (UVN ISj

"..

R~ :::; 109 737 cm" und n " 3.·l. 5•... (Scha le).

Für" e 00 befindet sich das Elektron in unendlicher Entfem ung vom Atomkern: das Atom wird ionisiert. Zur Abstreifung des Elektrons muss d ie l on isierun 2sen e~ie a ufgewendet werden (H - 11 ' + e; 13.6 eV ). An diese Seriengrenze be i ~ =R.J4 schließt sic h ein kontinuier liches Spe ktrum an. we il die befreiten Elektronen be liebig kinetisch e Energie aufnehmen kön nen (im A bsorpt ionsund Emissionsspek trum ). Im Absorptionsspektrum zeigt Wasserstoff praktisch nur d ie LYMAN-Serie .

2.6

o K I W'fV'N

l Y\w, · So:ne ( UVj

4. Fncrgicniceaesch..m a des Wa""".,:r-;lolTaloms (nidJl maßstahiiehl mnt.iolcnscoen I flcl.tnlO\oll(cVI "" L602 · I O· I~ J

Das BOHR'sehe Atommodell

Modell erklärte d ie experimen tellen Linienspe ktren nicht. Nach der klassischen Elektrodynamik wären Atom e instabil und von variabler G röße. Pl ANCKs Qu ante ntheorie animierte NIEts R OHR zu dre i Postulaten - d ie er weder theoretisc h noch experimentell beweisen konnte, und die der klassischen Physik fremd sind. • Elektronen umlaufen den Atomkern auf ganz bestimmten . disk reten Kreisbahnen. • Die Elektronenbahnen werden d urch QIIUI/Je/linK des Balmdrehimpliises des Elektrons best immt. Die Bahnradien verh alten sich wie I : 2 2 : 3 2 : 41 : 5 1 • •• • Die Bewegung auf den Bahnen erfolgt strahlungs los nach den Gesetzen de r klassischen Mechan ik. Überg änge von einer ß ahn zur nächsten erfo lgen sprunghaft, R UTlllORfORJ>s

Bonus Korrespondenzprinzip fordert. dass für große

II ,•

M AX PLANe ..:

. C;n ·n, ... n

NI El.S BO HR

d~' r "' lll "i ~('h ('n

El...kcrutl ,n llmik

1<.••.1<: periodis ch bew egte Ladung sendct ein e clc ktromu guctische Wcllc de r Strahlungs leistung 2p~lfJ~

2e %a %

Quan tenzah len d ie Gese tze der Qua ntenmechanik in d ie Gesetze der klassischen Physik übergehen.

1' =- - =- - l

Die Energiezustän de E. im Einelektro nensyste m Wassers-

a us (p Dipolmom ent. c.) Kreis frequenz. a Beschl cun ig ungl . Das kreisende Elckuo n wü rde for1w:lhrcnd Fnc~ie abstrahle n. sic h spira lförm ig dem Ato mkern näbcm und schlie ßlich

toffatom entsprechen den sieben Hektmnenschalen (Kreisbahnen K b is Q) mit den Qu ante nzah len I bis 7. ("' 3.4) Hau pt qu antenzahl n e I ... 7 • Nummer der Elektronenschale (K b is Q ) • Periode (Zeile im Periodensystem der Elemente)

3t:,,~

3t:"c

hjncinstürvcn. Kör uucn sich U cl.trune n a uf beliebigen Hahnen um ..Jen Atomkern beweg en. m(h SICjedes Atom eines Elementes unterschi edlich groß sein!

21

[ A llgcn~ inc lind Alx'rganischc Chemie

" BOII II:' wh ..., .\ 1<1111111" ......11

•

s ic h t bar

" \"t r1t ilun • tltr Elektrnnen auf tlir St ha lt n Period e Hel · " k Illenie einer Zeile im Schale tnlllCll Pcnod cnsv stcm \ 2 11. Ilc 2 1. x u, Ik. 1\. C. N. O. r,

•

,, 3

6 7

,\ N ()

\'

,

\,

\, 32 32

No

Na ... Ar

'" ... Kr Rb ... Xe Cs •.• Rn

Fr ... [ l a-Rn ~-- .

Infrar ol

•

Stickstoff

I n fra ro t

Im G r u nd zusta nd besetzt jed es Elektro n im Atom ein möglichst niedriges Energie nivea u. Das Elektron im Wassersroffatom saust mit 22000 kmJs auf der innersten Kreisbann. die der Energ iestufe EI = - 13,6 eV (gemessen von de r Seriengre nze ) und dem Kernabstand 0.529 ' 10. 10 m = 52.9 pm ~ 0,0529 nm entspricht.

.l. Die sieben Elcktnew n des Sl idmoJ!UfOm s verteilen sich auf die K- und I.-Sehale. Räumliche und flächige Darstellung.

Durch thermische oder elektrische Energ iezu fuhr springen ein zelne Elektronen auf h öhere Energ ien iveaus. das Atom erre icht e inen a ngeregten Z usta nd. Da e in Elektron seine Energ ie nur um ga nz bestimmte Beträge erhöhen kann [Zwischenwerte sind nicht mög lich). muss es von einer kernnahen auf eine kernfernere Bahn h üpfen.

"""'"

zulland

--

Der angeregte Zustand E2 ist instabil; das Elektron springt 8 nach 10. s in den Grundzustand EI oder e in anderes tieferes Energ ieniveau zurück . Der Energieu nterschied wird als cha ra kte rfstlsc hc Llnlen strahlung mit einer bestimmten Frequenz r ernittlcrt.

Zustand

I t>E =E, -E, =h f l

Natriumatome geben d ie im Bunsenbrenner aufgenornmene Energ ie als ge lbes Licht wieder ab - das aus einer gelben Spe ktrallinie besteht.

Reche nbcisnicl: Die Energie der roten Linie im Wasserstoffspektrum bei J. = 65 6.~ nm entspr icht dem Übergang M - L mit der Energ ie :

t1E = hf = hcli. = 6.626·10·:U Js - 3' lrl' nvs - 656.4'10·'1 m = 3.0 .10. 1'1 J = 1.9 eV ( I eV = 1.602 ' 10. 1'1 J )

.l.Ann.-gung. dt..... KohlenSIQffUf'NlI.f : 6 Heltronl" , und 6 N...' UlrOI1<.'fl im Aloml cTIl)

6 Prot' lfll'fl

2 Aulhml der Materie(Alllmlchrel

'Y

23

Ex/mn : Th eorie d es BOIIK-l\1odells fUr das WasserstoITatom (Z "" I) und ä h n liche Eleme n le •

Das BOIIR-Modell besch reibt das Wassers toffatom semikla ssisc h auf der Basis dreier Postulate. Es g ih auch für wasserstoffäh nliche Spektren ( He~, Li 2 ~, BeJ +, B4 ' ) : allerdings erklärt es d ie Feinstruktu r der Atom spekt ren in .\"-, p-, J- und J- Zustände nicht. BOltR-PoSlulate I . Elektronen mit der Masse m~ und der Ladung e von Elemen ten mit de r Ordn ungszahl Z umlaufen den Atomk ern strahlungslos auf diskreten Kreisbahnen (stehende Welle 21U~ = n ).). Die Hauptquantenzahl n bezeichnet d ie Scha le K bis Q bzw. Periode (Ze ile 1 bis 7) des Periodensystems. Die Winkelgeschwindigkeit w" = l'';r~ beschreibt d ie Geschw indigkeit \.~ des Elektrons auf der Kreisbahn vom Rad ius r".

COJI.OMB-t.:ratl .. Z<.'ßtrifugalkrafl.

Il..I = ~" )( I m~v: ~ = m~r"w; '" nh

2. Der Bahnd rehimpuls L~ ist gequantelt: er nimmt nicht beliebige Werte an, sondern nur Vielfache von .h quer". Die Bahnradien verhalten sich wie I : 22 : ) 2 : .f : 5 ~ ...

" . hl(2If.) ·

1.05-16' 10"'" J s

3. Übergänge zwischen den Energieniveaus E" der Kreisbahnen erfolgen sprunghaft. Nach dem Boua'schen Korrespondenzprin zip gelten für n - 00 wieder die Gesetze der klassischen Physik. ,

F1cmenlarlooung: 1 .6022·I O I ~ C f requ..'ßl der Strahlung 111.1:)

f

h

t:,. 1tI

PLAN<:"" "schl.'S Wi....ungsqeantum : 6.626,10->< 1s

elektrische l'c1dkonstante: It 8S-I2·1O· 11 FIrn t.: reisfn;q uclV: 2!if ( S-I )

Bahnradius r... Bahngeschwindigkeit

= ,, 2h 2E O 7.1u· 2 /11.

v, = 0 )"

l'"

und Bahnene rgie E" 1

= 0.5291 77 2 1.10- 10 m·!!.., Bohr-Radius " 0 (>

r"

Z

m Z2

= 2.IS7 69 \3· 10 -. -

, "

=- 13.605 692 eV ·

Strahhmgsfrequenzj l. Wellenzah l

vn ' Wellenlänge I. und Rvoaeno- Konstanrc Ru

_ .\f:" f,,,- - h_

.\E n

I

\'n = ~ = I

Fürdas " 'II'~ rol ofTlI lom 11 wird die Rel,l\l\ bcwcg ung von E1eLIrl,ln und I' roillfi um den geme insamen Schwerpunkt du rch

die reduzien e \ Ia, sc (sta ll 111,) berücksichtigt.

=

7

l

1.09 7 373 15? 85 .10 m- . R~berg"KonSlanre

R.

Z2U2 -,,12)

(' )' ~

I A llgcn~ inc lind A lx'rganis~h~ Cbcnuc

2.7

Das wellenmechanische Atommodell Orhitalmodell

Die Fein st ruktur d er Ate ms pekt re n konnte das BOHR· sehe Atom mod ell nicht erklä ren. Bei de r Spektralanalyse von Wasserstoff und den Alka limetallen wurden viele weite re Linien gefunde n. von den Spcktros kopikern s. p. d und f genannt. SOM~' E RF I:LD und PAUI.I erweite rten das BOHR-Modell um mittl erw eile überholte Ellipsenbahnen und we itere Quantenzahlen. um die Bohrsehen Schalen in Unterene rgieniveaus aufzu spalten . Zumindest da s wassersroffatom wäre demnach eine Scheibe. was dem isotropen ' Aulbau der Materie w iderspricht. und die Theorie macht sc hon be im Lithium fal sche Vorau ssagen.

Quumellobj ekte - Photonen. Elementarteilchen. Moleküle - verhalten sich j e nach Experiment als T ei lchen od e r Welle. DE BROGI.lE schrieb j ed weder bewegten Materie eine _Mat eriewellenl änge- Ä. = hip (p = Impuls) zu . Elekt ronen im Atom betracht ete er als stehende Materiewellen . Tatsäc hl ich zeigen sich be i der Beugung von Elektronen. Neutron en oder Protonen an Kristallen äh nliche Interferenzmuster w ie be i der Beugung von Röntgenstrahlen ein Widerspru ch zum reinen Teilchenbild der Materie . HEISENBI::RGs Unschä rfen-Ia t io n erfasst. das s es grundsatzlieh unmög lich ist. Ort und Impul s (Masse mal Ge sc hw ind igke it) gleichzeit ig exakt zu bestimmen. Je genauer der Ort eines Teilchens enn ittelt w ird. desto unschärfer ze igt sich de r Impuls und umgekeh rt. Der Ort ei nes Teilchens läss t sich mit Hilfe einer Liebtwelle erta sten. Je kurzwelliger (en erg iereic her) d ie elek tromagnetische Weile w ird. desto stärker stört sie die Gesc hw indigkeit des beobach teten Tei lche ns. Se in Impuls bleibt unkla r. Bei makro skopi schen Körpe rn ist die Unschärfe vernachlässigbar. Fo lg lich können exakte Um laufbah nen für Elekt rone n n icht er mittelt werden . Anste lle der Kreisbahn tr itt das OrhiJut als derj en ige Raum ausschnitt auf. in dem sich das Elektron überwiegend aufhält bzw. seine ladung mit größter Wahrsche inlichke it anzutreffen ist. Ein Orhital (Elcktroncnw olke) ist de r Raum. • in dem sich e in Elektron mit 90% iger Wahrscheinlichke it au fhält (Teilchenvorstellu ng). • der 90% der Lad ung des Elektrons umfasst (Welle) . Das Orbital des Wassers toffatoms ist ei ne Kugelschale von 104-10. 10 rn » 14 pm = 0. 14 nm Durchmesser (früher : I A Angström) . Überw iegend befindet sich das Elektro n dari n. jedoch mit 10% Wahrscheinlichkeit auc h außerhalb. Aufenthaltswahrsche inlichkeit und l adungsd ichte sind im Ab stand 5.3 pm vom Kern am größten: am Atom kern und in weiter Entfern ung vom Kern we rden sie nu ll. I iMJIrop _ in alle RlIUmrichtungC'fl gleiche Eigenschaften • Illl . orllu - Krd s; cngl. orlllt - 1'Ianclenbahn.

r nl e l1eil ...n" tie r HOII K ' ~ch cn Sc ha lcn Untere nergieniveaus Ekkuo- Iloi IR(Orbitalh rocn) nelv.ahl Scha lc s .J1arp ( ~scharf" ) 2 1...7 P principal ( ~hauplslll;hlich~ 6 ah 2 d d ilTuse (J
~

OE BROGUE betrachtete 192-1 das um den Kern lauf~'Tlde Eld.IR," als stehende .1I00eri~·l!fll!. IAT Um fang de r Elcktroncnbahn ist ein ganz zahl igcs Viclfaclk.-s \l akTi~...\cllcfll3ngc I....

o..T

Energie o es Teil che ns: ~ I areriC\\ cllen

E" m

I~

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Iängc:

Eld.t Rllll.'l1 bahn: I.ichlg\.'SCh\\ind igkei t:

c" -

J

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FonpnillV unl,!.'>- oder Phlr
J~"1.k.T

Strah l aus Teilch en gleicher

~Iassc

I !

,

• •

•

m und m

einheitlicher Gcs chwiedigkcit ,. I crhält s ich a ls Makn c \\ ctl c. Die Marcricwcljcnlänge wird Ihr

makroskop ische Objekte extrem klein. Die lr acnsitä t U~T MalCn C\\ cllc an einem Ort ist ein Maß tllr uic Au fcruhuhswuhrschcmlichkc it des Ud .tm n.s (in der l.adungswolkc],

In den

Kntltcn n ~chCIl

der stehenden wetten

ist die IntetbiW null. ~

Ilt:ISt:' llt:KC;'sch e I:n\ ch ilr re relation

Grö&::n von ucr Dimension einer Wiri.ullg ( l:Itcrgic mal Zeil) können wegen des Wellc-Teilchcn-Dnalismus prinzipiell nicht exakt bcstimmt werden. I:s isl uumögfich. gfeich::eiti? Aufc nlha ltSt!M .l!!ill! Geschwindigkeit \. (Belmg

und Richtullg) unvugchcn. Das Pmd ukt der Unbcstimnuhchcn von Onr undlmpuls J' /1/1' bzw. Energie /;" und Zci t I isl stCls größer als das Elcl1lcl1lar4ualllurn h. D

al ·!J.II ~ hI2

st: h

tr.J ~ 1112

1I 21t - I.OS ~ S72 67 · I O· " J s

Ein hc:stimllltcs Teilchen kann durclt eine ~k-s­ sun g peinzipi ell nkht e s akt Iokati skn werden.

Mes sen he&.-utct imlllcr __ S «'o rcn ~.

II ,•

J

•

2 Aulhml der Materie (Alllmlchrc)

2' T Qua nlenzatileß (.. 2.4. 2.7. 3.5)

Qua ntenzahl

Formel-

Spcktroskopiscbcs S\ m01l1 K. 1_ M. N.O. P. Q

Wert

vcichc n

Ib ufll-

"

1.1.L .

Xcben -

/

0.1.2.....,,-1

\I l1~n rl -

'"

O.ZI.Zl.....ZI

Be d eutung Schalcnnummcr; -c 21': H ektronen Bahn- 07W. Orbitalfoflll

s. p,dj

räumliche Lage des Orbitals

,

Spin-

Sr""

Eigendrehsinn

' i, . ,, ~

des Elektmns

'Y o l bifklrormen NebenQuan-

tenzah

1: r'l<."fll.ie7ustand der U ektn.......'T1

1= 0

,

/-

p

,

Auss.:hen der l.h'bitalc Foem

KuI ~I Hanprincipal tcl

sharp

t»2

J

dilTuse

/- J

f

fundamental

.<'

"''' " 2.7

Teile

,

K II(lI~'T1

Sdl reib\\ eise S)mbol

Orbitale

Is:

0

lJ

,

I

lJ

II

II

2

lJ

lJ

lJ

II

11

8

3

II

lJ

lJ

II

11

2

Die Bona'schen Schalen mit der Ha uptqu antenzah l n = 1 bis 7 unterteilen sich in s. p. d- und jczustände. die sich in der Orbitu lform unterscheiden. In den höheren Scha len verändert s ich nur die Größ e der Orb itale. Die Nebenq ua nrenea bl r = 0 ... n- I (Drehirnpulsquantenzahl ) beschreibt die geometrische Gestalt des Orbitals, nämlich Kugel (J) , Hantel (P) oder Rosette (d f). Sie gibt die Zahl der Knotenebenen durch den Atomkern an, in denen sich das Elektron nicht aufhalten darf. Die S -, p-, J- undf-Orbitale e iner Schale haben die gleiche Energie; sie sind "entartet", Diese Emartung wird aufgehoben, wenn äußere Felder auf die strahlenden Atome einwirken. Im Magnetfeld (ZEEMAN-Effekt) und im elektrischen Feld (STARK-Effekt) wurde eine weitere Aufspa ltung der Spektrallinien beobachtet - ausgenommen für die s-Elektronen. die s ich folglich isotrop verhalten. Die Magn etquantenzahl m (von 0 bis ±/) beschre ibt die Zahl der Einstellm öglichkeiten der Elektrone nwolke im Magnetfeld, Ein p-Orbit al kann in X - , y - und c-Rlchtung ausgerichtet sein. Im ß OIIR-SOMMERFJ:ln- Mode l1 bestimmt m den Winke! S zwischen der Rotationsachse der Elektronenbahn und dem äußeren Magnetfeld der Stärke J7. Das Elektron hat einen Eigendrehimpuls, bildhaft gleich e iner Kugel, die sich um die eigene Achse dreht. Die Sp inq ua ntenza hl s = +~ oder - ~ beschreibt die gleichsinnige (parallel) oder gegensinnige (antiparallel} Eigendrehung relativ zur Umlaufbahn. Die quantenmechanische Deutung des Elektronensp ins ist unanschauticb.

2r~

3d"

11 111

, ~.

Das s-Elcklnlfl ist ein kugelsymmetrisches Gebilde von t-l pm Du rchmes ser . Wlin: die BOIlR·sche Kreish3hn ri ,h li ~ mOs..' le sk h das ebene wasscrstoncrom im Magnt:tfeld ausriebten. das umlaufen de E1cktrull würde einen Kreisstrom indtvi.:f<.'T1 und die s-Spektratfinic würde aufspalten. Das \\ ird nicht beobachtet. ','

',::

',.:,:: :-:.' Q,~

« hnolt

'.

:-,' '" : .. ' . Q

Die hildhaRe Ei~lIrotl//ion &.-S B:klrons (Spin) erzeugt da, maj,tr'l<.1isch~:s MOnX-'T1 l lk:s EIcktn.Jßs

26

[

A llgcn~ inc

lind Anorg;ulisdlC Chemie

(olllorliitalc: O r ita formen lies VasscrstofTatum s ullil allilerer Elemenle s-Orbila lc (2 Elektronen): Wasserstoff. Helium. Alkali- und Erdalkimctallc ~

h -Orbilal . ,.

l~-Orbilal

.:.

p-Orbilale (6 Elektronen in J Orbitalen): Bor-. Kohlenstoff-, Sauerstoffgruppe . Ha logene. Edelgase

w.r:w::ill

J-Urbitlile (10 Elektronen in 5 Orbitalen): Übergangsmetalle

~

I -Orbita le ( 14 Elektronen in 7 Orbitalen): Lanthaneide. Actinoide

4h · "••

2 Aulhml der Materie (Alumlchrc)

27

... Exkurs: Woh er kommen di e Orbitale? Quantenmechanik des wasscrsto ffatorns Die w euenrunknon ljI (psi) beschreibt die komplexe Schwingungsamplitude der Elektronenwolk e. Eine anschauliche Darstellun g. ist nicht möglich . Das Q uadrat der We llenfunktion 1\jf12entspricht nach BORN der AuJemhalt.m·uhncheinlichkeil des Teilchens am Ort (x, y , : ) in einem Volumenelement d/'.

p '"

Iw(x.y.:Wd! ' E "'h (J) p. '" h k.

Energie: Impuls:

k,

Wellenvektoe:

Die Wellenfunktion \jI ist d ie Lösung der SnIRö1l1'( ;EI{-G leich unfe. e ine part ielle Differentt algleichung. Der Hoau.r o x-O pcraror 11 entspringt der k lassische n Gesa mtenergie des Elektro ns. indem man den Impuls du rch den Impulsoperator ersetzt.

"' p~ h

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Die exakte Lösung der SCIlR<'JDI:-.IG[ R-Gleichung ist nur für das Wasse rsto ffatom möglich . Schon beim Helium müssen Näherungen gem acht werden. Theoreti sch g ibt es unendl ich viele Lösungen . Den gesuchten Ei~c n fu n kt io n u \jI entsprechen ganz best immte Eige nwer te E für d ie messbaren Energien des Elektro ns. Sie erfülle n folgende Bedi ngungen : • Die Wahrscheinlichkeit. das Te ilchen irgendwo im Raum anzutre ffen ist e ins. f Iwl 2 d!' ''' I • wmuss end lich se in und in unend lichem Abstand vom Atomkern verschw inden. • W muss stetig. differenzierbar und eindeutig se in.

I

Se pa ra tlensa nsa tz, Man transformiert die SClIIH).. ()I N(j n~ -G l e i chu ng in Kugel koordinaten und tren nt die Gesamte igenfunktion ljI in e inen • radil/.W1hhäl1~i~(!11 Ante il R und e inen • Winke/w lld l ( K u ~t· m ii (' h c n fu n ktio n H9 .
Die Linearkombinat ionen 'J/nI", ± Ij/........ der We llenfunktionen bzw . d ie Bet ragsquadrate der Winkelante ile 1>'. . ",12 zeigen d ie in der Che mie üblichen Orbi ta le.

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28

r .\l -t.r-Pr mn

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Zwei Elektronen im Atom stimmen niemals völlig in ihrer Energie überein. Nach dem Schweizer Physiker PAUU müssen sich zwei Elektronen mindestens im Spin unterscheiden. In einem Atom oder Molekül können nie zwe i Elektrone n in allen vier Quunren:ahlell übereinstimmen. Ein Orb ital kann mit keinem. einem oder zwei Elektronen besetzt sein. Fasst das Orbital zwei Elektronen. sind die beiden nicht im gleichen Energiezustand. sondern unterscheiden sich durch den elltKeKl,.'llKe.M: len Spin. Durch die sogenannte SpillpaunllJK - die auch einen Energievortei l bringt - wird d ie Abstoßur ig zweier Elektronen im Nahbereich des Orb itals überwunden. Theoret isch ist bei jedem Atom jedes mögliche Orb ital vorhanden. auch wenn sich keine Elektronen darin aufhalten.

A llgcn~ inc

lind Alx'rganischc Chemie

'"'Orbitale werden als Kästchen dergestellt.

1

II

unhcs..:v tcs Orbital Orbital mit einem I] ektrlln. Om ital mitzwei Ek:klnlfk:n (mit anliparnllek'1ll Spin)

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Verkv ung dL-s ~ I'AUlI-!'ritv ips

... Bell:iehnung \ \lll Omiwk.'1l h: "",-Anzah l der n..:ktroncn

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1. Schale

L'Tl<."fl:.M.:niveau

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Ein Orbi tal kann maximal zwei Elektronen mit entgegengesetztem (an tipara llelem) S pin aufnehmen.

Htv n'sehe R~e1 Beim Auffüllen e iner Unterschale mit Elektronen verteilen sich die Elektronen eines Energieniveaus (p, d oder IJ so, dass sie möglich\t lunge gleiche Spins behalten.

Ip-.d· undfOrb itale werden immer zuerst ei nfae h ~tzt. • • • •

s-Orbitale fassen maximal Z Elektronen. die dre i p-Orbitale- maximal 6, die fünf d·Orbitale- maximal 10, die sieben f O rbita le maximal 14 Elektro nen.

JOnfell /lngmilje: In efrcm I'arlh;no; \cr;IDd.." sich die l .ahl dLT Parlpl :tv e nicht, " ..:nn mehrere Pl:tv e 00...", ~c EIagL'flunt'l.'SL'Vt sind. Solange im Aklffi freie p -Om itale \ orbando..'fl sind.. \\ inl =/I""dm je.......'S p·()rbilal mit einem Ek.i..tron tI\.'SL'Vt (parJllele Spins). l>ic:sl.T Vorgang ist e1te'Xiq:iillSlif't'r als die so fortige Auf· ffillung ei nes Orbitals mit "'Icj I:k.-ktn>ncn.

Das WasscmloJ...i..ol ist uuf Grund der Ahsttlllung Sauerstoffatom tctn...xfr isch und nicht linear gebaut.

lI..T tidl.'Tl U ek tn M1L'Tl[li li U'C 11m

Hybridorbuale Benachbarte- Elektronenwolken stoßen sich auf Grund der negat iven Ladungen gegenseitig ab.

, nicht: 11 - 0 - 11

Elektronenwolken suchen den größ/lllöglichen Abstand voneinander, Das Orbitalmodell erklärt - anders als das Bortn-Mcdell die räumliche Anordnung der Atome in Molekülen und Git tern durch die Art der Bindungen und Bindungswin kel. Durch Hybr idisierung der Atomorbitale entstehen Miseh örbitale. wobei die individuellen S- , p- und d· Zustände aufgehoben werde n ( .. 5.2.3, 10.2). " Kohlem f(1T( l s22s22p2) hat in der äuße rsten Schale vier Elektrone n. Durch Anregung (äußere Energiez ufuhr) springt ein zs-Elekrron in das freie 2p;-ürbital und es b ilden sich dara ufhin vier energiegleiche .\pJ-Hy bridorbitale. Sie bilden auf G rund der Abstoßu rig der Elektro nenwo lken einen Tetraeder, wie er in Kohlenwasserstoffen vorkommt.

... Das JPl-h~ bridis ic:T1.e Kohk'flstofTatnm. ' Ile es im Methan CI " \ Ilrl;tlffiml

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•

2 Aulhml der Materie(Atllmlchrel

2.8

Elektronenkonli uration

Jedes Elektron in der Atomhülle besitzt kinetische und potentielle Energle. Je kernn äher sich ein Elektron aufhält. umso schneller bewegt es sich auf der gedachten BoHR· Bahn; die potentielle Energie ist jedoch bei den äußeren Elektronen größer. Weil der Zuwachs der potentiellen Energie größer ist als die Abnahme der kinetischen Energie. steigt die Gesamtene rgie der Elektronen. j e weiter sie vom Atomkern entfernt sind. Elektronen suchen möglichst energiearme Zustände. damit das Atom eine geringe Gesamtenergie erreicht. Die Verteilung der Elektronen auf die Atomorbitale - die sogenannte Elektronenkonfiguration der Elemente - erm ögficht erst ein tieferes Verständnis für den Aufbau der Atomhülle. das Periodensystem der Elemente ( Il- Kap. 3) und die chemischen Bindungsarten ( Il- Kap. 5).

Das [ nt'f"2 ie ni\t'a u~ ht' ma zeigt die Energiezustände der Elektronen in der Atomhülle.

.... Die kin etische Energie häng. von der EIe"· Imllf.',rhe'M 'f.'KUIIK ah, d ie pote ntiel le Energie vorn Kernahstond d~"S F1d,lrw ls ( .. 2.6 ).

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....Ve rtci lunl!- der 92 r k klro nt..'11 des Uranao rns auf die Orbi tak . Zur Reiben folge de r Orbilalauffilllunl!- .. 3.5. ~l an schreib!; kur/ ; I Rn l5t~ nd l 7s". IRnl bedeu tet die abgeschlossene Schale des l:ddga"4'S Radon.

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11

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[ A llgcn~ inc lind Alx'rg anischc Chemie

2.9 Auf aben mit Lösun en l um C'!><:n die rccluc s...·iIC mit einem nl..u Pepier abde cke n. Aufgaben 1l1'
Konstanten

/lti n) = 1.0087 LI

e • 1.602 ' 10"19 C

m ( p) = LI

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1.0073 LI

1.660_10-27 kg

I..\ Iumi niu mal.mlc haben 14 Neutronen und 13 Prott~n . al W ie laUh.1 das \ olls tändige Ucm<.'Tlb~mbol? b) Wie<. icle Elektronen hat ein Aluminiumatom? ct Wek hc l .adung hallo.'ll Aluminiumalt>me? öl W AS " ic ~1 ein A lumin ium ult>m ulli!'"l'lihr? (in LI und kg). e ] Was wiegt e in Al umini umatnm bei gen euerer Rechnung ? Waru m stimmt ..i l:f \\'1.'f1 nic ht C\akt mit der im PSE tabellierten Atommasse (26.98) Obcrcin ?

n Wie groß ist die "' cm tlindung.:'4'm~ie?

Wie gn16 ist s ie je l'\oclcon? g} WiL...iek Isotope hat Aluminium?

al

m(e l "" 0.00055 LI 2 IIC = 931.5 xrev

n

AI

bl 13: siehe Drdnen gszahl im

l>critllkn.~) SICnl

cl keine dI1 4 n +l3 p _ 27u :::27 · 1.67· llr17k @. e] 1... ·1.0087+ 13 ·1.0073 + 13 ·0.oo055 u - 27.22 u Ma....sendefekt . MI - (27.22 - 26.98 ) u "" 0.2-.1 u.

o E =M! r11 =0.2"'u ·I.66 ·IO·17 k~ ·( 3 · lo"mls )" =

3.59 ' 10. J 00...'1" E- 0.24 u · 9 3 1.5 MeV = 22... ~leV EA = 224 Me V ' 27 = 8.3 MeV fNucl. :on . gl ein l>t>tuf' (Reind~"ßlcrI t) 1000 01 : 0. 1 nm _ lOB AI.1!1lt:

3. Wie groB \ \ln: im

V~-rglt: imsm3 &tab dt.'I" Atomdurch1l'K.'SS<.'I". wenn man sich dt."ß Atnmh-m 3)315 Kugel \on 1 cm. bl 31s die Enle (Radi us: 6371 km) \Oßtel lt?

Atomdurchm ~-sSl..'I" ;

Kemdurchll'K.' ser = 10 000 : I

al lO000cm "" 100m bl 2 ·6371 km . 10000 - 127

~I io. km : das s ind 85° .dt.-s AbstanJ..'S Erde - Sonne!

.... Wie wirken ~ h~ mN h, Rukti"n," a uf al Atomo:? bl d ie Proto nt."ß/ a hl?

a) Cbcmiscbe Reak tionen H.-rändem die Ejeknoncn hülle . aho..'I" b) nicht ••Iic Atomkerne. a lso Z = kon stant.

5. In "e1cht.-m Zahlt."ß\crMlrnis slo:ht:n die Messen eines Protons, No;uIR)f1S und F.lo:ktn)f1s zueincndc'l'?

Rund I : I : 0.0005.

6. Woran scheuem eue

Kein \ 1.)<\0;11 erlilln die Vidfalt der Atome um fassend .

. \ IIlI71 mod~ II,?

7. wetcbcn enlsc-hcidt."ßden Man gel ha i das BOHR ' sehe Atommodell ? 8. Mit welchem Experiment wurden d ic verschied..."ßen Encrgie stu f..-n der n ektron e n nachgewiesen?

9.

Wa~

\ ersteht man unter ei nem O rh itlll'!

Es berücksic hugt die III'JSl:NIlERG' sc ho: Unschärfere lation nicht (u . aj.

Durch Spektralanalyse. II..TII<:r Linienaufspaltung im äußeren Feld (Z E[M AN_ und SrARK·Ulckll Ein Raum. in de m s ich ein od er zwei Elek trone n mit höh er wabrsc hcmlichkc u nuthalten

10 . Wi,; sehen S'.p_ und J -( )rb italo: au s?

Kugel Cf) I lallte! (1')

Ros ette (d) 11. Was vers ieht man unter einem •.Spin" .

Drehi mpu ls. z. H. Eigendr ehi mpuls des Elektrons

Literatur zur Ph sikalischen Chemie und Datensammluu en 1I1 I'. w. ATt.;I'S. 1'I1):llw lt..dlt' C""m'e. Witcy_Vl"II : Wcinhcim "2006, tlloc hgcstclltc ZiITer - AuJ1 agc ) 12 1 G, 11. AYl WAIIIl. T. J. v , FI' tll.A v , f)lI/"llstlmmlllIlKChemH' in !>1·ElIl /wIIl!n. Wilcy·Vl"H. Wcinhcim ' IQQQ. 131 CRC lIu'ldho<,k qfChemlsl,,·u,rJ PlrysiN. ll rsg: 1) . R. IJOE. CRC-Prt.ess: Clcv eland "'2()()Q, [~ I J. IYA, S. E. I.AX. Tust;h.:nh,lChftir ClIt'""Jier ",I
171 P. "'l' RlWU l~ 11. FREV El. F. (i fßIl AIIO. Ph):l",-Formebommllln~ V..... eg +TeunT: Wicshadcn l 200Q.

(8) G. WfOUR. l~hrhudl de, PII):lIIw1lst;hI!n C""m H'. Wiley-VCII : Wcinht:im ~()().I

31

3 Periodensystem (PSE) _ __ _ _der_Elemente ____ _ _ 11

3.1 Der Elementbe riff Der Eleme ntbegriff löste sich im 18. Jah rhun dert von philoso phischen ldee n und de finierte die moderne Chemie als die Lehn: ' "mI den Elen/eil/eil lind ihren I 'erbindungen.

LAVOISI ER beschrieb 33 chemische Elemente: al _einfache Stoffe- w ie Sa uerstoff. Wasse rsto ff Stickstoff. b) •.einfache nichtmetallisc he oxydable und acidifiable Substanzen- wie Schwefel. Phosphor. Kohlenstoff. e) •.einfache meta llische oxydable" und in Salze überfüh rbare Sub stanzen w ie Kupfer. Eisen. Si lber. Jeder Sto tT ist als Elemen t anzusehen. so lange er mit den bek annten Ver fahren nic ht weiter zerlegt werden kann .

Chemische Elem ente (Grundstoffe) lassen sich au f chem isc hem Wege nicht in andere Stoffe zerlege n. Sie bestehen aus Atom en gleicher Ordn ungsza hl. Mitte des 19. Ja hrhunderts w uchs das Bedürfnis. d ie rund 60 beka nnten Elemen te nach ihren chemischen Eigensc haften zu ordnen . OOBERH NFR bemerkte. dass innerhalb ei ner •.Triad e- von Elementen - w ie Chlor. Brom und Iod - d ie Atommasse des mitt ler en Elementes etwa dem Mittel aus den Massen der äußeren entspricht. Das Perlod ensys tem der Elemente ( PSE) - zeitg leich von MENDEl.r,JEv.' und MEYER im Jahre 1869 verö ffentlicht ordnete die Elemente nach dem ••Ato mgew icht" in Gruppen mit ähnlichen chemisc hen Eigenschaften. MENDELEJEW sagte mit seinem Sys tem damal s noc h unbek annte Elemente vorau s und schlitzte deren Eigen schafte n mit erstau nlicher Genauigkeit aus de n Nac hbarelementen ab. Nac h der Entdeckung der Isotope wu rde d ie Protonenzahl zum Ordnungskrit erium des PSE. Mit ste igender O rdnungszah l wäch st nämlich d ie Neutronenza hl nic ht g leichmäßig. so dass Argon und Kaliu m. Cobalt und Nickel. Tellu r und Iod nach dem strengen T rend der Atomma sse n in vertausch te G rup pen fallen würden. Als Bezu gsbasis de r Atommassen d ient n icht meh r das Wasserstoffatom . sonde rn d ie intern ationale Atommassen einheit u; definiert a ls ein Zwö lftel der Ma sse des Isotops Kohle nstofT- 12. Das Ordmll1g~pritr=ip des PSE beru ht auf den ähnlichen Eigens chaften der Elemen te. Anstelle der Massenzah len (relative Atommassen) bestimmt heute die Zahl der Protoncn im Kern (Kern ladungszah l) di e Ste llung der Eleme nte im PS E. ...3,..1

\ . ( ·hr. EMl1-lXJt;.U:S WJS.... 4 35): UrstolTe Feuer . Wa~<;<..... I.uft und I'nk. AkISTOTEl.ES (38+-322): Quadrat dl.T fk..mcntc und Ilt
1819 P. DUI.ONG. A. PFTlT: ]..;onslarll dl.T Atom \\3mlC: At' "1lnllt'.o;( · ~/itiSl..ilc W:lnnI: ~ 26 JiK . 1829 J. W. I>OIl ERU NI'R: Triadenregel 111,

C l/Hr/I: S1Se/Te : CalS rllla: LilNaiK. 1864 NE\liI.ANIlS: ..GesclJ:der Okla\ en". 1864fl.J I.OTIl AR M Evt: R: ••System d er chernisehen Elcmceuc'', (, Gruppen g.....INn..:1 nach Wertigkeitund Atomma sse. 1l«.'J n. I. I\IENDEt EIEW: •.l'eri odcnsystcm" mir 60 Elementen nach steigender Atommasse und chemischen Gruppeneigenschatten geordnet. vorunssage von Se. (101. Ge. 1'0. Re und T..:.

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J J Il ERZflJ l 'S nt ME'I >l U J F\\ ' L. MEH R 1 90~ Sau..'r.;tllll· als Belllg...JJa~is ocr Atollllna"sc"11 I'J09 F. SOl)()Y cntd..x ktlsotopc. 19 20 l'h) sikalischc Atomgewichte auf Basis von I"(). chemische A IOm~e\\khtc auf Basis d..-r narürfichcn Sauerstoffisotope '~O. PO. 1' 0 . 196 1 Atomm assemabelle für Cbcrnik cr und Ph) sikc r auf Basis des I1 C_I>tIl'lflS.. 1994-'}(' Ge.•eflschttji )Ur Schwerioneoforschun8 1( iSI). I)armstadt Elemente 108 bis 112 200 4 Dubna: Ekmellle 113 lind 115.

32

I Allgemeine uml Allllrltalli",hc C hemie

3.2 Elementnamen und -s mbole

" Anl cil der t:lemt nte Mn der E nJk ru~tt (g/tJ

Br:RZEl.J US ( 18 14) begründete die einheitliche Zeichensprache aus zwei latein ischen Buchstaben. von denen der erst e groß und der zweite klein geschriebe n wird .

Das chemische .~rmhol beze ichnet zugleich ein Element und ein Atom dieses Element es. Elemente. die sc hon im Altertum bekannt waren, tragen lateinische Kürzel. Statt älterer deutscher Schre ibweisen wird seit IIJKj d ie Angtercnung an die internationale Schreibweise empfoh len: Cer statt Zer. Ceesium statt Zäsium. Calcium statt Kalzium. Act inium statt Aktin ium. Verp flichtend : Bismut statt Wismut. Iod statt Jod . Die Vo rsilbe Eka oder ein Zahlwort bezeichnet die künstlich erzeugten Trcmsfermiumeiememe, die noch kein en internationa l festgelegten IUPAC·Namen tragen: • Eke-Ouecksilber für Eleme nt 112. Ummhium (Uub) • Eka-Bismut für Element 115. UIl UII[lg!1!.ium (Uup). " 11

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3.3 Vorkommen der Elemente Die Elemente korunten in der Natur unterschied lich hä ufig vor. was ihren Preis auf den Weltmärkten er klärt. Saue rstoff und Silicium b ilden 74 %. Alum inium. Eisen. Ca lcium. Natr ium. Kal ium. Magnesium. T itan und Wassersto ff 25 '-'10. die übrigen Elemente zusa mmen I % der Erdrinde. • Lirhmphüre: Erdkru ste. Gestein bis 17 km Tiefe • Hydrosphäre: Wasserhü lle • Atmosphare: Lufthülle bis 15 km Höhe w asserstctr H; Saucrstoff O. und die Halogene (F:. C11• 8 r2. 11 ) komm en als z"'t'ill lo lll i~e :\Iolekült' vor. Nur in statu nascendi. Mim Zustand des Entstehens'' bei chemischen Reaktionen. treten Wasserstoff (11) . Sauerstoff (0). Chlor (CI) für Sek undenbru chteile _aktiv (atomar) auf. Weißer Ph osllhor ist p~ und Sc h",erel 5.. Die übrigen Elemente kom men atomar vor. Etlic he sind rodioakttv oder entstehen durch Kernumwandlung . M

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I.OO79-! 71 I 83.84( I1 131.1<13(61 173.0_ 5 88.9058 5(2) 65.38121 118.710171 91.22-4(21

11

I Allgemeine uml Allllr{talli",hc Chemie

3.4 Aufbau des Periodens sterns Das Periodensystem (PSE) ordnet d ie Elemente nach steigender Kern ladungsza hl (Ordnungsza hl) und fasst ähnliche Elemente in Gruppen (senkrechte Spa lten) zusammen.

7C

Die nach steigender Keroladungszahl angeordneten Elemente zeigen eine t'ertod izitat ihrer Eigenschaften. In jeder G r u ppe des PSE stehen Elemente mit ähn lichen chemi sch-physika lischen Eigenschaften. Die Gruppen werden nach der internationalen Norm ungsbehörde IUPAC von I bis 18 durchnummeriert. Im Patentw esen und bei Datenbanken tCbem ica! Abstracts .s:rstem, CAS) sind römische Gruppennummem üblich . Man unterscheidet: • Hauptgruppenelemente (Metalle und Nichtmetalle) und • Nebengruppenele mente (so g. Ohe/Xangs metalle). Im Langperiode nsystem ( Il>Umsc htag innenseite ) sind alte Elemente einer Periode in einer Zeile angeordnet: Hauptund Nebengruppen bilden eigen ständ ige Blöcke. Im wen ig gebräuchlichen Kurzperiodensystem sind die zugehörigen Haupt- und Nebengruppenelemente zweispaltig nebeneinander in derselben Gruppe angeordnet. Eine Periode bezeichnet eine waagrechte Ze ile. in de r ein Element im PSE steht. Die Periodennummer entspricht der Bonn'schcn Scha lennummer der äußersten Elektro nen im Atom . Inn..-rhalb einer Gruppe steigt d ie Zah l der Elektronenschaten von Elemen t zu Element um eins an. Damit wäc hst gle ichfalls der Atomd urchmesse r.

Pertode

"" äußerste Elektro ncmschale (K•... •Q) "" Hauptquantenzahl n ( 1,... ,7)

Die Atome der Elemente ein er Gru ppe besitzen in ihrer Außenschale die g leiche Zahl von Valensetektmnen. Deshalb verha lten sich die Elemente einer Gruppe chemisc h ähnlich und gehen mit andere n Elementen Bindungen etwa g leicher .Wertigkeir' (Bindig keit) ein. Die Valenzelektronen besetzen bei den Hauptgruppenelementen die x- und p-Niveaus der äußersten Schale, bei den Nebengruppe nelementen zusätzlich d ie ci-Nivea us der zweitä ußersten Schale. Gru ppen num mer

Zah l der Valenzelekt ro nen Zahl der ci,E lektro nen - 2 (bei den Ohf!rg elIIgsmel allf! n ) = höchstmögliche O , idat innsst ufe

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lG

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7C

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Bezeich nung

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7 1<- 1.

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Die Differenz der Hauptgruppennummer auf 8 gibt d ie Zah l der Elektro ne-n bis zur Edelgas scha le an . Die reaktionsträgen Edelgase haben eine voll besetzte p-Schale. Metalle geben Valenze lektronen ab, Nichtmetalle nehmen Elektronen auf. um da s stab ile Elektronenoktett der Ed el211sM::hale zu erre ichen.

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12

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_Sal/ bildner Igricc h. alas '" Salz). weit in den meislL"fl \I ill<,.-ralicn \ OnOmllll.'fld 1It1/~ne.

3 Pcrinocn,Y, lcm

11

3.5 Elektronenkonfi uration der Elemente Die Verteilung der Elektronen eine s Atoms auf d ie Orbi tale heißt Elektronenkonfiguration. Jedes hinz u kommende Elek tron bese tzt e in möglichst niedriges Energien iveau. v-Orbitale nehmen max imal zwei . p- Orbitale sechs. dOrbi tale zehn . [ O rbita le 14 Elektronen auf. Nach dem Gese tz der größten Multipliz ität {Huxn- Regel} werden p- , d- und fürb itale immer zuerst ei nfach besetzt. Die Zahl der Elektronen im g leichen Energieniveau steht als Ex nent im Termsymbol. ßd ,pi t'l. 1s!2 s12p' ist tlie Elcl tn,ncn koe figuratjon des f1uorat om s mit neen Elektr onen . I_M:S; ..e ins s zwei. zwei S zwei. zwei p fünf" . Glcif.il\\ enig isl die OrbilalSl..i lreib\. cise.

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In der J. und 5. Nebengruppe. be i einigen Platinmetallen und den Acti n iden gibt es Ausnahmen.

Speztalfatte. Ilalb und \'ollhesetzle tl-Sc ha len sind energetisch be\'orzu ~t . • An Stelle d~ s tritt d's' (bei Cr. Mo). 9 • An Stelle d s 2 tritt d l(lst (bei C u. Ag. Au ). Kupfer halt}JL·on.1isch die Besetzung 1..\rI 3d~ -Is1• experime ntell ermittelt wu rtlc (Arl 3d1°-ls l • ßt'i~/"d.

()tJanlCll/ahl

c

Die S O. p- , d- und .fNiveaus der Bona-Sch elen füllt d ie Natur nach steigender Energie - was nicht der numerischen Reihen folge entspric ht. Wer Merk schemata für die Reihenfolge der Orbit alauffüllung vergisst. liest d ie Elektronenkonfiguration aus dem Perioden system ab . Wir notieren das Edelg as. das vor dem Element steht. dessen Elektronenkonfiguration uns interess iert. und zäh len Element für Element nach rechts d ie Valenze lektro nen mit den zugehörigen Per iodenummern und Term symbolen ab . • lJ'a u er.ll(&"und Hd ium füllen das lr-Niveau au f. Alkali- und Erdalkal imetalle d ie höheren .\ -Nin a us. • Die Nicht- und Halbmetalle besetzen d ie p -Nina us . • Die Neb engruppenelemente füllen d ie d-Nina us. wobe i die Schalennumm er n um e ins nachhinkt. • l.anthanoidc und Actinoide füllen Jf- bzw. Sf-Nh'ea us.

2, 3, ... 4, S, 6, 4f 7, Sf

ulInl rnrllhle n d er- .\ lUmt

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I Allgemeine uml Allllrltalli",hc C hemie

Ejcktrunenkonfl 'U ratlon d er E lemen te im G rundzustand ...2.11 Eiemcnt

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Die EJcLtrom:n in tll.'f jeweils i1 ulgefilllten Schale sind fcu gedruckt. Die 1.,J,;lga-o;c sind rot hl.~ o~ehotoen . Elemente mit .\ u ~n ll h m C'n in der Elc ktrooc nkoefigeration sind fett gedruckt, Ein Ausrufezeichen \\ cist tlaraufh in. dass die tatsächlic he Elektronenkon figuration H In der rhcoreuschcn abweicht.

37

11

J8

I Allgemeine uml Allllrltalli",hc C hemie

3.6

Periodische Ei enschaffen

3.6.1. Meta ll- und Nichtmetallcha ra kter Nach der elek trischen Leitfähigkeit werden Meta lle (Leiter). Halbmeta lle (Halb le iter) und Nichtmetalle (N ichtle iter ) unterschieden. Die meisten chemischen Eleme nte sind Metalle. Der Metallcharakter wächst in den Gruppen vo n oben nach unten. in den Perioden von rechts nach links. Im Per iodensystem stehen McllIllc tendenziell links unten. l'iichtmelalJe rechts obe n.

Zwischen Metallen und Nichtmetalle n sind platziert :

• Halbm eta lle (B, Graphit. Si. Ge. schwarzer P. As. Sb. Se. Te). die den Nichtmeta llen nahe stehen.

• :\Ietam elalle (Be. Zn. Cd. Hg. Ga. In. TI. Sn. Pb. Bi). die den Metallen nahe stehen und tei lweise halbleitende Eigenschaften zeigen. Ein Maß für den Meta ll- bzw. Nichtmeta llcharakter eines Elementes ist die toms ienoigsenergte (Energ ieaufwand zur Abtrennung eines Außenelektrons) bzw. die E/ektronenof filii/tl/ (freiwerdende Energie bei Aufuah me eines Elektrons). • Metalle sind elektroposuiv. Wegen ihrer niedrigen Ionisierungsenergie geben sie leicht Elektronen aus der äußersten Schale ab und bilden elektrisch positiv geladene Ionen ( Ku/imwn). Die Metallkationen sind klei ner als die ungeladencn Meta llatome . Die Valenzelektronen der Metallatome bewegen sich frei im Metallg iner (..Elektronengas"] . was die elektrische Leitfähigke it und mechanische Bearbeitbarkeit (Duktilität) der Metalle bewirkt. tJo 5.3 • Nichtmeta lle sind elektro negativ. Wegen ihrer großen Elektronenaffinität nehmen sie Elektronen in die äußerste Schale auf und bilden elektrisch negativ geladene Ionen (Anionen). Die Anionen sind größer als d ie ungeladenen Nichtmetallatome. Ihre valcnzcfckt ronen können sich nicht frei bewegen wie die der Metallatome. sondern ble iben in den Atomen lokalisiert. Daher le iten Nichtmetalle den Strom nicht und bilden typische Molekülstrukturen statt eines Mctallgittcrs. tJo 3.6 Die lcnl slerungsen crg lc beschreibt den Energieaufwand. um ein oder mehrere Elektronen aus dem Atom vollständig zu entfernen. Weil die inneren Elektronenschalen die Kernladung abschirme n. werden die äußeren Elektro nen (Valenzelektronen) weniger stark gebunden als die inneren. Die Elekt ro nt'gati\ itä t (EN) charakterisiert d ie Neigung der Elemente. Elektronen an sich zu ziehen; sie steigt vom Cäs ium zum Fluor hin. also: • in den Perioden von links nach rechts. • in den Hauptgrup pen von unten nach oben.

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Gruppe n 1 und 2 (I a--Ihl): \kta llc. Gru ppen 13 bis 16 C1 I1 a--VIa ): ooen Nichtmetalle. \ l ille Halbmetalle. unlL'TI \ 1L'tal k . Gruppen 17 und 18 rvue-vruau ~ i chl ~lall e ( 1 Ialt >g~-n.:: . Edelgase] . Alle 1"ebt.'1lgru pr"..n elcmcnre [ jnc], I.a nthano itk und A~1.j noide ) sind M~'ta lle. Am st3rlstcn ekkln llll,:galh ist 11_ . am sl!lri;ste n ckktropusi li\' iSI f remd"", bzw. Cdsi""" Francium als kurzlebiges radioa kuvcs Element hai keine technische Bedeutung. .~ rst'l/ hat melal1i~he und nicht mctallischc ~1lltJi flk aiioncn (I:r.;t;heinungsfo rrnen).

. T rtn d d er- lun is irrun l:srn r rs=,ie n (i n r Y)

11 13.6

Zunahme vou Ker nludung und

lVII isit' nll/K I'e11(' rKie

He 24.6

ke ine Abschirmung

Zunahme von Kern-

.,r

2

I.i SA

lad ung und lon is icru11gscnergic

No 2 1.6

Abschirmwirkung nimml lI i(' h l l U

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der F. lcmenfe (i n eV)

8

In der K·Scha le sind die Ionisierungsenergien besonders hoch. weil die Kernladung (Protonenzahl) ungehindert auf die Elektronenladung wirken kann. Die Elektronen der höheren Scha len werden durc h die inneren Scha len abgeschirmt, In eine r Periode wächst von links nach rechts mit jedem weiteren Proton im Kern die Ionisierungsenergie an. .....eil die Kemlad ung steigt. die Absch irmung der inneren Elektronen schalen aber nicht größe r w ird.

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I Elektronvo lt (eV) an Energ ie gewinnt ein Elektron. wenn es im elektrisch!"," Feld mit der Potentialdifferenz I Volt beschleunigt wird: I ev » 1.6022' 10. 1'1 J. ~a..- eor ---...

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I.

Die Energie steigl sprungart ig an. wenn Elektronen einer ticfcrcn Schale ~l,,,sl'al lell \\l,,-nJ,.' 1.

_Enl.'fgk.":'pn.ll1g-

] Allgemeine und AllurltUlli",hc Chemie

;t: ElcktroncJt3lh ität. Ato m· und lon cnra (J ien de r Eleme ntt'

Die ElektrOfI('Kafi\'iliif (EN. .. 5.2) beschreibt die Fäh igkeit eines Atoms. innerhalb einer chem ischen Bindung Elektronen an sich zu ziehen. Die EN-Werte sind relative Größen. Für Fl uor wurde der Höchstwert EN '" 4 festgesetzt. Fluo r. das aggressivste Nichtmetall. reagiert mit Wassersto ff selbst bei Temperaturen von - 200 "C ex plosionsartig und greift bei höheren Temperaturen und Drücken sogar die Edelgase Kry pton und Xenon an. Die Differenz der Elektronegativitäten zweier Atome ze igt die Polar ität einer chemischen Bindung : • Reine Atomb indung: ßEN = 0 ß EN = 0.5 ... 1.8 • Polare Atombindung: • Ionenbind ung: 6.EN > 1.8 P...m ode

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12

A Atom- und Ione nradien in Picometer ( 1 pm = 10- m = 0.00 1 nm sche Darstell ung der relativen Grö ße.

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10 .(0 pm '"' 10""" mm) und gra fi-

3 Perinocn,Y,le m

3.6.2 Sä ure- und Hase nbild ne r Die Sauersto ffverbind ungen (Oxide) der Eleme nte und einige Elemente dir ekt reagieren mit Wasser mehr ode r minder schne it zu Säu ren oder Basen. • Nicht ßle tllllu, id e - CO 2• N0 2• 50 2 und SO, - bilden Säuren; sie färbe n Universali nd ikator und Lackmus rot. • Met llllo\ide - NeO . CaO - bilden Basen (Laugen) : sie färben Universali nd ikator und Lackmus blau. Mit ste igender Oxidationsstufe n immt die Basizität ab . • Amp hotere O vrde - wie AI20, - bilden je nach Reaktionspa rtner Säuren oder Basen. Im Periodensystem stehen die Basenbildner (Metalle) tcndl,.'flz ie ll iinks. die Säurebi ldner (Nichtmetalle) rechts. • Der Säurecharakter der Hauptgruppenelemente nimmt in den Perioden von links nach rec hts zu. In den Groppen wächst der Basenchara kter \ '00 oben nach unten. • Die Obergangs meta lle sind Basenbildner (Ia, lb. IIIb). wie die Haupt gruppenelemente. oder amphoter (IVb bis Vll b). Die Säuren HVO J • II !CrO~ und HMnO~. analog zu HNO ). H 1SO~ bzw . H C IO~ . sind nic ht stabil. aber in Salzen a ls vanadate. Chromate und Permanganate bekannt. Die Eisen- und Platinmeta lle (V ll lb) sind amphoter oder basisch.

3.6.3. Valenze lektrone n und Oktettregel Die valen zefekrro nen (Außenelektro nen) bew irken d ie typische Reaktion sfähigkeit der Elemente. Die Zahl der Valenzelektronen kann man an der Gru ppennum mer im PSE ablesen. Sie wird auch Oxklationsaofe oder Wertigkeit genannt und besc hrei bt d ie maxi ma le Bindigkeil eines Elem entes in einer Verbindung . • Bei lIa llfl IKrllf'(II!IIe1I!IIII:IIrell gibt d ie Gruppennum mer die Zahl der s- und p- Elektronen der äußersten Scha le an , • Be i den Ubergangsme totten zählt d ie Gru ppennummer die v-Elcktronen der äußersten Schale und die dElektronen der zwe itäußersten Schale, Be i Lanthanaiden und Actinoiden: d ie Elektronen der äußersten (s). zwe it- (d) und drinä ußersten (j) Schale Au f der äußersten Elektronensc hale. dem höchsten Energien iveau. befinden sich höchstens acht Valenzele ktro nen, Die vo llbesetzte Ac htersc hale (Okte tt) ist energet isch beso nders stabi l ( Ed elgasscha le). • Die Ed d 2ase mit vollbesetzter Achtersc ha le sind reaktionsträge (inal) und schwer zu ion isieren. • Alka lime la lle und Er dalka limetalle s ind reaktkmsfreudig und leicht ionis lcrbar: sie erre ichen die Ede1gasscha le durch Abgabe des einen bzw . der zwe i Valenzelektronen. • Den reaktion sfreudigen lI alo j?;en en fehlt nur ein Elektron zur Edelgasscha le (hohe Elektronenaffinität. ~ 5.103).

Ca lcium Oll, Metull i, t ein Basenbildner 2 Ca + 0 : ~ 2 CaO (Calciumoxid) 2CaO +2 I1 JO ~ 2Ca(ü l lh (-h,drU\ id )

Aluminiumh, drm,id io;t (/mph u/(''', Mit Sauecn: AI(Oll h + 3 II:-;O J

Mit Basen: A1(OIII , + NaOlt

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• ,~lUer.ftf}1f i>1 immer zweiwe rtig (- 11).

nur in den Peroxidc-n einwertig (- I) , Ftu<)r ist immer ein wertig (-I). • /;' klxu"w.'sind nullwcrtig. Seit 1962 , iod jedoch Verbindungen bekannt. • Hindi gl. rit d r r 11I1 ulllg ru lll",' nl,'le mc nl('

+ Elcktroncnubgebc. - Ek-kironcna ulnahmc. 1s 2, 21' Ilinlhgkcil c11

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1 Allgemeine uml Allllrltalli",he Chemie

3.7 Auf aben mit Lösun en 111m (rbcn Jie rechte Seile mit einem Ulan Papier ab..Jecken. Auliruhcn Wscn lind hci IJ••-.Jarr..~p id,en ", I. Warum spricht man der Elemente?

\ 't lll

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2. Wie sortierte M ENlJI1.EJEW die Ek'TlIt.."IIte?

Die chemischen Elemente zeigen periodische [wied erkehrendeI Eigen scha ften, wenn man sie nach ihrer Urdnungszahl sort iert. I . H. die Atutl1\olumina.

-........

Nach den ..Atomgew ichten"; heute werden sie nach dt..T Zahl der Proto nen (Oninun[t-v.ahl) angt..'tlfllnct.

3. Zeichne n Sie in ein schematisches I'SE ein: a) \ h 'la llr un d ' ichlm r la llr .

11lllllVVVlVIlVIll

h) elcltn'f'tosi li\e und elcltmnClI.ati\ e Elemente, c) ll au[l({!I\Ippen und I>emodcn.

.f. Woourch ulllt..'fSCheitk"ll sich \ k talle \ Oll

,.

J\'ichum.'talkn? 5. Wie hclll."IIlll."II Sie die einieInen Gruppen öcs Perioo<'"IIs~ st,,'TTI s?

6. Warum zdg..'1l die [kmenle Natrium unti Kalium nahezu g.lo:ielk-s cbcmiscbes V~'I'f1ah<.'1l?

Nach dem ersten Fjcmcnt ocr Grnpre. z. H. -I (lVal - Kohlenstoffgruppe. 6 (Vlb) . l'hmm{!l\lPJIC, F<.'1'll<..T: 1 = Alkalimc-ta11e. 2 = hdallalimctalle. 13 '"' r n.tmctal1c. 15 = Pnicogenc, 16 - Chalcogenc, 17 - l lalog<."IIC. 18 - Edelgase. Die Zahl d<.T J "alefre/dtrollt'n (hi..T 1I besurnnu das cbcmlsehe Verhalten. Zutk"lll sinti die ,\ tomr.tdi<.'1l 3hnlich.

7. Lithium schmill1 bei 180.5 "C, Kalium bei 63.7 "C, Alle drei sinti Alkalimetalle. l'\alrium steht Z\\ ischcn Lilhium Wck h..T Schmcbpunkt ist fllr Natrium I U erwarten > und Kalium. I>t,T Schrncl"f'llllki muss Z\\ isch<."11 180.5 "(' und 210.5. 97.8 OIl<.T -I3,P C? 63.7 "('licgt..'1l. also bei 97.8 "C. 8. Welch e F.I,,"IIIenle lo:ig..-n ähnliche Eigenschaften: al Lithium. Kohl<.'1lstolT. SaucrslolT. Neon. b j lod , Chlur. Brom, Hcor. c j Scandium. Magnesium. wasscrstotf, Hor'!

Nur die lIalog<."IIC [b}, In den a nderen Beispicl<.'1l sjnd EIerncntc verschicdcncr Grupp..'1l vermischt.

':I. Beurteilen Sie die metallischen und sa uren

a ) Afkll/imt.'IIIf1t.' (Li

Eigenschatlen der: a ] Gruppe la, b) Gruppe 1Ia. c) Gruppe lila. d) Grup pe IVa. e ) Gruppe v a, I) Gruppe Via. g) Gruppe Vita. 11) Gruppe Vill a'!

10. Was versteht man unter 3) IM.lol,en, b] Rciuclcmcmcn. c) Mischclcmemcn?

his Fr): weich. gllln/cnd. elektrisch leil-

fähig, reagieren heilig mir Wusscr IU Alkalilungen.

b) Erdafkalimewlle (Be his Ra): welch. reaktionsfre udig. bdd cn Hasen (I. B. Kalkmilch). c ) ßorgruppe: Halhmctull. Uu n;lIurc (B) - Metalle. amphoter bis basisch (AL Ga. 111. Tl) 1.1 ) A'ohfel1sIOlJgrtlppe: Nichtmetall, Kohlensäure (Cl ..... Halbmetalle (Si. Ge ) _ Metalle. amphoter (Sn, I'h) e) StichloJfgruf'f:>t.' : Nichtmetalle. Säurebildner (N. I' ) ..... Halbmetalle. amphoter {As, Sh) ..... Metall. basisch (Ili ) I) CltaUugell/!: Nichnnct all. SlIurchildner (0. S) ..... Hallune tallc , amphoter (Sc. Tc. 1'0 ): clcktnmc gutiv, reaktionsfreudig g) /ll/fogm e (I', C L Br. l. At): Nichunctallc. sehr rcaktionsfreudig: hohe IO N: bilden Säuren (I , H. Sul/$lIurc) h) Edelgase ( I rc. Ne. Ar. Kr. Xe. Rn): reaktionsträge (inert)

tsotope: Atome eines Hemenres (gleiche l' mlnnen/ ah1) mit unte rschiedlichen Ncutroncnzahlen; alle Isotope eines Elcrncntcs haben die gleichen chemischen Eigcnsch aflcn! Reifte/eil/eitle treten in 1.1<.'1' Nalur jeweils nur mit eine m Isotop auf. '- H. Aluminium. ,\ /isd tel.'nt.'nle kom men in der Natur cwcils mit mehreren 1S
11. Wie lauter die relative ,\ lnmma.., r von QUt.'Cksilher? Man summiert die mit der natürlichen Häufigkeit gewichteten Isotopenmasse n (hier g<.·n mdel) auf. Vorkommende M3'i"<.'TITahlen (gerundet) : {O. H 6'!o·1% + 10.020"'...198 + 16.Il-l(l° id "N + 1% 1911 ]W 200 20 1 202 20-1 23.120"'0,200 + 13.220"..20I + 2':1.800"'•.-202 + AmeiI4:, ISOlllI'C in ". 0,146 10.02 1 6, ~ 23,12 1312 29,lW 6.85 6.850"...20-1) / 1000 . "' 200.5':1

3 Perinocn, Y, lem

11

12. Skizzieren Sie das B ona'schc Aillmmotlell filr a l Kohlenstoff 1'0 ) Kalium.

cl Argon und gehen Sie die t:lt l.tro n...nl.onfij!; ura tion an.

s:

IlIe) 2s'2p'

I~K : [Ar] ~ S l

13. Zeichnen Sie ein E n C'll=.tr n iH~lIu .....hC' mli Illr die Elcm~'Ille al Hismut ( Bi). 1'0 1Tilan (Ti). ct WolfrdlTl t WI und geben Sie tlic UcktnlnO,:nkOllfigUl1ltioo an. Wolfl1lffi bil,J".1 keine halbh.'SCV1e d-Schale. l,\ic Chn)ffi uoo Mol) bdan dies tun.

..

1-1.

a)

Wnrum slo.;igt die lonisicr unj!;w nt l"j!; ic für die Elemente Bur bis Neon an?

1'0) Warum ist die zweite Ionisierungsenergie für Nutrium sehr vicl höher als die erste?

16. Warum ist der ("n... n rlldius heim Natriu mion kleiner. heim Lhloridion "her größer als bei den

ungcladcncn At(lI11I.'1l?

17. Sagen Sie mil i lilfe der Elt l.lm ntj!;ll ti, ilit den Hintlungst) I" \ OI1l US rur. al NaCl. billCl. cl MgO.

a] Innerhalb einer Period e wüchst die kuusicrungscncrgic \ on links nach rechts an. weil mit jedem weiteren Proton im Kern die Anzichuugskrutl auf die Elektronen zunimmt. ohne dass die Abschirmwirkung der vorhergehenden Elektronenschalen größer wird. - III Die An/ie hungskrlllle des Atomkernes wirken nur noch auf l ü Hckuoncn und die Ahschirrnwirkung der 2. Elektronenschale mlll aus. Natrium gibt das valcnzclcktron (11. Elektron, 3. Elcktr..... ncnscbalc] ub: Na ...... Na' + e . !)as Natriurnkution ist kle inc-r als das Na..Atom. zumal die rc...tlichcn Elektronen vom Atomkern mit ll Pnaoncn angelogen werden. Das Chlor..iom nimmt ein E1ektl\1ll auf: CI + e' ...... Cl. 17 Protonen im Kern mlls.-;cn Ul Elektronen festhalten. der 10" nenradius weitet sich gegenüber dem Atomradius auf. NaCl EN 3.()-{). 9 bEr\ 2.1 Ionen bindung..

IICI 3.0-2. 1

0.'

polare AtnmbintlUllg

MgO

3.5--- 1.2 2,3 lunenhindung

4

Kernchemie lind Kernenergie Thruq_b ji>r ,,,..IIItT Uu-A

h \ IH JO,"CE ~F inncgan. Wake""

4.1

Elementarteilchen

In der kosmischen Strahlung und bei Kernreaktio nen wurde ein .Zoo·· von Teilchen. stets kleiner und leichter als Atome. entdec kt. Ihre komplizierten Wechselwirkungen werfen mittlerweile die Frage nach einer einheitlichen Feldtheori e ruf Gra vitation. Elektromagnetismus. rad ioaktiven Zerfall und die Kernkräfte auf.

Das Elektron gilt a ls unteilbares Elementa rtei lchen. Proton und Neu tron beste hen aus Quarks. Die Fami lie der Lepton en umfasst strukturlose Elementarteilc hen mit schwachen Wechselwirkungen . • [}as Elektron - als Träger des elektrischen Stromes - entsteht bei der Glüh- und Fotoem ission aus Metallen, der Stoßionisation in Gasen und der Paarbildung: 2y - e' + C -.

• Das Elektronneutrino. das MyunneUlr i no, das ,\ (n m und ihre Am iteilchen treten u. a. beim Jl-Zerfa ll auf. J..l - _e ' + v~ + \'~

und

J..l ' --+e -+\'~+v~

Die Had ron en - Te ilchen mit sta rken Wechselw irkungen - bes itzen ein e Feinstruktur: d ie Quarks und A ntiq uarks. • Das Protun besteh t aus der Q uarkkombi nat ion uud. Es entsteht z. B. in w asserstoffgasentladungsröh ren. • Das Neuuon beste ht aus der Qu arkkombinat ion udd mit der Ladung 2/, - l/, - I/ J • O. Es wird bei Kernreaktionen freigesetzt und ist a ls freies Teilchen nicht stab il. Zerfall:

n -

p + c" + V.

(t = 10.6 min)

• •:nl'" id.l unl!, dr r Krm rh rm ie IK% 11. Uf.('tJUERH : Radio-

, ,,

Das Ne utron b ildet den An regungszustan d des Nucteons. das Proto n den Grundzustand . Kernkrafte wirken auf die Distanz eines Nncleoncndur chmessers (2 '10. 15 m = 2 fm) und entstehen durch A ustausch von Mesonen (Pionen).

n-p-Kr ätte:

n

p p-p-Kräfte: n-n-Kr äfte:

~ ~

P + /To~

n*

~

p +n: n e z"

"

( IO·24 s)

p* n +/To

Bis auf da s Photon und das neutrale /To-Meson treten Paare von Teilchen und Anti ldlc hcn auf. d ie entgegengesetzte elektr ische Ladu ngen und mag net ische Momen te tragen. Sie entste hen paarweise aus energiereicher Strahlung (Paa rbildung) und zerstrahlen be im Zusammentreffen wieder. Ein Kilogramm Materie-Antima terie würde Bayern s Energ iebedarf für e in Jahr deck en .

1 I

akli, it31 ..jes Urans. IK97 J. J. TlfOMSON: Kathodo..'"I1stnlhlcn sind Ek-ktnlfk.'"I1. IK9K ~I AR YA und PIERRE CURIE: Radium und Pol onium • in do..... J O;H:h imslhal~... Pechbk-oo.:. Ein ~lcicho.... Voli.lmo..'"11 strahltesurL.<....als I Jranmo..'L1l1. ELSlTR uoJ GITIH.: r.tdioakthcs hTfalbg<''Sl."tl_ tleW/I9III) E. Run U,RFORD; (I. und ~SIr.Jhlung. Mil F. E. DORN: Radllll (.J:manatillll-j aus 1lJorium und Radium. BI:CQUEREL: P- und Kam..ldl,:nstr.Jhk'"l1 sind I:k-ktnn:n. die im ck.-kIrischt.'"I1 Feld abgcl<.'"I1k l "<.-nk"l1. P. Vlu.ARD: y-SIrnhk."l1. t 90 2~ RunlERFORD und F. S
O. IIAIN , S TRAß" A' ~ l.,, M EIThER t9 40 Sf.A!io Il.G: Entdeckung des Plutoniums.

FERMI: erster Kemn:aklnr (Chkago ). Atombom be ( .. ~ .1 2 1 t9.u. U HHY; Altcrsbestim mung mit "c. 19 49 GENTNI'R; IVAr.Alterslx"Stimmung. 19~2 lJ SA : Bnnn:aktur. Wasscrstullhumhe. 1954 Kemkrath \ <.-n.. Ohnin..k bei Muskau. 1 ?~ 7 I. Forsc hungsreakt or in Garehing. 1961 I. deutsches K<."l1lk rat\\\ <.-n.. in KahlJMain. 200~ Scuc r f orxhung..s n:aklor in Garehing 1 9~ 2 1 9 ~~

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4

I A llbe lllcim,: lind mlllrganische C hemie

Die sec hs beka nnten Q ua r ks untersche iden sich in ihrer Farblad ung. die abe r weder mit ein er Farbe noc h mit ei ner elektrischen Ladung verg leic hbar ist. Jedes Had ron g leicht einer Blase. in der d ie freibeweg lichen Q uarks ge fangen s ind. Die Qu arks in de n Protonen und Neutronen werden durch starke Wechselwirkungen zusam mengeha lten . die wesentlich größe r sind als ele-ktromagnetische Kräfte. jedoch nur übe r subato mare Ab ständ e w irken. Ungeladene und masse lose Glllone ,,' vermitteln d ie ..Quarkkräfte-. Die notwendige Energ ie. um d ie Quark s eines Prot ons oder Neutron s auseinanderzureißen. wurd e experimente ll bislang nicht erre icht. • Die Qlldlllellchromody" am ik (QCD) erklärt die starke Wech selwirku ng (Kernkrä fte) durch die ..Farbladung" der Quarks. d ie sich in de n Hadronen add itiv zu ..weiß" mischt. Quarks in benachbarten Nucleonen tauschen ..Farbe" aus. • D ie Quamenetek srodvnamik (QE D) erk lärt die e lektromagne tische Wec hselw irkung durch Photonen.

4.2

'Y Einleilunl: tier EIl.' lllcnhlr tl.'ilchen

Angeregte Atome cmiuicrcn /'h olo/l..n. angeregte lI ad rn ncn emittieren Pionen. II.t"'tmen : Teilchen mit ganzza hligcm Spin. I. H. Photonen und e-Mcv mcn, Liebt als HtN.'" ncngas. lJlI/ 3hlige Bosonen können in einem energiearmen <)uan t<''fllUst alltl ..kondensieren". Fermionen: mit halbzahligcm Spin. I . IJ. Elcktron . l'mltMl. Neutron. h\ei Fermionen m üsse n skh in milltl.:st<.'flS einer Quan tenzahl UIlIer""hei.l<.'n IIntl """""71"n
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vermitteln die starte

(Zusammenhalt do..T Alomkerne).

\I t">lmrn: sch\\"'TC n.os,",flen; ....Tfa[]e n in rtJo..

Itlllo.'Il.. Elcktn .......n und ~ .."Utrinos .

R.. .,onr n : schwere Fermion ••m; I..-rfallcn in Prul:tlfl~'fl

oder ~eu tnlfl"'fl.

Natürliche und künstliche Radioaktivität

Der radioaktive Zerfall ist kein chemischer Vorgang . Unabhäng ig von äußeren Ein nü ssen en tste hen du rc h Vorgänge im Atomkern ne tte Elemente. Dabei werde n grö ßere Energ iebe träge frei als be i chem ischen Reaktionen. In den natürlichen Ze rfa llsrei hen treten c -Strahlung (Heliumk em e ). ß-Strablung (E lektronen) und y-Strah hm g (ele ktromag netisc he We llen ) au f. bei kün stlich en Kernumw and lungen auch Posit ronenstrahlun g. Nuk lide - Atom arten mit bestimm ter Proto nen- und Ne utronenza hl wie I!C und m U - sind stab il ode r rad ioaktiv (Radionuklide ). kommen natürlich vor oder werde n dur ch Kernreaktionen ..künstlich" hergestellt. 1

• Isot oj!c sind Nuklide: desselben Elemen ts. haben g leiche r.roronen=ahl ( Kernladungsza hl Z). aber untersch ied liche Neutronen- bzw. Massen zah len. z. B. 12C und 14C. Ihre chemischen Eigenschaft en sind g leich, sie sind mit chemischen Methoden nicht trennbar.

• lsobg re sind Nuklide: mit gleicher Mfl..u cn=uhl A und versch iedener Protonenzahl; z. B. '!N und

"c,

• Is OIO!!.e sind Nuklide mit gle icher !i..ewrollell=ahl N und

g leicher Ordnungszah l. also desse lben Elements. • Isom ere Atomk erne untersch eiden sich im A nregungszustand : z. B. 11t' ln·. D ie Überschussenergie w ird als j -S rrahjung abgegeben. 1 cngl . ~/ue

« Leim ' gric:ch, /..10 - gkidl. 10(1'03 - Stelle, 1'lalL

.,. \ \ irt.u nl: ".n "b di o.. kli\ illil ... -1 .9 Leuchten radioaklh<.T Stoffe im Dunkeln. Se h\ \3.r.tung von Fotopla tten

Anregung \tlfl Zinksullid zur Fluores zenz (S.tintillalion I • Abgabe \ tlfl W:lrme (Radium: 575 J/g l loniSiltiun H>O (ja.'<ß • O....misicrung von SauerslulT • Um wandlun g \ on weißem in ro ten Phosphor .,. Rrk h" r itr r...di ullklhtr Str... hlu ng In Weichteilgewebe etwa wie in Wasser Strahlenart Rcichwcuc Energie e-Stmhtcn

lI-Strahlen r -Slrahlen

Neutronen Rück stoßkerne

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radioakl i\ e: Markieru ng Spektroskopische M<.'lh,>dcn !>urchstrahlungs· und ROck. streuverfsbren (Füllh öbe-. Dich-

Ie:- • Dickc-, Sch"ei llnahtprtl-

F.nc~ it:te:chn ik

fungI; Traccm1<.1 00dcn (Ver· "rille:ilmcssungl h:c:mre:al. I<"' . RadillnuJ..l id· Banerse. SEfRf. o,-l:ffekt

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!~ Ra -+ 1~ R n + ~ J1~ \ '" rlo.omm t n Schwere K..-me (Z > 80 ) emini..- n.'tl in Folge der ejcktrostatischcen AlNoßung der I'n..ton..' tl etwa 15000 bis 20000 krru1l s.chnd le e-Tcilchcn .

Tochtcrnuklid im PSE Tochternuklid im PSE \0ITl eine Stelle links voen Au-sgangsnuklid Ausgangsnukl id

ei ne: Sielle rechl!

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l'I: uklil!c mit Neutroncntlberschuss: umerhCllb der StabiliIdIslinie ( ... .1.4 )

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Gamm astrah lun {L

(I,:I.:mcnll) pischc)

Plwlonetl d..-r Energie E = h f

Röntgcnslrahlung

J n -+ l p + ~~e-+ j7, 1I..tiumgas entsteht durch Elektroneuaufnahmc vom Tochternuklidion.

elcktro magnctiscbe Wellen

TochtcmuJ..lid im I>sE Keine VC1">Ch ic· eine SlI.'lIe links voen bung im PSI: AUSf.an ~~nuL.l id

H 0+ , 0 -+ l N ' +lc + I't ~ K + _~c -+ ~Ar + I 't U;: Xc -+l~Xe+r

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)'I;uklidc mit ProI:orll.-n- Zusammen mit dem überschuss bzw. l'I:cut· ,f .ürfall lUIl<.'1IßIangel: oher1/(Jlb der Stabilit"ts linie Spontan..'!" IJ' -Zerfall 1100..1 statt, \\ ..mn die Energiediff erenz zwischen Ausgan~~. und Folgekem zwei Elektronenmessen äquivalent ist, SOllst nur Elektroneneinfang. 6.EII > 2m~ - 1.022 xtcv

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lK·..... : K+r hl1m.:n: Um.. ...JJ~

F.kllrisch geladen e Teilcbcnstrahhm g. Ab lenk ung. im \l agl1\:t feld

, .el'("hit hunl:,ssall Toctacm ukfid sicht im !'SE 1 Slellen Unh

Isomere I tmwand lun 2 ( I.l l. )

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AEII - --(}.783 MeV Die Atomhülle des Zur Elektroneutralität Toc hternuklids nimmt gibt das Toc hrem ukein Ek-ktr on 1I11f. lid ein Elektr on IIh.

I (I I IP + _IC -+ 011+1', 6.1::11 =+0.783 MeV Ein J,-Elcklnm aus der Atomhülle und ein Pruton im Atomkern bilden ein Neutrott.

1: mit and.,:n..'tl Zer fallserien 1.l '.: Kcmc mil untel'\Chiedl ichc-m Anregungszustand

1: Ein angeregter Kern strahlt überschüssige Energie eh ,

1.1',: Gammastrahlung wird verzögen ubgc gc-

bcn.

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Enerltic\ l'flcilußI: J)iskrel~s

l.mlenspc ktrum mit dcn

Bindungsenergien E(Kj und EIK'j

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= IIIK -II1K' - 2/I/<

Kontinuierliches Spd tnml, Encrgicvcncilung mit einer Grcnzcncrgjc !J..E8 (Differenz der Bindungscncrgicn von Ausgan gs - u. Fclgczustandj. N~'UtrinulAmineutrino bindet Zerfallsenergie.

!J.E

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= IIIK - IIIK '

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Diskretc,,; Linienspektrum bei EI K) und E(K') bzw. 1'(1,,- ). d. h. diskontinuierliche Energiev erteilung

RC'irh~ C'ilC'f\\ -ir l.. unl: In l.nü: < 0. 1 m. In tuü : < 10 m. KÖl'pCrgc'\\ chc <0.1 mm AbsoT'J'liull durch Adsorption in 1'00p i ~'!" Metallfolien und Glas

Dirdr ionisierend: schlagen Elcktnlnen aus h<. heeen (a ) bzw . inneren Schalern IßI des Absort..."f'S ö

6./0,'

- 2 = IIIK ' - /l/K

Ilalhwertsdicke: 8 I;Tß Aluminium.

lnd irekt ionnie,..,,111: FotoefTcl..t.. C<>MPTUN-t:fTckl Paarbildung

a

[ Allgemeim,: lind mll'rganisehe Chemie

4.3 Isoto e und Massendefekt

• Rod jm m('fr ll/ t'IIult /,>,, : Jsotopcnmark icrung

Reinelemente ( ~2 _ 3 .2 ) wie Aluminium s ind monon uklid: sie bestehen aus Atomke rnen gleicher Ordnungsza hl und g leicher Massenzahl. Ihre im Per iodensystem tabellien e relative Atommasse ist den noch nicht ganzzahlig. Denn beim Zusammentreten der Z Protonen und ,\' Neu tronen zum Atom kern wird die Kernbindu ngsenergie frei. d ie aus eine r M asse-Energie-Um wandlun g stammt. Masse ndf:"ft'k t : die Differenz zw ische n der berech neten Nucleonenmasse und der gemesse nen Kernm asse.

twl '=' Zm p + N m. n",... twl '=' Z (mp+m,J + N m. - m_

!im > 0 stabile Kerne .lm < 0 instabile Kerne

m ~la....se: c Elektron . p "roton. n Neutroe. .l \ 1as..o;o,."fU..ahl .\"Ne"UlroO'.'TlJ"ah l. l Ordnungszahl

Kernbt ndungsenerg te: wird bei der Zusamm enl agerung von Protonen und Neutronen zum Atomkern frei und ist zur Zer legung des Kernes wieder aufzuwenden . Ea öm

Eo= öm ' C: EH = Öm . 93 1.-19-1 MeV

in J in Mev

in kg In u

Als Puc kung wmleil bezeichnet man den auf die Massen zahl bezogenen Massend efekt P = &nIA. ßt'i.lpid.- Wie gn>6 sind der M a.~~'1lde fek t und die Kernbindungsenergie von '~ A g mit der tabellierten Atomma....sc _~, = IOX.9O?

al Berechnung in atomaren Einheiten m = -I7-(mp +m, )+( 109--47)-m. -1 7-( 1.007276 + 0.OOO5-1X6t+llO'J-I7H JMIXM 5 = 109.9(1 U Iln / = 109.90 u - IOlt 9() u = 1.0 u ER" 6111 - '13 1.-19 MeV · 93 1.-19 MeV EI/A = 93 1.-19 MeV/[ W '" X.5 MeVlNuclo.'o n b ) Be rechnung in Sl-Einhcitcn 11/ = -1 7 '(I/I p+/11,_)+( J()'1--47)-/II• ., -1 7-( 1.67.1 - ]( )"11 kg + 9. [09-rr r" kg ] + 62· 1.675· lO'27kg .. J .X25· tu" kg Am = 1.825-10.1' kg - [08.90 · 1.6('()-]{r 17 kg = 1.7' 10.17 kg f R" toll/ -e> '" 1.7' 10-21 kg - (2'1<J792-l5X m/s)' = 1.S- [0-1" J

Isetepent rennuug. Die meisten Elemente kommen in der Natur als Gemisch mehrerer Isoto pe vor. Isotope haben die g leichen chemischen. aber unterschiedliche physikalische Eigenschaften (wegen der unters ch iedlichen Masse). Daher kan n man U-235 für Kernbrennstäbe von den anderen natürlichen Uran isotopen abtrennen. Wegen der Rüstungsanstrcngungen der Atomm ächte ist käufli ches Material e iniger Elemente an bestimmten Isotopen künstl ich abgereichert: n, Kr. Li. Ne. U. H. Xe. Bei anderen Eleme nten schwankt die Isotopenverteilung stark oder es g ibt geolog isch außergewöhnliche Proben.

zur Aulld:inmg biochemischer Mechanismen • C..:olog isd te u. binlug ischc All,,'fM><.'Stimmung • _.fla j l·ier /JlIg W/lu/ly.t e: Spurenanalytik

• Strahlungsqocllcn in Technik und Medizin I T T t c hnh r h ", jr ht i..e h o1(, e S}mbol rclati\ t VOn,I' mAlommasse n....n in"l" 99.'185 11 1.0071125 ' 11 2.0 1-W 0.0155 -t.i 7.0 1600 9258 "ß 11.00931 80) 98_119 12.0000 "c 13.00335 1.108 "c "N 14.00307-1 99_635 '"N 15.00011 0.365 '"0 15.9Q-l9 1 9Q.759 "0 16.99913 0.037 ''0 17.99916 0.2<>' "r 18.99S-' 100 I' Na 21.9J1'\18 100 ~i 27.97t:n3 92.21 28.97M9 -1.70 "p 30.97376 100 "s 31.97207 95.0 -s 32.97146 0.76 "'s 33.%786 -1.22 " CI 3-1 _%88 75.53 " CI 36.%5'Xl 2-1.4 7 "n, 78.9 183 5054 "' Br 80.9 163 -1<).46

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" h otolicot rt'llllun l: Gasdiffus;,m : Das leichtere v ' UF. diffundiert

schneller als 2.lIUF. durch eine MemOralI, Gaszentrifuge: Das schwere lJOlJ F~ Ilichr zum Rand des Dreh/}l in<.ters. das lcichlen: 1)
sammelt sich im lnncrcn . n lt'rnmu ifJus ioll (ClUSIUS· Rohn: Sch" ere Mokk älc reichem skh im kll[k-n,:n Teil o.k... Ijclzdrahlrohrs au. Der Kom ektiuns.stmOl in dl'f Gasfüllung trJIgl leichte ~1"Ic\"Ole nach oben. "'wsere/eklro~l "Se: Schw e res Wa.ssc'T D:O rciehen sk h an. leichte-s II ;.{) wird bcnJr'LUgl J"erS<. Vl. f hJl.:l iunierle [Jesti //(/Iion \ 00 Icicht..an und schwerem Wa.......rr.

4 Kerneherme und Kernenerg ie

a

4.4 Stabilität der Nuklide D ie Ker nb i nd un ~se n e ~ie j e Nucleo n EilA ist ein Maß für d ie Stabi lität e ines Atomkerne s. Sie wä chst mit der Necleonenzahl. Ein N uklid ist umso stabiler. j e höher es in der EJJA· Kurve liegt. Atomke rne mit 40 bis 100 Nucleonen sind am stabilsten (EIIA == 8.5 MeV ). Bei den schwe ren Kern en fällt die Stabilität mit zune hmender Kernladung w iede r. A uffa llend sta bil ist de r Hel iumkern. Die Fusio n leichter Kerne und d ie Spaltung schwerer Kerne führt zu stabilen Endprodukte n m it höherer Kern b indungsenorgle. wobei Energie freigese tzt wird . • Bei leichten Kern en (EEt"A < 5 Me V) ist die Kernf usion energetisch vorte ilhaft; Energiegewinn ca, 24 MeV _ • Bei sch weren Kernen (EIIA > 7 MeV) ist die KernspolIImg vorteilhaft ; Energiegewinn ca. 200 MeV.

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1.911 + 0.015 · ,.I_' )

Le ichte Kerne (w ie Helium) entha lten etwa g leich vie le Protonen und Neu tronen. schwere Kerne (wie Uran) haben e inen Neut rone n übersc huss. • Kerne mit Neu tronenüberschuss neigen zum p..Zerfall. • Kerne mit Protonen überschuss zum ß··Zerfal l. • d ie schwe ren Kerne (Z > 83) zum c -Zerfall. :\la~ische

Kerne Iso tone

Stabile Nuklide haben meist r,eradza hli[e Ordn ungs- und! ode r Neu tro nenza hlen (z. ß . I 'ß e. "c, 1 0 ). I'IJ II A.\70.\": Elemen te mit ungerader O rdnungszahl haben max imal zwei stabile Isotope.

r: » cons

• I.WJlopenreKd

• tsoöarenreeet

\'0 11 M AlTAU('II: Z u ungera den Massen-

za hlen gibt es einen. zu ge raden Massenzahlen mehr ere stabile isoba re Kerne. Kerne mit Ordnungsza hl Z > 84 sind instabi l. Mag ische Zah len für Protonen und Neutro nen. die abgesc hlossenen Schalen im Kernsch alenmode ll entsp reche n. sind beso nders stabil: (2), 8, (14), 20, (28) , 50, 82, 126. Doppelt mag ische Kerne w ie 11'0 und 41'Ca kann man sich aus Heliu mkernen zusa mmengesetzt de nken . Das Tröpfchenmodell erklärt die Stabi litä t de r mitteIschwe ren Kern e du rch die dichte Packung der Nucleonen in ei ner Kugel. l e ich te Kerne bes itzen einen geringeren Zusammen halt (ge ringere ••O berfl ächen spannung- der Kuge l). Bei sc hweren. instab ilen Kernen stoße n sich d ie Protonen im Kern zuneh mend elektrostatisch ab.

OrdnungS/
• Nuk lidkarte

"-"liulig keit nlll Ur Heh e r :\ uk lid e l .v gg-Kcmc gerade gerade gu-Kcmc gerade ungerade ug- Kcmc ungerade gerade uu-Kenle UI1 'crooe un 'emde zunehmende Stahilil:ll

I

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I Nuklidc 15 K 53 SO 6

ncls icle lI äu ti 'e il h " I" Il(' l '9Xlt1S1 l·" U (92 p. I·n n) 0.0057% Z)'U (92 p. IU n) 0.72% Zl' lJ (92 • 146 n } 99.27%

Nuklid

h ohlIrr A=consl 11"1"1(8 1 p. 129 nl

11~1'b (82 p. 128 n) II~ni (8 3 p. 127 n)

11°1'0 (84 p, 126 nl HC I. .' 1Ar. "" Ca haben 20 n

[ Allbellleim,: lind mll'r ganisehe C hemie

4.5 Natürliche Zerfallsreihen Schwere Kerne zerfallen über instabile Folg ekerne unter und ß-Em ission in stabile Isotope. Die natürl ichen Zerfallsre ihen in uranhaIti ge n Erzen enden be i Pb-206. in thoriumhah igen Erzen be i Pb· 208 . Bi· 209 steht am Ende der künstlichen Neptunium-Reihe. d ie verm utlich e inst natür lich vorkam. deren G lieder aber se it Entstehung der Erde zerfa llen sind. Eine Zerfallsrei he kann sich verzw eigen. wohe i gewöhntich ein Zwe ig bevorzug t wird.

Zerfall sre ihe

Ende Zer fallsschri lle u ß (Pul u u 1»Th Sta rt

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fkillJid Zu wclc t....T Zerfallsreihe ~eho.'\n das Nuklid

Thori umNeptunium-

UranRadiumUran_ Actin ium-

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Der Rest beim I>h klieren der MasS(.-n/ a hl dureh vie r ergibt: 23 1 : ~. 5 7 R~'Sl 3 ~ ( ~tr+3"Reihe.

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4.6 Radioaktives Zerfalls esetz Radionuklide zerfallen spontan und unabhängig voneinander nach ei nem Ze itgesetz I. Ordnung. Der Ze rfallsze itpunkt für e in einzelnes Atom lässt sich nicht vorhersagen. wohl aber die Wah rscheinlichkeit e"lI. das s e in instabiler Kern das Alter t erreicht . Pro Ze ite inhe it zerfallen stets gleic he Bruchteile ). der vorh andenen Kern e. Die Aktivität A besc hreibt . wie viele Kern e jV pro Sekunde zerfallen. Durch Integrat ion d iese r Gesch wind igkeitsgle ichung mit der Rand bedin gu ng. dass am Anfa ng f = 0 die Au sgangsmen ge 1\'0 ist. folgt das rad ioaktive Zerfallsge setz.

Aktivität,

Gesc hwind lgkeh sg lelchung:

Radloaknvcs Z er fa lls· gt'setJ:; Teilc henzahl zur Zeit I :

A = dN = - A N

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.. Expon entielles A['k lingcn dcr Nuklidmenge Ak li\i läl mu z uuchm..-ndcr Ze it (hier als Vielfaches der lI a ltl\\ c-ns/ e il T) in linearer und logarithmisc her Derstellu ng. Nach der 113[bwc rtszcit s ind 50'l{' des Nuklid s verfallen. nach zwei Halbwertszeiten 75'%.. nach d rei 87.5%. nach Itlnf 97'% II.S.\\'. [,/W.

Beuchte: HIt)% - J und [% "0.01.

Zel! ullskoJ/Sfullle, Kehrwert der mittleren Lebensdauer:

fk i.ll'id . Wie lan ge dau ert es. his 50 kg ['(>·2 10 (T = [311.-1 d) 1 11 t)()~,.. in [' t>-2(J(l / erla [lcn s ind?

Hal bwertszeit. in der 50% der Kerne zerfallen sind:

"::" =e-1,I : 0.1 .v,

~

I

X Xo

I : - - [n -

mit : -

I.. : ~: 0.69 3 t 138.-1 d J

I n O.l = ~ (>O d

Bruchtei l Restsubstanz zur Ze it I : Ze rfa llener A nte il zur Zeit t:

- X : e - l 'I Xo

-xo- x- -_ ' 00(1/,(I - X- -_ e1.1 .v, Xo

Nach ~60 Tagen s ind lJO" o von 50 kg = ~5 kg zerfallen. Es sind 10" .. = 5 kg Polonium übrig.

Restma sse zur Ze it I:

m = N '~

... SI-t :inht it t1 t r Radiollklkiliil

x"

A V{lG AI)R~ Konsl.anIC

x" = 6.022 I n · ld'~ mor '

Molare Masse

.\1 ll!l'moll

(kg)

I.

OJ)()Sd · '

I Bq (IWCQUf.REI.) = I l.crfalVSekuooe = 1 S- I Vera ltct! I Ci (CURIE) = 3.7· 10 "' Bq

4 Ker nchemie und Kernenergie

51

T Radionuklide ;o..uklid

Il a lh" crtsll"il

Zl"rrall

Mn-52

5,6d

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aJahn:, dTagc,

EC E1c~1r"""",,inl;mj;

M n-54

312.2 d

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Ca-45 Ca-47

ca-tos Cd - 115m Ce- 139 Ce- 14 1 Ce- IH Cf·}6

Co -58 Co -60 0 -51 es- 1.1 4 Cs- l 37 Cu-M Dy - 159 Er_169 Es-2 53 Es-2 54 Eu- 154 I:u- 155

F-IIJ !'c-55 Ee--5'1 I'1n-2 57

n-rn

(; 3-6 7

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h Slundcn. m Minuten 2 1,77 a 249,9 d ?,4S d 7,16' IO'a 26,4 h

38.8 h

8.3h

183d 2.1)'1 d 3.14 d 11,5 d 10.5 a 53.29 d 5.01 d 35.34 h

5730a I.OHO' a 163 d 4.54 d 4 53 d 4-1. 8 d 137.6 d 32.5 d 2S4.8 d 3'10' a 70.78 d 5.27 a 27,7 d 2.06a 30.173 12.7 h 144,4 d 9,4 d 20,4 d 275 ,7 d 8.8 a 4,\I6a 109,7 m 2.7 a 45,1 d 100.5 d 21.8 m 78,3h 6 8.3 m 241.6 d 11.2 d 12,323 70 d 42,4 d 64 ,1 h 46.59 d 26.8 h 60.14 d 8.02 d 2.3 h 49 .5 d 74 d 1.28'10 " e 12.36 h 10,763 40 .2 7 h 25.9 s 6.71 d

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11

I Allgemeine lind mll'r ganisehe Chemie

Radioaktives

. \ hh ii n ~ i~l·r

Glcich~t.·\\'icht

Ohne die lang lebigen Ausgangsnuklide 232Th. m U, 238U würde n d ie kurz lebigen Nuklide zwischen &.' Bi und ~ in den natürlichen Zerfallsreihen nicht mehr ex istiere n. In den Zerfa llsreihen wird ein Tochternuklid durch den Ze rfall eines Mutternuklids nachgeliefert. Die Gesamtaktivität strebt nach langer Ze it einem Grenzwert zu. Im radioak tiven Gleichgewicht verha lten sich die vorhandenen Restmengen ,\"wie d ie Halbwertszeiten T. 1k';N,;el: I>..-r Zerfa ll li:;Ra ..... lii Rn ..... ~~ Po cr7CUgt e ine ansteigende \lenge Radon aus Rad ium. ween 153 ()()().mal mehr Radium- als Radon atum.:- H>rhaotJ..'ll s ind. ist das rao.Iioalt h e G le ichgewich t erreicht. ()ann werden pro Sek unde ebenso viele Radon atorne gebildet. \\ ie wieder zerfallen . Die Akti\ iUt <:'ß \011 Radium (Inde, IJ lUllI Ra do n (l n&: \ 2) s ind gleich und das ~-rM.hnis S I/S: ist kunstant .-1, = A l

A lOOl\

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Z...rfa ll, Mcnc r-Toc htcr-Systcm

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Aktivitäten im Gl eichg••:w icht: Gesamtalti\ ität: TI > Tl TI < Tl

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Gcsam lakli\ stei gt hl\\ . s in kt. his da.\ Gleichgewicht e mli ch t ist.

I 'n a b h i nt ia:,er Z...r fa ll Das 13ng.\l.lehige Nuklid besrimmt die ClCsamlaL.ti\it3t. Zcrfallscbema: ,\ kti\ itlll: Gt.'Sal1ltal ti\ it31:

,,--+ C

U --+D

.-1 ." ' . 1 S . ,-I - ,-l, .. .-1:

Al = i ' l ,\ i

4.7 Radioaktive Altersbestimmun Radiocar bo n-älej hod e. Historische Funde bis hin zum Alter de r Erde können mit Hilfe von Radionukliden datiert werden . Das I ~C. 1 SOlOp ist e in instabiles Kohlenstoffbuklid mit acht Neutron en . Es wird in der Atmo sphäre aus ' ~N mit Neutronen der Höhenstrahlung gebildet. kurz: l ~N( n.p) I ~C l~ N+ ~n -+ I: C+: r

In der Natur befindet s ich unter 1011 stabilen C- 12Atomen e in ß-strahlend es C· 14· Atom.

l: C -+ t~N + _le

mit

T= 5730 a

In frischem Holz finden 15,3 ± 0, I Ze rfalle pro Minute und Gramm Kohlenstoff statt. Mit dem Tod des Lebewesens endet die '~C·A u fna h m e und d ie Rad ioaktivität klingt langsam ab. Im Erdö l ist I ~C weitge hend zerfa llen, so das s d ie Verbrennung fossiler Energieträger de n '4C· Geha lt der Atmosphäre um 3% sinken ließ (lnJw·/r ieejJekf). Andererse its erhöhten Kernwaffenexperimente den I ~C -A nte i l . Ura n- Blei-Met hode . Die Altersbestimmung von Mineralien &clingt mit de m Verhältn is der Nuklide 206Pb/m U oder .1I7 Pb/m U, M pb/ l:l2T h. 2()llPbPo6Pb. Der Ge halt der Mutterisotope nimmt seit Entstehung der Erde (vor ca. 4.6 Mrd. Jahren ) unter Bildung stabiler Tochterisotope ab. Kanum-Arg on -Meurode. ,wK zerfällt mit T = 1.28' 109 a in ,wCa und bildet durch Elektroneneinfang ,wAr. das be im Schmelzen aus dem Mineral fre igesetzt wird.

Helium-Meth od e. Ein Gram m Uran-238 erzeugt mit acht u-Zerfällen bis zum !Of,Pb 1, 17'10 -7 cm' Heliumgas pro Jahr, das beim Schmelzen des pulverisierten Erzes entweicht. Aus den natürlichen Zerfallsreihen freigesetztes Helium entwich im Lauf des Erdalters in den Weltraum. Erdgasquellen in den USA enthalten bis 8% Helium.

Rodiocarbonm etbode: ()as Alll-r eines erganisehen MatlTials folgl d urch Um form ung des radioaktiven Zcrfallsgesctzcs : 1 1 = - .!. ln

1

S .\~

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mit

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Die Restm e nge S .... in! als Akti\ it3t gernessen . .\"u = 15.3 mi n·lg . 1.. 1 ~ "'A usg.angsmcn ge ,·C

"c-mark ic rtc Vl'l'binuun gen dien en TUr AuIU3rung organischer Reakliollsml-chan isnll'll mit Ro<.!;O!IYICf ml(' /hoden.

Uran-Blei- und A·u{iwJ/·A 'XOII-Mell lOdl'

Mindc surhcr des Mine r.J1 s:

I .\" I = - - In- I. X +X' X Restmenge od . Akli\ illlt Muncruukl id (" 'K) .\ ' en tstande ne Menge Toc htcm eklid (" 'Ar) ,. Ze rfallskonstante des Muttemu klius ("' K)

Iieliummeihode I mol 11e 2 22A I Uas S 6.02H01J o·Z erflttle lJ'U gibt bis zur Fndstufe lOhl'b 11 lI e· Atomc ab.

Reim Erhitzen auf

IOOO ~C

liefert

7- 8 Liter Helium. I kg Thorian it Th( ): 11- 10 Liter Helium. l kg CI.."\ eil ceO:

"

4 Kerneherme und Kern energie

4.8 Dosimetrie und Stra hlenschutz ·408.1 HioloJ:isch l' S t ra hlenwir ku ng Die lIu fürl iche Strahlenbelastung von 2,4 Mil1isievert im Jahr in Deutschland wird im Wesentlichen durch Einatmen des radioaktivcn Edelgases Radon bestimmt. In Landstriche n mit Urgestein (Gra nit) kommt eine terres trische Betastung hinzu . Die Strah lenexposition wächst um I mSv/a bei e inem Wohnungswechsel v on Bremen nach Wunsiedel (Obertranken) - oder von einem Ziege lhaus in e inen Schlac kensteinbau. In dc...Atmosphäre überdauern die rad ioaktiven Spa ltprodukte aus früheren Kernw affenversuchen und Nuklearunfällen Ionisierende Strahlung erzeugt Radikale, kurzlebige Molekülbruchstücke. d ie Körpe rze llen (so matische Strah lenschäden) und Erbg ut (genetisc he Schäden) bee inträchtigen. Eine Gmt=1cörperheMrahlllllK von 250 mS v schädigt die weißen Blutkörperchen. I 000 mSv führen zum vorüberg ehenden Kräfteverfall. -t 000 mSv zur lebensge fährlichen Strahlenkrankheit. 7 000 rrrSv zum Tod . ~ Sl nl b l~ n'>Chi d~ n bei ~i n Dl.I ij:,cr y-Ga udii rpcr bn lnlblung"IIJ

Sd," o:Ik ndosis (015 S,I 2 1ag.: l.~mpIx~tclVahl sinl t Nonn.'lIisierung nach 1 wocte Sub....tak Dosis S, ) I. Woche _';;trahlo:nl at.'-. HlulbildslOrung.. rascbe NonnaIisM.'TUng 3, Wod1e Un\\ohl'>l:in. AfIf":titman~l. lIaarausfaJl. " un&.:r R....:hen 4, Woche Krätt...verfall. sinh '1ldcSIJl'l1ltM."fIpn>dul tion M iniere 111aJc Do.>s is (4 S, ) I , Tag OhcllciL l:rbn:chen 2. Tag I.>mph,....) lcnsdm und aIlf l{l(l(Wmm' J Woche lJn",lhl'>l:in. APf'Clitnw lgo:l . Durch fall. 1faaraus fall.l laulflecken: Rachen· u. Dl\nndill'l1Cntl lloo ung. innere Blutun gen 4. Woch..: Krlltlc\ erfaJl. Slerilit3l hci Mänrcm, 50 % Todesfälle i5 Sv ) l.ctalc DII~is 17 Sv) 2 Slunden Oho.:l l.eiL Erbrechen 2, Tag 1.} rl1 pht v >lenseh" unll auf Null 2_ Woche l-:1ll10ndl.lllg..-n von Spcise"cgen und Magen-Darm-T rakt. inne re BIUlungl·n. hohes Fiebe r. Krähe verfall. Tod

u

·Ut 2 Dosuuctrbche G r üßen Die Encrgledo sls D mit der Einheit Gray ( 1 Gy = t Jlk.g) beschreibt d ie VOll einer Masse absorbierte Energ ie (Dosis) - ein Maß für d ie physikalische Strahlenwirkung. Die Äq u h 'a ll.'n tdosis H - die mit dem Qualitätsfaktor q bewertet e Energiedosis - ist e in Maß für die biolog ische Strah lenwirkung. [ n t"rg iedos i s lt+.t u n ~ iJ (in Gy/s) und Äq ui\a lentdosis. leistun ~ li (in S v/s) sind auf eine Zei tspanne bezogen. Schnelle Ne utro nen. Protonen und c -Strahlen wirke n bio logi sch starker als ß- und j -Strahlen. Der Q ualitätsfaktor q bewertet verschiedene Strahlen arren. Energ ien und Bestrahlungsbedin gungen. so dass gi lt: IG leiche Äquiva lentdosis bedeutet gle iches Strah lenrisiko.

,. Stfll h ll' n hdll'l un~ in U~ U bl'hllind I S, · I J!l.g . [frtJllcr ll OO rcm .\ q uh lllt nld ,.. is mSs'l. I ) ~N ato rl k he" Strehlc nbclast uog u. 2.4

alJ ufk"

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035 1. 1 0.47 0 .02

0.26

Suahlenl>t'/<ßlunK

• Kl'orpcr's.u bslal\l l aus d.:1 Nahrung) 11-3 (ft, - 12 d.GlUlll/lrpcr) C- 14 ITlo - 10 d. G lUllL/IrpCr) 10.: -40 (, _a_Knochenl Rb-[H P0-210 IKoodll."fI1 Rn-220. Rn-222

0.00002 0.0 16 0.19 0.003 0. 14 0.02

Ra-n b. Ra-228 IKno.>dl<:n1 U-2JII

0.72 0.000 8

• Lunge (aus Ah:mlut\)

no-zzo

1.75

Rn·222 21 KUIISll iehe Suahlenbelasumg • Mc dilinischcs R....mgcn • Slrahlendl~>SI1 L e " I."Te.'· Aul • Fernse hgeräse • berufhebe SlrahlcllC' Pl>silitlll • Kernte chnische An lagen • Rcal.tllrunf3J1e und Waß"cml"Sts Gesamte Stra blenbclasumg

UO u . IJI ca 1.8 ca 0.01 -c 0.007 c 0.00 1 -c 0.0 1 -c 0.1

n."

Ind icn. Hras ilicn Ort ecrurum (Rn -222 ) Urane rzbergbau (Rn-222. l. unge) TabaJ.rdueher (l' b-2 1O. 1'0-2 10) Gmnithö
"1

bis 87 20 bis 80 bis JO

8 bis 3

3 5 bis 9 0. 1 his I 0.4 0.3 0.25

"' ~III11rl ich c Ihdi oakth'il ltt ßt Im ]

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'l'nnkwasscr Grundwasser Obcr tla~hcn-

11 20 ... 70 40 ,. .400 20 ... Illtl

"K 200 L .400 40 . ,.2000

'u OA 1_..200 ~ 40

Therma lquellen Hadgaxtciu (m Rn. l.u ü ): 1500000 IIc ilsltlllen iuBöc kstcfn ( Rn· 222): 100000 Mineral"jb scr IRa-22b): 26 bi. 1000 l.u f in Wohnrä umen ( Rn-222 ) 50 bis >250 P-.u IM S-J5 (jH Co-OO (p. y) S r-90 l fll I-U I (fI. y) Cs-1J7 (ß. I U TeLlh e lI alb" ert So"cil

14,3 d 87.5 d 5.27 a

285 8

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3 . 4.6 a 95 d 50 a

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I Allgem eine lind mll' rganischc Chem ie

• Ilosis rößen und Dosisleistu n s röücn Vun einem l\la h.-na l j e Massen - od er Vo lulIlcllcillhci t absorbierte Strahlungsenergie.

SI-Einhei t· Vcrallct:

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SI-Einhe it: I (j ) /s - I W!Lg Verah.'l : I radi s · 0.01 W!Lg

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S I·l:inhci t: I S, (St EVERT)"" I Jl\g '= I m' /s1

v cratrce

I rcm = O.OI S,' =O.O IJllg

(J uMlitl t-bl lur (l>itllogischc r Be" e rtung~ fa ll"r)

Lineares Energie übertraa unesverrröacn in

\\ '; sc; L. l eV/ '-';:")

~. y .. Rl\I1 tgen~trahl ling.

Elektronen. l" lSitmnen 2 ... 5: thermische N...utronen (10 ke V j 10: u-Strahlung 110 Mc V). sc hnelle Neutronen ( I Mc V) 11, l'nuoncn ll;i MeV I. Rnckstoß kcrnc. Joncn 20: l unend osis

<: 35

locker ilm isiL>fend

7 .. , 23 53

~

dicht 175

ionisiere nd

D urch ioni sierend e Strahlung e rze ugtc clck Irisch c Ladung Q de r loncn eines Vorzcicbcns jc Volumeneinheit der durc hstra hlten Luft (3 '" alr. Dichte: P. '" 1.293 l Wm -')

.\ q u i\ a ....nldo~ .... ....i..lu n ~ (Aqu haIL'ßldos is ral c)

Prudull aus Eocfll.iL-dtlSisrntc und Be....vertung:..fal. to r

IIi . qbl Sl-Ein heh: I S\1s = 0.0 1 W/k g. Veraltet: I r...mla " O.OIJ 19" a" Efft"'l iI c .\ q u i\ Mkn tdn..is Sum me a lle r mit den Org anem ptind liehkci tcn gewichteten Teilk örpcrdoscn: Kenn drüsen 0.25 Brust 0.15 w ies Knochenmark. l.unge 0. 12 0.03 Sc hilddrü ' e. Knochen ie 0,06 andere Or umc. Gewebe

'i l-Einhcit: Al\g Vera llcl : I RIh - 25 8' l(r' C l g" h" 1) " .. i, k

i, lUnll,lnl1 ' l ~ nl e

r. i,.? /A (y.Slrahhmg ~20 l e V)

f ür punk!flln n igc v-S trahlcr: f ür Weichteilgewebe.

I CI\~ (I,un)

~

37.6 G)

Ve rallet: I R (RO' -TGD;) · 258 flC!Lg " 8.69 mJ!Lg Luft

Sv m1h " Bq" '" 31>00 J m' l g-' 1.13 1 05 5·IO·t , Cs- 137 0.77-10'" Ra-22t>

2. 14010'"

Co-6O Na-24

3.36' 10' "

.4 ,\ k!h lt:tl der Probe. r Ab stand. , Besirahlungsdeucr, x Rclaxatio llsl3nge . I' Dosislcisnm gskonstame (_Gam maslr.lhlenl ons tante- ). fl Sch\ \ llchungsl.ocffi,iL'll t

4.72'10-"

4 Kerneherme und Kernenergie

4.8.3 Dosis- und Stra hlen messgeräte {;a,ioni....tiu n'det ekt er-

100 i,at jo nsde te k to re 0 Durch ein Glimmerfenster in einen Hoc hspannungskondensator fallende Tei lehen io nisieren da s Füllgas (Argon. Lu H). nie hc l~itf,.'1l Elcktro nc n fliegen zum AIH),j endrah l (Wo lfram) und löse n du rch Sto ßiun i· sation des tüngeses ein e Io"-faehe Sekundanonenla wine aus - uie de n Slilt igu ng.sstrum ru r "'ath{),je (äuße rer Metall J) ,lind er 1 steue rt. Wllh· rend dc.... Tot=eil (E ntla,Jung und Spannungsaulba u) w erden keine Teilchcn rcgistricrt . Pcrsonenoostmcrc.... Zä htrate: I Cf'S - I S· I

I_

1

1

111IJI -

1

I.

Il1"1l- Jf 1

I

1-

• .\ u,Iö'C'/ ihln.h r (Gf.IGf.R-M Ül l Ell.-Zähk...): Nach .... cisddektor ohne _ UOrcTsChci dung <1<.... Iencl'f.ic; im Pla rcau bercich: lahlra!e unabhangig \UO d er I·rimarlaw inc • Pnlll0r1ton a l,jhlroh r: Die Zlihlrate hängt \ Oll der Primariuo isalion (IJctrie hsspan nuog l ab. Stad ionisl...Yl'lllk u-Tc ilcben und schwach iOllisi"''1"end<: lJ-Teile hcn s ind d urch zwei St ufe'ß Ie, u+PI unterscheidbar. lIohe lCitlid lC Aufl ös ung (SOOOO s·'). g...'fi oge b ...:rgie au flös ung.. • :'\tul mntn/ihl mh r: mit Bor- oder Luhiu rnkaibode: IJh -<Jas flll1 unB oder Para ffinschich ten. aus de nen t\f,.'Ul run.:n geladene Teilcb..'1l freisetz e n: 1"J~ D.u l'l.i. · U ID.u )'T. In Slöße j • lon i"'lll tion ' luimmtr ( Sla~imo.'lcr: 0. 1 ,.. G~' bis 1000 G~ ): ~fc.os..\UIlg dt.... Entladun g ein es Koodt.'1lsators mit einem Quarl fa&nekktromcte;:r. Keine VeMäri;.ung.

Imllul, hlih t n. O.:d~ 'll l or

(encrgicd ispcrsi\ .."S Spe ktr om ct cr 1

EJ1f,.'lJ.iCSJlC'ktrcn in Verl>ioo ung rnil einem l..1hln >hr. Halbleite....• odo..... S..inti1lat ionsdc- tc ktoe - werden gemessen, indem d ie Stromimpulse: de r ( irN.lc nach sort it:rt und in Regis t..' Tll ("'om.1len ). d ie bestimm t..'1l Energic in- • t......... all e'll en tsprechen , ge /lIhlt werde n. 1024 "' anä le: mil Hf Impulsen Fassungsvermögen könn..'Tl "'0000 ImpulsdSc kundc: sequentiell A ~ ' . A [zeitlich nachei nander) verarbcitem. Zeillkh , J'" ......... ~""---' ......... überlappe nde Impulse " e-rU..'1l voen Pile-up...".. .. .. .. . . .. _ Rcje-.;tor verw orfen. Lange ~lc."SSJei tc'Tl nö- '" fn.:rllicdispcn.iH: Rönt~nmik n>anal~ se (fOX): tig ! (iutc spektra le [nergie:aul1ös ung. Z inn-R1ci-l.egicrung.l.ahlrale ll"'i en F.llI:rgic.

W tllt n liins:cn di 'I'cl"\i,,\ S I.... ktrumeter-

S/iol illllt im,,d et"I;l n r (od er -zählcr}

A nregu ng, d e le l;t o re 11 Radioak tive Strahlen rege n Leuchtstoffe zur Em iss io n von Lichtblitzen an. die m it Fotomult ipliern {Sckund ärelc ktmncnvcrv jclfachcr j in elekt rische Impulse gcwundc h und gezählt we rden . Gute zeitliche. schle chte spektra le Au tlilsung. • Krislollie u- Strahlung: ZnS(A g) '" m it Silber dotie rtes Z inks ulfid ~-S l rahl ung :

Anthrac en

y-Strahtung: Nal(T I) Ne utrone n: Lilt Eu). luhiurnhahigc Glä ser: Reaktion "l.i(n. u )' 11 ß-Strahlun g: p- Terphcnyl in Xylol. der Analysenprobe zuge mischt • Flüssigkeiten Anw endung: Nachweis von -'11 und I·C IU dinli"nlunlißC'V-l"nl Leuchten etncs Uv -bcstrahhcn Glaskörpers. Mcssbe reic h: 10" .. . 10 ( '/kg {Photonen)

WlI }o;O ' · :'\tbd luimm cr

ß111 \('o kllmm t r

Obc nJIlligter Wasserdampf - durc h eine Kolben bewegung p lt1111k h e xpandie rt ko ndensie rt an den Ga sinn..'I1" mit denen das Tedehen kollidien. und l e k h net d ie Flugbahn als r\ et>clspur nach . • {I-Strah len : kurze. u kke: Spuren einheitliche r Länge • ~Strahlen: lange. dün ne. im Mapl\.'1fcld: gek rümmle Sllun.'Tl • I" Strah lf,.'1l: fas...Tige Spur I: ine sk-dende Flnssigke it (fl . 11:.Nd ütw..'1"hilLt sich hci plöll liehf,.'1" b pans ioo ; Uamllthl ll\t"h..'Tl , .:ichJ1f,.'Tl fIIr Millisckuoo..'1l d ie Flugbah n seh\\och ionisk-rend..'1" Tcildl...'D nach.

I Allbellleim,: lind mlllrgani sehe C hemie

4.9 Ionisierende Strahlun ,Rönt ens ektrosko ie und Anal tik R ön t ~cn st nlhlun ~ tritt bei Radion ukliden. Fluoreszen z-. Brem s- und Sy nchrotro nstahlung. ele ktroneu- und protoneuinduzierten Prozessen auf. In RÖIIlKem'akuumr öhr en werden Elektro nen aus behe izten Wo lfram-Gl ühkathod en emittiert und mit e iner Spa nnung von 20 bis 250 kV beschleunigt, Bei m Aufprall auf das ge kühlte Anodenmaterial w ird kinet ische Energie in ele ktro mag netisc he Stra hlung und Wänn e umgewandelt . Oie kont inuierliche Bremsstrahlung - deren kürzeste We llenlänge von der Röhrenspannun g ab hängt - klingt bei niedri gen Energien ab und w ird von charakteristischen Lin ien durchbrochen.

Dtrekt ionis iere nde Sl rll h l u n ~. Elektri sch ge ladene Teil chen (c, fr. p • p. d ) sc hlagen Elektronen aus Zielatomen. Elek tronen höherer Bona-Schelen füllen di e Löcher wie de r und emittieren dabei ei ne charakt eristische Sekundärstrahlu rig. deren Frequenzen / typi sch für die Elementzusam mensetzung des Abso rbermareri als sind. • Cha rakteristische Rf}IIlKenstruh' 1I11g Angeregte Atome emittieren ein di skretes Lin ienspektru m. Das ion isierede Teilchen befreit ein Elektron aus einer inneren BOHR-Scha le (Fotoeffekt ). «-Te ilche n bombard ieren kernferne Schalen (ty pisch M. N.. _. ). Elektro nen und Protonen kernnahe Scha len ( K. L._.. )_ Das aus seinem Bindungszustand gelös te Elektron n immt zusätzlich kinet isch e Energ ie au f - d ie bei de r Fotoe lektron enspek troskopie gemessen wird. Im Folgeprozess füllt ein Elektron einer höheren Schal e das Loch. • ROIl1Kenhrem.~.\"lrtJlJ//lIIK: ß-Srrahlen werde n im elektrostatischen Fe ld der Atomkerne abgele nkt und abgebremst. Die Folge ist e in kontinu ier liches Spektrum. • VernichtII1lK.u tra hIi I1lK : Positro nen zerstrahlen mit Elektronen der Ato mhülle : e + e' - 2y (E., = m~) Indirekt ion isiere nd e S tra h l u n~ - Neutronen, Röntgenund Ga mmastrah lung - überträgt Energ ie auf e lektrisch ge lade ne Tei lchen. d ie ihrerse its die Ion isation auslösen. Das Schw äch ungsgcsc tz fasst d ie physikalischen Wirku ngen von Röntgen- und y-Strahlung zusa mme n: • RöIlfKell/ll/ or es=ell=: Das absorbierte y-Q uant regt ein kernn ahes Elektron an (Fotoe mission), ein Elektron ei• ner höheren Schale füllt das Loc h. Die Differenzenerg ie wird als charak teristische Röntgenstrah lung emittiert. • RöntKemtr ellllflK: Kontinuierlicher Unte rgrund durch COM PToN-E ffekt und Ab len kung de r Strahlung in der Elektro nenhülle ( RAvr.mcm-Streuu ngj • Paarbildung : Erzeugung von Elektron-Positron -Paaren aus Lichtquanten S el/trone" we rden absorbiert (n.y) oder bere its an le ich ten Atomkernen intens iv gestreut (n.n). Der getroffene Atom-

kern erfährt ei nen Rückstoß und es w ird - außer be i der elastisch en Streuung - Gammastrahlung emi ttiert , ......10

•

• •

•

l":Jlcr&1e(leV )

.. T~ r isclk.'S RlInt{:CI)l.:m is.~ ionssp;: ltrum Rilntgentl uo,,:v c rv an al)sc ( RFA) zweicr Zinn·B1c i·

Legierungen, die außerdem Sp.m:n von Eisen

unJ Kup fer en thahen. Dic Pnlbe wird mi t Roo lgCIl.'l.rnh lo.'f1 angereg t, d ie Frequen z do.' f em jttie ncn Roo tgcns t.rnhlung J!leml..'S.-\4'f1, ,, \\ ir"' u nlt: tl) ni,iC'f'~n d er Mrah lu nlt: a) . ·ol Mrre "'l : lun is io:ro ng

\on ,\ I' lOlt.'f1 (u. p. p)

Sonde

Pnmar- und Scl undarte ilchen

u-Teilc hen Proton p-Strahlung 'l'-Slrah lunl!

11'

p'

P'

H eltmn .;. Lichtquant H ellron .;. Lic htqueen H el trun .;. Lichtquant Uellnm .;. Lichtquant

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Energieverlust do."S ceou . cc • . ntcr.lchc cllcns

I

M ,.,II"~ .;.+nM· l -

AlL't ritt,arbeit · Biooun!:!'iCnergk

""~ r:m~':

des beITci len I:lcllnm s l inclischc Energie des befreiten rte l trons

An regu ng von Atomen den Ohc rg
b) Rö n t ~(' n n u o n'\.f(' n /. :

K" bezeichn et

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Uharektcristis che Röntgenstrahlung

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R, Rvrun-au -Konaaurc ( 1.0'17'10'

111' 1).

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gcschwindigkcitZ (l rdnllngvahl. a Abschirmkonstamc (K. : I. t ,,: 7,~ ) . n < '" lta ul"' qu,mlentahl c ) Rlint ~enhrc nl" tra hl un l:

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Lichtgeschwindig keit. e Elcmc ntarladulI!:!PL........r K'!'CllL"S· Wir\.ungMluanlulll. Besc hlcumgungvspannung

d ) " lIarh ild u n2 (r ) Ene rg ie dL'S Elc kt.....n s

E. = E, - 2m," ,

4 Kernchemie und Kernenergie

'" Tec h n i..ehe An we ndu nge n fü r ion lste rende SIra h lcn Sc hwäc h ung sge ..erz für I{ön tgen ..lr a hlun g Die Intensität otkh" "KsLJeff<=i(>nl: I'hol<.-..:n llI..i.llk: In ElIClE-ic .. erden absorbien und an Ekltronen dl..T ,E..

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Ab:;<.lrbcratornc ~tmJI, lIangt . OI1 dl..T M;uerialdiehl_.;,===:;===~. ' E·$ te und PI1otollCnenergic ab: j.I(" :: j.I(".--o.22-pZlA 0.' E I MeV ' .. PoorblldllngslloeffcwnI: IIochcncrgct ischc Strahlung. bihkl heim Stoß auf Atome Ekl..tronen-~itroncn... EllC'IJlC:lIboofpllOflSlodfU>ml Paare: 1.::: "-o-o.OO27-pZ'1A - r Z In F.,. JLlr M:lS'\(1lsch..achung.,koeffi..icnl 11< F-nr rglWbsoqJIlQI'Is1;oeffb e nr. Sch.. achungsl..ocffi", " - .q ' F1achcnhcl~ung r icnt ohne den Streu.-lle il dc'S CO\l PTO'-· EfTel..ts $I ()ichte. x Schichldidc

I

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Ei ndrinl:t ~ fc

Reich weite (rnittk-re freie Weg.länge ).. d ie ein Strahl

Reich..

eue ,on f::kktroncn!otrahlun

Radiografie

~S t l1l hl u nl:

Die Strah lung d ringt du rch die Probe hind urch a uf einen Film und er..cugt ein Il un:hslrahlungsb ild. Bei Neu tronen sorgt ei ne Gad ol i· n i u m.~h k·ht auf dem Film flIr die schw ärzende j -Strah lung. StrJh lenqllc lle: (in l'o l) meth) lmdhacl) laI ). _'11 An" enduni/-: Ablic hten \ 0Il wesseraeich en in Pap ie ren ! .4" ""." ,linW',ljie: Gewebcd ünnsch niue zeige n d ie Vertei lung radioaklh' markie rter Suhslanzen. 1-. R. die Wirkung \'flll Med ikame nten. W C RONn;f" , I I~nd dc~ I\oolomcn Röm~e nd/trc'l.I/r(/hI/lng,p"üfilll~ von Schweißnähten A. vo-, K(1l~~ n,._R1 Wuflbo, rl! t sce Strahlenquellen ..unehmender EimJrin gtiefe: l»rm < IOllr < "" ('0 (mm ... 111 ) The rmisc he Neu tronen d urchd ringen die me isten Mate rialien . Leic hte Hcmcutc streuen vorzugsweise. schwere Elem ente absorbieren auch. Srruhlnngsqucllc: N C f. Anwendun g: v crklc hungcn, Turbincnschuufcln, Venl ile

j

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•

\ I'ut nlll\'n

Durchst rah1unJtS\er fa hren II·S t rllhlun ~

y. St rllh lllnll.

Die Strahlu ng drin gt aus der Strahle nquelle (37 M H4 bis 37 G B41 durch die Probe auf den Detektor. Strnhlcuqucllcn: 'H I' m < "' Kr < l' >l-n < '''Sr/'' 'y < 1''''RuJ'''''Rh Anwendung: IJide \'0 11 Fo lien {Kunststoffe. Papier. Metall] und Stauhnicdcrschlägcu Filtern Strahlenquellen zunehmen der Eindringtiefe. 1'1Am < u'('s < "'('0 [cm .. . 111) Detektor: z. n. Nal/Ttl-Sziutillations dctc ktor . Anw end ung : Messung H ili Dicken dich te r Sc hichte n ( Meta ll. Lilas. K un ~ lsto m : Fü ffsliil/del1 in Behälte rn und Bclc gungcn au f Förde rbänd ern

nur

R üekstreu ver fa hrcn Die von der Probe reflektie rte und gc...trc utc Strahlung wird gem essen : Srra hlcuq ucllcn wie obe n. Anwend ung : St:hichldidiemessung (Ik Met allü berzüge. y: G las. Kunst~to m

Etek tro nenetnrangdetektor ([ C Il) für d ie Ga ..cb rc matcgra üe ~S trll hl u nll.

Z\ lmd rischc Mcs szclle aus Stiftan ode . strah lender Fol ie N. + fI _ N; + c- ((irund~lnllll) t 'Ni ode r _ ' 11 in Thannhridl. Kathode. d ie vo n. Suc ksroff M"+ e" _ M ()]ek tn....c ncin fang ) gl.~püll und 'um Anal) ten ( M) d urchströmt , \ Ird • A nwe ndung: Spe renanalytik halogenorganischer Vl'1"' M + NI - M + N: hindungl.'11 ( P~·sti ..idc . Dioxine, Halone)

Neutrahsatie n sta lische r Au flad ungen l on i~t ion ocr tu n m it ein er l1<1'0=Quc1le 3... 5 cm über Papierbahnen. ~t il..mliln1<.-n. U ektnlllik

Il.S tn h lung

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[ AllbCIIICIllC nnd anorgamsc h e hcnuc

Me t hude n de r i ns t ru me n te lle n O berü äc hc na na fvtt k I SOll- NachMessgröße Anwendung und lnromuuionsrictc weis de E1eklnmellln iknlskuf'ie Ruckstrcu-zgcAbbildung bzw. Elcktronendichtcvcrtcilung dc'1" '1rausmissions-I;.M kundärclckmm..'ß Obcrtl äche durch Abrasl..-m (SCllllll<.·n) mit einem Elektron en strahl, einer WolfrJmspiv e tSlro.1j Rasicrt urmclrmkros j,o Tunnelstmm oder Siliciumspitze (Sf-'M) Rastcrkrol nm i krt~kt Absland AlXilOR-j'.ld a nmenSekundärelektro- Folgeprozess der FotOl,.'ßlission kernnaher Elek· ,: ncn bestimmter troncn. Elementnachweis (Li bis In) im PmmilspektnlSk upie ~ e R a~tcr·AuGl: R · kin...'1isch<..T Euer- jcbcreich, f] cmcnh erteilung. ni ndullg..V U~ e E Ics..tnlOCnm is..rosko~ic ie stand mind u nl.!scrK.~i~ 1. O,S--S nm tief • 1.0" enc~~ el..."t:lrun Elek tronen streu- Beugung langsamer tU]] ) ) bzw. Relle\:ion ~ diffraction • schneller Elektroren (RUH Dl. 20 UIlI tief IlIU5It.'" f.l..."t:Inlll t.'ß"''fl!) k lS.'i EßCfl!ic\ erlust Kombination aus FOlncleklnlrK.'TI· und Reflexis...........JSCt ...\ OIISsd m in" un<>s~...·ktn>sk.-...ie des Strahls 1':lcktnlOCnstrahtmikroFolgepmzeessder FOltll..'IlIissiull kernnaher Elcktsoodc : roocn nadl Ud..tnKl<..'TIho.'Sd1uss Lnc~ i<..,ji'f'l.'fSh e t vw . ZusalL h.:im REM F.l...m cßlnach\\ eis ([UX: ab \ Ig. WDX: Well"''ßl.inl;l''''ßtli'f'l.'fSi\e RÖßt" cn mikrtJtrdlkristall.SCqu...'TlL.

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ic zur eher n. Anal\ sc pn Il<menindUL icn c Rilnl cnemiwion SckundäricmcuMusseuspcktr omcmc Sekund ärneutraheil-

dlCn· MS Cilillullcnll;lJ ungs. ~l ussen spc lln)lnclrie

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Masscnspektn,mClrie

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~kln>rtlt.'1Cr ( M't llenJijl11!-t nJiJPfr si"):

Elem entnachweis {ab n im i"f'Ill. lkn:i ch. 20 um tief. größ....-c Probenm...'ßgc nOh \cntlig; Analyse \011: Le gierungen, Stahl. llaustolTc. I'iIt\Tstllubt:. Öl. FUl\\T. und Dünecminc l, biolt"'iscbc 1'robt.'TI Streuung am Strukturaul\;lllrung \ tlll ~t i ncral i...'ß und kristalliKristan':-itter nen Feststoffen Fotoe mission kernnah....,.lIcktn,"en durch ROIIIgrnstrohhmg; Kalihricnmg gegen Referenzprobe Fotoe lektronen mit bekannter Hindungscncrgie ; Elcmcr anech unterschi...xllichcr weis (ab U) im Prom illcbcrelch: Vcrhindungskinetischer Encrnochweis ans Bindun rscecraicn. 0.5 5 nm lief gic Kombination \ on Röntgen- ~ ~~ UhravlolcnFo toclcke o ncnsrcktroskonlc XI'S + UI'S)

l'hu l"" Röntgenemissio n Elementnachweis (ab Na) Materialabtrag d urch Argonionen {Spuucm ]: Element- lind lsoropcnanaly sc.

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Musse dcr Sekundilrionell

Materialahtrag durch I.ascrpulse

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un d A b so rn t io n ss )l' k l ros ko l)ic I Anregung \'tln mctllllsalzhllltigcn Ulsungen in J er Bunscnbrcnncrllammc Ionisierung \1111 Feslk....l'Jll."l im c1cktrisdlt.'ß Lichtho.'I!...·II: Stahl· und Lcgicru ngsan al~ sc im l'rumillcbcrcich. Tiefennrulil bis 100 "in Spcktra lanal~ sc lonisi...'TUng \ '11<1 n1elallsal/ha ltigen Lösungen im \on sichtbarem I'la~lll ahrcnncr. Messung der Inl"''TIsit.:it der Emisund UV· l.icht si un:~~i ...'ß: KOlIZcnlT3li(lIIsho.-stimmung im mglt bis Il t·lk rcieh Anregung \ 011 MctallsalLlösung...'Tl in der n unscnnamme• .",l...'Ssllflg der Lk hlabsnrpliun einer e1cmt.'TIL"",·t:ifischcn La m..... durch die Flamme

ti s che A to me miss io nss nc ktros ko n ie OE S r lllllllllCIlClil issit>llS' S...·ktRISkt'nic C; [)..()ES Glimmentladungs_ cmissitlllsspekIr>: lskt'I' ie

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Verbindungsnachweis
4 Kernchemie und Kernenergie

4.10 Kernreaktionen Kü nst liche HlllJioak li\"iliit ist d ie Folge eines Ze rfalls von Ato mkernen nach dem Beschuss mit energ iereiche n Te ilchen. Neben den rad ioaktiven Nukliden in der Natur g ibt es zurzei t mehr als 1500 künstlich hergestellte Rad ionuklid e. d ie in Kernreaktoren oder Teilchen beschleun igern oftmals nur für Sekundenbruch te ile entstehen . Bei de r künstlich en Kernumwandlu ng wird ein Zielkern (Targ et Al mit einem Teilchen (I'roJddtf a} beschossen. Meistens bildet sich ein kurzlcbi ~er Zw ischenk ern (Com poundkern). der innerhalb < 10" S s zum Produktkern B und weiteren Produktteilchen b zerfällt. A + a- B + b

Reaktion : Kurmotat ion: Energie änderun g.

A (a, b) B

I~Ö~E~=::'::[(~"~,,-.-"-,.)---("-,-,-.-"-,.-)~l""' Cll

Austa usc h rea ktio ne n xo , b)Y Der Atomkern n immt ein Teilchen auf und emittiert daraufhin ein anderes. Das Positron und das Neutron wurden durch Austauschreaktionen entdeckt. • u- Teilchen: Um die elektrostatische Abstoßeng des Zie lkernes zu überwirden. sind hohe Te ilchenenergien notwendig. (:::: r>.1eV). Beispiele : -

( 18 · )QF

"I 0 . 'I 11 kurz: ' ~ N(a. p )' 70

"u AI + '~ l i e -

~ I ~ p' + on

kurz: 17A I(oJl i lOp

'~1 N + 1~ H e

~ p

,~

'~ 8 e +

~ S·

- ,~

o .

1+ le

,

iue - "c + on ' ~

A Gcrn äldcu mersuchung mit J ,:r Nc utroeenak ti\ jerungsanaly so.: C11.\11 Ik.Tlinl. llurch knn~tl i­ ehe K""fTlum" aOO lung l'l1l"tehc:n radioal.l i\c lsot opc . ,I.:1\.'I1 1-Slrah lung genH....SO'T1 "im.

"

kurz: Be(o.n) ·C

6

• Neutrollen werden vom Atomke rn nicht abgest oßen . so

dass thermische (langsame) Neutrone n (::::: I eV ) zur Umwand lung genü gen. Be ispie l ..Radiofluor-': 19 F + In _ ( 20F" ) _ ro Ne . oe' kurz: 19F(n e)~~e 9

0

'J

10

.1

"

.A. I' rin/ ip der Ncutnmcustrcmmg ( IIMI Ik rlin )

• Deuteronen (schwere w asscrsto ffkem e): Das Target nimmt e in Nucleon auf und lässt das Neutron weiterfliege n. Beispiel : : B e + ~ H -.. ' ~ B +~ n

kurz:.

9B

lO

e(d.n) B

Kem foteeüekt . Ein Gammaquant wird absorbiert. ein Neutron (seltener Proton) emittiert. Nicht mit dem Fotoeffekt in der Elektro nenhü lle verwechseln ( " 4.9). ~ H rt - : 1I + ~ n : Be + y - 2 ~ He + ~ n

kurz:. D(y.n)' H kurz: 9Be(y.n)2 ~ He

Elnrangrea ktlcn. Das Gescho ß (z. B. e in Neutron) verb leibt im Kern. v-Strahlung wird frei. Kurz: (n. y). Bei der Teilchcnslreuu n2 findet kei ne Kernumwandlu ng statt. sondern der Zielkern wird angeregt; z. B. A(n .n)A· .

,~~:~~~J~;"

... 1.) L1otron ( 11 \ \1 H...Thnl

__""::!

[ AIll:tclllcim: lind mlllrganischc Chemie

60

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T Rad loeh enn sche Ana lvsc und Ion ensi rah la nalv t ik zcrslörun isfrc l

KUrtcl Method e \ .\ .\

i.Jlll:h"el~ Prinzip lind Anwe ndung

Neutronen-

MuhiclcmCIlI-U llras pun:nanal) til.: ( I' . 11. in Ila]olcilcm J A, Sall,gungs.aktm \.i'I.l. wenn ~so ,'id mit de n charakteri stischen v- Rcsonanzlin icn der H e men Nuklid X' Mrllllil \\ie IC. Nach mchrsr ünd iger Bes trabhm g der Probe mi t Neunachgdli1dl.1 \\ird troncn . ein er Wart ezeh und C\ t1. chcmuscbcr j'wllCn\'ur· h ret lI auflgh " t im natl\:n: ilung w ird die Sättigungsaktivität mi t Ge -Halbleiterrart. Istltopcngemisch dctck toren und Vielkanalanalysatoren gcmessen. Kon - m Masse In &..1' Prob<: zcntrarioncn werd en rcfetiv 1U eiocr Re feren zprobe bc- ,l( molare Ma.\sc kannte... Zusam mensetz ung bestimmt : X + n - X· +., .\"~ A\l)(i'\[)Il.o-KoostanlC

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.A S urcnclcmcmc im Dünnschliffcmcs Kn'.lehens .A l' i menlanal"c auf vesc n ie Rücks treuung von Protone n (in Kom bin ution mit 1' l XEj - oder anderer lnzid cnzioncn - " im im Wink el 135" von der I'TtlOcllooerl111ehe mit einem Hatbleitcrdctcktor als Zählrale gegen die Teilchenen ergi e gemessen. An\wodun : Tie en fif \"On Elementen. I'i mcntaua b se in Gemälden : U ll mikrometerd ünner Strahl sch\\ crcr Inzjdcnz-Ionc n (CI " Si . ) bombardiert e die Proben oberfläche unter einem kleinen Winkel ( 18"). Durch elastische St....ße e l1ic~en aus dem Targetleichte Atome. die mit einer cocr}!ie- und \\ inkclaullöscnden
4 Kernchemie und Kernenergie

61

4.11 Teilchenbeschleuni er In Besch leuniger anlagen werden elektrisch gelade ne Elemcrnancilchcn und Ionen auf hohe Gesc hwi nd igke iten geb racht und auf ein Ziel (TarKet) gelenkt. Linearbeschleuniger beste hen aus h intereina nder angeordneten Vak uumröh ren mit zunehme nder Länge (bei wachsend er Teilc hcngesc hwindigkeit) und abwechse lnder Aufladung du rch Il oc h freq uen zfeider. Z, l..lulwn. ln L\\ C'i halbkreisföunigen. durc h einen Spalt get renn ten Hohlelek trod en in einer Hoch vak uumkammer werd en die Tei lchen im e lektro magnetischen Wechselspannungsfeld ( lO MHz) auf e iner Spiral bahn beschleunigt. bis sie durc h das Austri ttsfenster auf den Ziel kern treffen. Der Bah nradius wächst mit zunehmende r Besc hleunigung. die Umlaufda uer ble ibt konstant. S, 'nch roz, k lolro n (Sy nchrotron) . Das Magnetfe ld wechselt im Einklang mit dem relativi st ischen Massenzuwachs des Tei lche ns - synchro n zu r Teilchengesc hwin digkeit.

4.12 Kerns allun und Kernene

"' T ra n\ uran e gnll T ra n\fC'rm iuOIC'lcOlcnt C' Die schweren Elemente nach Uran 117\\ . Fermium wurden durch Kernumw andlung künst1 ich erzeugt. Be schuss mil Neutronen: 2JO

U + n ~ :-"'U ~ z~ p ~ z"'Pu

Be schuss mit u -Teilchen: z·"'Pu + ' lle _ :
Bes chuss mit S..:i IWl'll.'T1 loI"K.'TI: z,"U + 11C _ z" C f+ 6 n Z" U +1' )'0 - .....Es +6n :-" U + I~O _ z~Frn+ 4 n lO"lJi + "'Cr- ~ nh + n (I"e rrn.'nt 107) ll*Pb + "' Fe _ :" lIs + n lO"Ri + <' Fe - lo><>~1 1 + n ZOI Pb + S + n

(lJe rncnl 108) ,n..'fTIl,.'TI1 1(9)

t1:k:ment 11 0 )

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Be i de r Kernzertrümm eru ng (Spalla tion) ze rre ißen energ iereiche Projekt ile (> 100 MeV) da s Target in Protone n. Neutrone n und einen leic hten Restkern. 2J· U + u - 1l7 W + 20 p + 35 n Bei der KernSJlallun2 zerbricht e in schwerer Atomkern (.-I > 130) nach dem Teilchen besch uss in mittelsch were Trü mme rkerne . EiniEe Kerne lassen sich mit schnellen Neutronen spalten ( -'lpa. 2J7 Np. 232Th ). andere nur mit gebrcrnsrcn « thermischen Neutro nen (mU. 2-''lPu). Bei der spontanen Kernspa ltung ze rplatzen ex trem schwere Kerne ohne vorherige Absorpt ion von Teilchen. Bei der angeregten Kernspaltung fangt der Kern ei n Neutro n ein. de r gebildete Compoundkern zerfallt. Uru n· 235 w ird von schnellen und langsamen Neutronen gespa lten (6,5 MeV). Die asymmetrische Spaltung liefen Spaltprodukte mit den bevorzugten Massenza hlen 90 ... 100 und 133 .. . 143, sow ie durchsch nittlich 2,5 Ne utronen. Die freigesetzten Neutronen spalten weitere Keme in einer Kettenreaktion, d ie bei de r Ato mbombe schlagart ig und im Atomreaktor gest euert abläuft. Ein Te il der Uranmasse wande lt sich in Energie um. Die Spaltprod ukte sind instabil und zerfallen unter Aussendun g rad ioaktiver Stra hlen bis zur Bildu ng stabiler Nuklide. Ura n· 238 abso rbiert mittel sch nelle Neu tronen (Spaltenerg ie 7.0 MeV ) und ist daher als Spa ltsto ff ungeeignet.

~ U +~ n ~ (1.J~ U .)---.!:4 2~~ Np.~ 2~ pu. In Urane rzlagerst än en läuft ke ine Kettenreaktion ab. D ie kr itisch e Masse w ird nicht erreic ht. wei l Natururan aus 99.2745% lJ'U. 0.72% m U und 0.00 55% 2J.IU beste ht.

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Symmetrische (0. 1% ) und ter näre Spaltungen (mit 3 Bruchstücken. 0.(j()()5%1sind seilen.

'" Enel1!.in u,beul C' lIer K frm l''' "~''e"~"''--_ _

Energie der Spaltprud ukte • kinetische Energie • Neutrinos • ß-Strahhm g

• y-Slrahlung

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167 M eV 10 M eV 8 M eV S \IcV 5 MeV

prompte Y·Strahlung Neulm ncn 5 MeV Umrechnung: 1 .II.IeV ,; 1.602·1O"1lJ ,; 4A5'IO-zo kWh ,; 96 484 MJ/rnol ,; 26 802 kWhfmol

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62

[ Allbclllcim,: lind mlllrganischc Chemie

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2. Neuboo"''98'eatoon

Kernenergi e. Die Spaltung schwerer Kerne (Kernspalwog) und die Verschmelzung leichter Kerne ( Kernfusion) führt zu stabilen Endprodukten mit höherer mittlerer Bindungsenergie je Nucleo n EJ A ( .. -tA ). Bei chemischen Reakt ionen bleibt die Masse erhalten. Bei der Kernspaltung von einem Kilogramm Uran-235 verschwindet hingegen erwa ein Gramm Masse. das in eine Energie vo n etwa 25 Millionen Kilowausrunden umgewandelt wird. Eine vergleichbare Energie entsteht. wenn 3000 Tonnen Kohle verbrannt werden.

Kernreaktoren Die gesteuerte Kettenreaktion findet in Kernrea ktoren statt, die nach dem Kühlmittel für die w ärmeabfuhr Helium. Neon. Natrium. COl • Luft. Wasser oder schweres

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t u = 931..194 32 McV " 89.875 52 PJ t tStci nlohl c '; 29.3076Gj =K I-I1 k\\11

Wasser - unterschieden we rden .

Leichtwasserrea ktoren nutzen gewöhnliches Wasser als Kühlmit tel. Die bei der Kernspaltung freigesetzten Neut-

ronen werden außerdem durch Wasser (Moderalor) abgebremst. was ihren Wirkungsquersc hnitt (..Wirkungsgrad") vergrößert. Die entfesselte w ärme dient zur Erzeugung von Wasserdampf, der eine Turbine speist. Diese tre ibt einen Generator an, dcr elektrischen Strom erzeugt. a) Druckwasserreaktor. Flüssiges Wasser unter 160 bar Hochdruck - damit es nicht verdampft - nimmt im Primärkreislauf Wärme aus dem Reaktorkern auf und überträgt diese über e inen Wärmetauscher an den Sekundärkreistauf Dort erzeugter. nicht radioaktiver Wasserdamp f treibt die Turbine an. Der Brennstoff besieht aus angereichertcm Urandioxid in dünnen Stah lhüllen (97'% H SUOz• J% m UOz). Mehrere Brennstäbe bilden das Brennelement. das in einem Wasserbecken im Reaktorkern hängt. b) Reim veralteten Siedewasserreaktor Sieht das Kühlm ittel Wasser unter mitt lerem Druck (70 bar). Radioaktiv "erstrahlter Wasserdampf treibt die Turbine direkt an. kondensiert und fließt flüssig in den Reaktorkern zurück.

... Asthchk dI.-s
4 Kernchemie und Kernenergie

63

Der l'ermehrw lJ;:.'ifakwr oder Neutronenmultiplikationsso ll eins bet rage n.

fauor der gesteu erten Kettenreakt ion ,. = enlSle h end e N eutronen

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absorbiert e Neutro nen )

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unkontrolliert ges teuert ke ine Kcucnrcaktion

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Bei U-235 sind theoretisch k = 2.07 thermische Neu tronen (En ergie etwa 0.0 1 ev) nutzbar. Der Rest geht d urch die Brutreaktion m U(n. y)!J'JU mit nachfo lgendem (l-Zerfall 1 zu 2~ p und 2-'JpU verloren. Im realen Betrieb trete n zusätz lich Lec kagen lind Neutronenverlus te du rch d ie Begrenzu nge n des Reaktork erns auf

Steuer- und Regel.flohe aus Borstahl oder Cadmium. d ie lief ins Reaktorinnere gesc hoben werden . fangen überschüssige thermische Neutronen e in. Etwa zwanzig Steuerstäbe werden so lie f zw ischen di e Brennelemen te ein gefuhrt. bis der Vennehrungsfaktor I erre icht. In Notfällen fallen sie nach unten und sc halt en de n Reaktor ab . II.lCd + n _ ' UCd + Y

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.. t.:cmrcal.tOf B1:RII (lI \ lI lkrl in)

"B +y

D ie sc hne llen Neu tronen werd en von U-238 abso rbiert.

.stodenuor. Material ien wie Wasser. schwe res Wasser . G rafit und Beryllium bremsen freie sc hnelle Neutronen zu thermis chen Neutronen ab. die Uran-235 mit 500-ma l größe rer Wahrscheinl ichkeil (Wirkungsq uerschnitt) spalten . Im No rmalbetrieb wir kt der Moderator selb stregulierend. .....eil mit zunehme nde r Temperatur die Bremswirkung. und dam it die Spa ltrate sinkt. Hocbt emperatu rreakr or oder KllgeJhauj enreaktor. In e inem mit Hel iumgas gefluteten Spannbetonbehälter be findet sich eine Sc h üttung von Urankugeln. Das durch ein Ge bläse umgew älzte Helium (I000 °C) überträgt die Abw ärme des Bren nstoffhaufens auf d ie Kühlschl angen des Dampferzeugers (Sekund ärkrcis lauf). Vorteilhaft ist der hohe Wirk ungsgrad des Reaktors. der noch ke in kommerzielle s Stad ium errei cht hat. Sc hne ller Brutcr. In diese m Reaktor ohne Moderator ist der Vermehrungsfaktor der Kette nreaktion größer als eins. Von mindestens zw ci freigesetzten Neutro nen spaltet e ines Uran. das andere wandelt Uran in Pluton ium ( 11) 4. 10) und verdoppelt in ze hn Jah re n d ie Menge an Kernbrennstoff Bre nnstäbe mit angereichertem Uran bilden die Spaltzone. Im Brutmantel aus Nat ururan entsteh t spahbares Pu-239 . Flüssiges Natrium d ient als Wärme übertrager (Kühlm ittel ) im rad ioaktiven Primär kreislauf und im stra hlungsfreien Sekundä rkreislauf des Damp ferzeugers. Die Gefahren d urch g iftiges Pluton ium lassen sic h vermeiden. wen n spaltbares U-233 •.erb röter- wird . 2nTh + n ---L...,. ,m Th ) ~ lJJpa ~ 2.J.::U

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RuktOl'_

dnKkgl'loO • Reaktordruckgefä ß m it sche matisie rte m Kem eines 11 00 M W -K emkraft wcrkcs

,. Wirkunl:MJuer~hn ill

Wuhrsclteinfichk cit Cf 11Ir Kernreaktionen ode r Streupr ozesse. d il.~ s das Proj ektil einen Atomkcm auf der Ouc rschnius üächc des Targets

tnm.

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Teil ehe n/ah l Wahrscheinlichkeit FllIehe. Ze it· clncsTrc ücrs

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dt 4> l'n~ekl i l l1 ussd icht e. O . (1 1 + (I! + ... Summe der part ielle n Wirkungsquerschnitte aller Ke rnrcaktioncn.

I"jr{ UflX.W/ uerschninsdichte: Prod ukt aus Teikhen / ah ldkhte 11 (!'\cutron<.'JVah ldiduc ) und W irl. un~~uo.'f'f>Chni U Ci. ~ · Ci " n Im")

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1

[ Allbemeim,: lind mlllrganisehe C hemie

Ura nanreicher un und Brennstoffkrei slauf

I

Natürliches Uran besteht hauptsächlich aus m U und

23SU. Die Erzaufbereitung findet nahe der Uranminen statt. Für . htwasserreaktorcn I. " • henmg d es " '''uLetc Isl eme Anreic Anteils von 0.72 % auf etwa 3 % erforderlich. Für die Isotopentrennung in der Gaszentrifuge (" 4.3) muss gasförmig es Uranhexafluorkl UF6' vorliegen. Das giftige UF6wird in Druckbehältern transportiert und in festes Uran dioxid UOl übergeführt. Daraus werden Brennstäbe geringer Radioaktivität hergestellt. Ein Rohr (AI-Zr-leg ierung) von I crn Durchmesser und 3.90 m Höhe erhält eine Füllung aus gepressten und gesinterten Urandioxidtabletten. Im Reaktorkern befinden sich beispielsweise 19 Brennelemente (aus 236 Brennstäben) mit einer Grundfläche von 23 cm )( 23 cm und einer Höhe von 5 m.

AfJxebrwlllle Brennst äbe werden nach etwa sieben Jahren Gebrauch aus dem Reaktor entfernt und zum Abklingen in einem Wasserbecken zwischengelagert . Ab I % U-235 bzw, Pu-239 erlahmt die Geschwindigkeit der Kernspaltung und eine Wiederaufbereitung ist erforderlich.

" Ulml7emrifu[!e 7Uf Trennung unl.·~h icdlich schwerer StofTedorch gC\\altigc Flichlrafte.

Uran-Plutonium-Tt'..nnu ng bet d..T Wkdo.:raufbcreinmg \on " "'IT1hrcnnslo tT...'1l. I . 7.erkleifwm tJ..s HI\.'1lnsto fTs 2. Lösen in h<:ißt.T II ~ O " u LJmndill\idnitrat und Pluton ium(IVlnitml 3. Abtrennung \11011 Spa ltpruduklLrn dun;h Kom -

mit Trihut} lphtl'. phat (TUPI in Kemsin als lJO_1 NO,H TIII' )1u. Pu(NO-, )..(TUP):

plexierun~

W ied erd urarheit un ~. In einer Wiederaufarbeitungsanlage werden ausgediente Brennelemente mechanisch zerkleinen. Im f URI;X-fro=eS.f werden wiederverwendbares Uran (95 % ) und Plutonium ( I %) anschließend von den restlichen Spaltprodukten mit chemischen Methoden abgetrennt Uran und Plutonium kommen erneut als Kernbrenmlo.JJe in Kernkraftwerke.

3. f"lÜ55i~-f"lÜ55i~-Gt'g':n5Iromf.lllVlaüJn:

Von oben wird die \\lL'i.srige Phase. \0Il unt..'1l die leichte organische TBP-I'ha-;e zugeführt. PullVI \\i n! im Millclleil der " olonnc an Siebhödcn und Kolon nenwänden aus Titan kathodisch reduzie rt (Anode: Zentralstab aus platiniertem Tantal: Zellspannung 2- 3 V). Die schwere wässrige Pul Hlj- Phuse gcht untcn. die leichte lJtVIH ' hao;e oben ab.

"' Mög lichl citen des

"-embrenn-

slt, ffi,.rcislaufs.

4 Kernchemie und Kernenergie

Der T ra nsport radioa ktiver Stoffe und Brennstäbe zur Wiederaufarbe itung in Frankre ich und England fand bis zum I. Juli 2005 auf öffentlichen Verkehrswegen statt. Castorhehaiter überstehen den freien Fall au f eine Stahlplatte aus 9 Metern und auf einen Dom aus 1.2 m Höhe. e in halbstündiges Feuer bei Temperaturen von 800 "C und eine 8-slündige Versenkung in einer Wassertiefe von 6 m. Deutschlands größtes Z" lschcntager fü r abgebrannte Brennstäbe entsteht in Gundremmingcn (Bayern): 192 Castoren werden die Bodenplane der I().I m langen. 38 m breiten und 18 m hohen Halle auf 80 "C erwärmen - und das Grundwa sser um 1 bis 2 "C. Die Radioaktivität und Abwärme der ausgedienten Brennelemente klin gt erst 40 bis 50 Jahre nach der Entnahme aus dem Reaktor auf etwa 10 % ab. Zur [ nd la~(' ru n ~ wird der hochradioaktive (stark wärmeenrwickelnde) Abfall mit Glas verschmolzen und in Stahlkokillen gefüllt. Abfälle mit starker Wärmcentwieklung müssen gekühlt werden. T ra nsm ute no n. die __kontrollierte Entsorgung" lang lebiger radioakt iver Strahler durch Neutronenbeschuss in kurzlebige Strahler ode r nicht radioakti ve Nuklide. scheitert noch an den notwend igen ries igen Neutronenq uel len.

l' Sichcrhd b llriozipien }kdlllUl"n= : mehrere gleichartige. unabhängige Sys teme [z, H. No\kOh lung)

Di lY!rsiltit: verschiedene Sp tcme zum gleichen

Zweck (L. H. ncutroncnabsorhicrcndc Lösun gen

bei Ausfall der Steut.Tst:lI1c ) f ail Safe: nd Störung wirken S) s\cme in die sichere Richtung (Ahscha hen des Rcak1lJrs ) l' I 'm", c:ltrc-k\ an l du h:c:rnl«hn i'"

Thermische Ik l...~t ung Jer C":;"ob,..;r

"'Iima:lndo.:rung durch Nasskühltürme AlommOlllagt.'fund -transponc gasrtlrmige Srahprodukt.: Neutrooenakti\K-rung \ lllI lla umah.Ti;IIit."11 Unmerzg..." . innung

Endillger: .lo, tor.J cllt.TI (~Ting .... :lrmccnt"K:kcln· Je Abßllcl: Gor'd".TI ,,,arma.Tll\.id;elndcl Z"'isdrenlogt',; Kmlh \cB.e. Gnrldlt.'O. Ahaus. l.egcr Nord ftlr Gn.';[~\\ ald und Rhcinsht.'tll

Transmutati<1lI d...,.langkbigt.Tl lech.....-tiwn.99 "' Tc' -+ n-.- 1("·

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4.13 Kernfusion Bei de r Verschmelzung leichter Kerne entsprechend de n Vorgängen im Sonneninneren wird weitaus meh r Energ ie frei als bei der Kernspa ltung. Die Spaltung vo n I kg Uran setzt eine Energiemenge von 25 GWh frei. die F U5;OIl ....on WasserstolTzu einem Kilogramm He lium 190 GWh! Die Kernfusion erfordert Temperaturen über lOS K und e ine Teilchendichte mal Einschlusszeit von ca. 10lJ s'cm'. Ab 10 000 "C " erden Atome vollständ ig ionisiert. Es entsteht ein Plasma aus Atomkernen und Elektronen. Die fusionierenden Atom kerne müssen mit 1000 km/s Geschwindigkeit zusammenstoßen. um die gegenseitige Abstoßung der positiv ge ladenen Kerne zu überwinden. Ein Heliumkern ist um den Massendefekt öm = 0.02928 u ( ~ 4_3 ) leichter als die berechnete Masse se iner zwei Protonen und zwe i Neutronen. Bei der Kernverschmelzung wird dieser Massenunt erschied in Energie umgewandelt. E " i1m ,) = 27.3 MeV = 2634. 106 kJ/mol Die Sonne ist ein riesiger Fusionsreaktor. Die erforderlichen Fusionstemperaturen werden durch die extremen Druckverhältnisse erreicht. Helium entsteht zu 90% im e NO-Zyklus und zu 10% im Proton-Proton-Zyk lus. Die Elementarschritte dauern sehr lange. Angesichts der riesigen Mengen Wasserstoff finden den noch gewaltige Stoffumsätze statt. Pro Sekunde versch me lzen 600 Mio. t H! zu 595.5 Mio. t He. Der dabei entstehende Ve rlust an Masse betragt 4 200 000 Tonnen. Die Strahlu ngsleistung der Sonne beträgt 3.72.102) kW oder 6 1 300 kW/rn!.

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11. A. HElI IE. Emd ecke r des CN ( )-Z) klus.

Fast unerschöpfliche R" hs\nll'nrscrvcn • Einfache Sicherbeilstt.-chnik der Reaktoren • Kurzlebige Fusionsrückstände l falbwcrtszcitcn ma.\ imal lOOJahrc • Keine Pruolcmc "ei der Fndlagcrung Unkoutrolli...-rter Lcistung.o;ansticg über die Ncrmlcismng nicht möglich Keine "'t.-mexpklSiun mög lich

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I Allgeilleiml lind mlllrganisehe Chemie

:t' !\1eel1an ismen ile r Energieertt'ugung in der Sonne Bei den hoh en Temper aturen liege n die Atome io nisiert in e inem Plasma vor.

Um rechnung: I MeV · J.6U2·IO ·H J ., .t4S· IO·20 kWh = % .. 8.. MJ/mol - 26 802 kWhlmol

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!leIh ......" ciL'>icl..tr-b I..l u~ IC1\U-b Idus l bei ca . 50 Mio. "C, Anxnladun 1_']'1; '11 + 11r lJ]'I; +0 + \'. I'l\; '11 + 1\. 1' 0 '11 + "N 1' ]'1; + , "0 + \', '11 + I' S ' He + Il C .I '11

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Miul<.'TC Dauer 14 Mn:!. Jahre 0.6 Sck. I Mio . Jahre

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Für Fuslunsreakte rcn eigenen s ich als Kernbrennstoffe besonders Deuterium (schwerer Wasserstoff. 0 '= "H) und Tritium (übcrschwc rer Wassersto ff. T = ' 1-1 ). Deuterium kommt mit 0.0 15 % im natürlichen Wasser vor und kann durc h Wasserelektrolyse gewonnen werden. Das radioak.tive Tritium stammt nicht aus natürlichen Quellen . sondern muss aus Lithium erbrütet werden. Die Aufh eizu ng des Kernbrennstoffs auf Fusio nstemperetur kann mit Hilfe von Laserstrahlen oder im Magnetfeld erfo lgen. Beim ,\faXlleifd dei1nchlu.mw f ahrell hä lt e in kreisförmiges Magnetfeld das frei schwebende Plasma von den Gefäßwänden fern. Grafit dient a ls Neutronenabsorber und Hitzeschild. Kühlmittel sind Lithium oder Kalium.

pm Heliu mkern

pro mo l Helium

n H:mach llbs i"L 1.9 5 ~kV 2.22 MeV 7.,5" MeV 7.35 M..: V 2.71 Me V " .96 ~' e V

J3 Mio , Jah re 7 Minul<."ll 2.7 ~I io. Jah re 320 000 Jah re 82 Sck. 11 000 Jah re

26.72 \l t\ '

... PrinJ'ip öes l-'usionsn."3kIOl1i. Das einS('hließo.'Ode ~1 ag.11<.'l reld wird do rch die lI aUl"'rcld . Sru lcn. den im P I 3.~ma nac h de m Transformatorpri nzip indwil'nen Stn llll und die v enikajspulen er vcugi, Die Auj1H:i::ung des PlOJm/lJ geschieh t l onächsl mit einer Widc rslanlb heiJ'ung. " obei das Plasm a als Wide rstand " irkt. AI> " OOllO000 "C \\ irkt eine ll oe h tfc4 ucnJ'hd J'ung. Eine J'u.'i.liu tieh.: A ufheizu ng bis zur Fusion ste mperatur erfo lgt d urch Einbri ngen neutraler Deuteriu matom e in das Plasma.

... Wa sse n lomJOllI he

Die hohe Temper atur der Kernfusion w ird durc h l Onden einer Atombombe erreicht. Eine Dreiphasenbombe besieht aus : Plutoniu mkcm: r...z eugt die Fusion stcm pcratuten und Neutronen. l .uhiu mdcurcridschichu ~L.i ... n _ ' He + ' 11 l ll + _' 11 - ' II.: +n Uran -23K· " Iarllc ]: ten rcukt iOIl

"'<:I

... \ tul nm tnl>omhc Eine Wasserstoffbombe mit ~-m.)lller Ncurroncnstrah lung. I Ondung mit exonschc n Spalt . :"'Cm l. slo!Ten kl.:ine r kritischer ~la.ssc damil wenig radioak li\ e Spaltstuff e emstebcn.

e"Cr.

4 Kernchemie und Kernenergie

4.14

67

Auf aben mit Lösun en 111m e hen die rechte Seite mit einem Hlau Papier abdecken. Aufgabe n lösen lind hei ßcd urf ..~I"ic ken".

Konstanten :

m( cl . 0,l)()(J54S6 u c = 2'J'J792 458 m/s

",( pi = 1.00 7276 u u = 1.660- 10.17 kg '; 93 1.5 MeV

m(n ) - 1.001(665 u e "" 1.602 · IO·IVC

I. S ilhc'r kommt in der Natur zu 5 1.84 % als IU1Ag (.-1, = 106.9 1) und IU 48. 16 % als ,...Ag (..f, = 108.9 ) vor. (lcld gibt es nur als I""Au .

g) Wie groß ist d ie Kcmhindun!-SC"Crgie je f'uek.'OfI:

a) Gold = Reine k mlo.'tll. Silber = MiSl: hclcmc nl b l A,(Agl - 0.5 184 . 106.'11 + 0.4810 . IOlt'Xl - 107.87 cl m( ""'Agl "" 1011.9 · 1.660' lO.n kg '" 1. 8 1 · 1O-2~ kg dl A, ist nicht ganlj'.ahlig.. weil die Ma.'iscvon Proton, l'eutron (und Elel..lnm) nicht cvakt I u (b>", . 0 u) ist. et A/""Ag) = " 7 nie + -1 7 m, + (109 - -1 7) mn = -17 · ,0.000 5-1 Kb + 1.007276) + 62 · 1.00 8665 . 109.90 Differenz .....iscbcn berechneter und gemessener Al.'lflma....sc : .1m = 109.90 u - 1011.90 u = 1.0 U ER = &r7 ; = 1.66,1O·n kg . (299792-15& 111/s) 1 = 1.5· IO· IDJ tw.•. ER= 1.0 u · 931.5 Me V " 931.5 \le V. g) [WA = 93J.5 MeVJl09 " 8.5 ~ I..: V

2. Ik'f>."Chn..'tl Sie d ie im I\:riodt:ns~stem IiIbdlicne nlll l iu~ .\ lllffima \ W \on Argon . Iso illp 1I11ulip.eil h l'Ouklidma.o;:sc A • 0.3 3 7\~ ~ 35.967 5463 Ar· 36 Ar- )8 0.063\~';' 37.962 733 Ar.40 99.600\~. 39.962 3&3 12

Im PSE tabellierte Atomm assen lkr EIcIT1<.'TIte s ind Durchsehninsm essen der niltilrlicllt.'tl Isutopen\Io.'f1dlung. (}n... "eidK:n s ie \ Ollder genzzahligcn Massen/ ah l A ab. 0.337% ' 35.967 5-163 + 0.063"!" · 37.962733 + 99.600% ' 39.962383 12 • 39.9-11'

J. In der Presse lautete eine lI iobsmc ldung

a) Gips CaSO, enth alt Spon: n anderer Erdalkalielemente. z.B. RudiunI - e in u-Struhlcr mit 3.8 Tagcn Halb wertszeit.

al Wekhe An \lIn Ljcmcrucn sind Go ld und Silber? b) Wie groß ist d ie relative Ah'lflma--se .-1, 1k'S Silb..-rs: c t Was \\ k-gt ein "'"Ag-,\tom? d ) Warum weicht d ie rela tive Alomma'ise des ....AgAtoms \Im do:rgan/en Zahl ab? c ) Berechnen Sie die rclali\e Alt'lflffia--SC von I~Ag aus den Ek-rn,:ntarle ileh\:n. Wie groß sind Massendefekt und Kembindungscn..'fg ie Ag· ,\toms in Joule und Elcktrom o ll?

n

ocs ,..

durch Gips und l.cuc btfarbc n" durch da.s Io.....thaltcnc RlIdium _

~l.unglo.'fI krcbs

al I'rk larcn Sie mit Ililfe des radioaktiven Zerfa lls. wie es zur Rao,l ioaJ..t i\ ital von Gip s kom men kann. b) Wie ist d ie Gefahr einz ustufen? e ) \\ 'ek hlo.'TI 1'.in tluss hat die Frischlu ftzufuhr in Rliumlo.'fI:

o

~ Ra ... 2~ R n·1 1 1e b) Ra-226 in Nachtleuchtfarben wird Sl:it 1980 nkht mehr ve....ve ndct. Radofl da gaslimnig - gelan gt unvermeidbar in die Lunge . (}as Kn:hsrisiko i'it ähnlich einz ustufen wie bei a nderen nutür fichen Bauslo ni:n (z . H. " (' im 11( 1/ ). cj Hafbe BeliiJilll1K WrUoppe ll die Strahlenexposition der l.u ngc. In De utschla nd 1.3 m Sv/a. in Schweden auf Grund der \1 iucrungsbcdingt....n Gcb üudcisol ie rung 2 mSv /a -e

·t Altc rsbestimmung mir der 1-rll ll -B1ei-'I ~th tld e. Im

}.-ln2JI - I.55· IO·"'a·'

afrik an ischen Mtlnogo rtl-I' rt beträgt das Atomverhältnis l''' I' b ; l-" U .. H. ](17. Wie a lt ist das Er.l! (I = -1..1 7'10" Oll

'.v I I 6 I I 1= - - n - - = - - ln - - - = 656 · IO a }. 1+0.107 }. .v- .v-

~. Wie alt ist die Erde. wenn man annimm t. d ass

Res taktivitäten gleich seilen und uuch der Zeil l auflösen:

lJ·BS (I 11lu tigke il 11 1 .. 'N .2739 0/0.

I 1 ..

-1..17· m' ol) und

U· 235 (111 • 0.7205 Dlo. I ) - 7.0 4· ](1" a ) z ur gleichen Zeit cutsr unden sin d'.' Wie sind Abweichung vom tats ächlichen Alter der Erde erklllma r?

[I IITI

h r ' 2 - 1/ l r = h ~' 2 - 11 1~ => 1 -- Inhr- ln h1 ' - - I In2 12

Mit I == 5.9' 10" Jahrc n übcrtrtm das Erd uran das heule v Y:Io.'Schllt7te Aher der I'rde t4.6 · IO a). Dus Ve rhllitnis "u : )" U m uss bei Erdcnts t.... hung ctwu I : 3 betrugen habe n.

(,. Wie\'icl llr liumga'i e11lslehl beim radioakth cn ZIo.'flall v on a llen Uranarome n l-crHlIlt prn Jahr der Urud uei l in der nalllrlich lo.'f1 Zerfa llsreihe nach al:ht «·Ze rtallcn aus ). = In 2JI = J.55· IO·w a· l • VOll I m,,1= 23Kg Ur.m i'er l"al1en IU einem h:ilo gr-Jm m lJrJn-2 3X: folg lich 1.5 5·10 - mol im Jah r und liefe rn IUr jeden uZerfa1122,-1 Liter lI e liumgas. I nml Unm er/-cugt somit K·22." ';. Liter Helium . IU I g Uran er/eugt g'22A-}J23& - 1.1 7· IO. 1 lIc1a. I kg Ur.l.Il l.'w:ugt 0.1 17 ",I Iie/a. 7. Welehe l:kmrnl.u1rilr hr n sind unteilbar?

IA:ptoncn ( L B. Uektruoen) uotl Quark s

M. Wie " irlen slart.r Krrnl. ri rtr ?

lIall~'TI die Nueleunen im Atoml..Io.'1lllUsammcn; \\ irlen au f sehr kurLe Entflo.'1llunglo.'TI und stärker a ls elektri sche Krafle.

a

[ All be lnCIIlC

68

9. Wie sind Alphu-. Be la- und Gammastrahlen aufgebaut?

111. Was versteht mim unter der

Iblh'\l~rhzti t?

Ull d

anorgamschCh C cnnc

(I-Strah len si nd Ik liumkc mc.ll-Slmhlcn Elektrone n. r -

Strahlen Photonen (c1cktl'o l1lagnctisl;hc Wdkll ). Die Zeit. in der die I!lUlle einer An/ilhl \'I1Il radjou kuvcn Atomk erne n zer fallen ist.

11. Was bed euten die Ik gri lTc a) I:: nC'rJ:il.'d nsi...

a) ET/f!rxieJosis : \ 011 einer Masse a ufgenommene Strah-

b) .\ q uiu lennl.., is und

b)

cl .\ q u iu lc'n ld O"oislr is tu ns:?

Energiedosis

lungsenergje

Aquil'alenttlo sis: mit dem Q Uillil:ils f3ktor be w ertet e

c) Aq uil'(/lentJoIis /t'isluIIX: auf eine besiimnuc Zeit bezo-

gcnc )\ quhal..'tlldo.lsis 12. W ie Mc:llt m.ull.(ln""lidlC Iot ad io nul. lid ", her?

~;nd. kön nen durch Teilchenbeschuss in Real..toren oder Tci lch~T1t>cschleun igem kllnstlio.:h radioal..th gemacht werden. so.) dass sie radioaktiv e S trah l ~T1 aussen den .

13. I\tl"ll'p..1tunl=: al Warum wird Fncrgie freig~"S(.'lIt'.' bl Weshalh kllmml ~'S zur t\ ellenreal..llon'.'

al Ein gering...'T ~las~nanlci l m \\ inJ bei Kcm spahungcn in EIK.'T'J:!.ie E ~ m t? umgewandelt.

AIOIll l.cmc: ,nn Sto ffen. die ni..ht r.wiu.lkth

bl Bei der Spaltung so.:tmen.'T,\ tornkeme mit einem Ncut-

ron \\ ~·rdl..n 2 bis 3 N ~'U1I'\1oI1~T1 frei. die weitere K~'l'TlC spal-

ten können . Die kritische M.......sc ßIILSS IIb...Tso.:hri ll~'J1 sein.

I" . J.: trnrtllL.tulTn a) Welche Aufptbe hat das Was.'
realton."T1 '.' b) WH: unterscheiden sio.:h sem:aktoren'.'

Si~'Ik....esscr -

und Dreckwes-

1 ~. K..diu....li\ t Sp..ltprodUhl t aj Was geschieht bei der W i~'lkraufarbcitung? b ] Welche Aufgaben hiihcn Z\\i sch~'fl lag~"""

al Wasser dient als .lIodt-rtl/UI' (bn.'TTl"t schnelle ~~'UtnlO\.T1 ab) Illld Kuhimittt'l (lcil...'1 die entstdlt.'Odc WärTtlc \wi IlT). b) Beim Siedev.·{ßserrrult.tor stdlt Was.",,:nJampf unter minleem Druck und treibt eine Turbine direkt an. D er DruckM'ouerrealt.t,H' steht unter hotk:ßl Druck, so da-;.s kein Wasserdampf cmsrchr. Die W:lmIC \\ ird über einen Wllmk:austauscher auf ... incn zwe uen Was.o;,.'rl.n:islauf übenragen. in dem d...'TOampf fllr d~"T1 Antrieb d...'1' Turbin~"T1 ~"T1tsleh l. a j In einer Wi...'tk........ ufarbeinm gsan lage werden abgebrannte Bn:nnst:'lbe zerklein ert uno.! cbcnusc h in \\ieder'l~'1'\\ ..-nba-

rcn KembrennslolTund ,\ bfallproduklc aufgetrennt. b r Radioakli\ e Abfll.lle werden zwischcngclegcrrt, um vor einer Endlagerung di... Raditlilkti\ ilJ.t abklingcn zu lassen.

16. J.: t r nfusilln a) Wenn Atom k...'TTlc nahe gcnug zusamm...-nkom mcn. kann a) Weshalb können Atmnkcmc überhaupt verschmeIA-n'.' di... stark... Kcrnkra ft Ilirksarn werden , die nur eine sehr geringe Reic hw eite haI. b) Weshalb sind hohe Zündtcmpcnaturen erforderlich? b' Die Atornkcmc müssen mit hoher Ge schwindigkeit zusummen pnullcn. 0"' ihre elektrischen A b~lo(\krll fte I U

überwinden.

e) Welchc Hoffnungen verbinden sich mit der Fusion?

c) Unerschöpfliche Rohstoffreserven. hohcr Sicherheitsstandurd. keine langlebigen radioaktiven Abfälle

17. Wie funk tioniert die 1( ;;n t\.:t·lltl u ~h strahl un \.:s p rü- Energiereiche Smahlung durchdringt feste Kürper grüßtenfun\.: in Jer l erslümngstrcien WerkslutlprO f'ung? teils geradlinig. Die Wechsclwirkungen mit J er Materie sinJ urnstl sl1l rker. je hllher Ji e I>iehlc des l' mhd ,;\1rpers ist (Schll llehungsgesctl ), l ) pischc Fehk r bei Sch\\eißnilhten \\CrJCll siehloor: Risse. Ilohlr1llll11e. Poren. EinschlUsse (Schl;lckcn). Einhr..ndkert>cn (Jc~' k - llder \\ ur/ elseilig ). llinJcfeh1cr. Oocrh/\hungen. VerslIlIe. unl ol1knmfllene Durchschll cillung II S\\ . Sehllieri g sind AusSilgen über die Tiefenlage unJ Ausdchnuilg der I'ehkr. be ~...ndeß parallel lu r I>urchsl.....hlung.srichlung.

Literatur zur Radiochemie und instrumentellen Ana h Hk [I) [2) [3)

H. HROCl'.ER. d" ..,~ lll.'utschcr Taschcnhuchu:rlag.. MlInehen ' 1'J",l1. N" UltR .IIfl.UR. L'nlt'n lH;h" nKsmelhode n In der Chemie. Thkme: Stullgan 12003. D. A. S"OOG.} J.I.EARY .lnstf1'mem...lle AnaI)11~. Spring\T: Berlin 200 1.

5 Che mische Bindung und Str uktur

Warum baut man Brücken aus Stahlbeton. Flugzeuge aus Tiranlegl erungcn, Schne idwerkzeuge aus gehärtetem Stahl und chemi kalienbeständige Dichtungen

aus Fluorpolyme-

ren? Die Struktur der Malcrie erklärt diese Fragen . Die chemische Bil1JulIK besch reibt den Zusammenhalt der Atome in Molekülen und Kristaüg inem, sowie ihre räumliche Ges talt (StruA:llIr). Metalk lonen- und Atombindun g erklären ganz unterschied liche Stoffeigensc hafte n. Die meisten chemischen Elemente ko mmen in der Natur in Form von Verbindungen vor, Nur wenige - wie Go ld. Silber. Schwefel. Kohlensto ff - treten elementar (gediegen) auf. In den chem ischen Verb indungen verlieren die Elementatome ihre ursprünglichen Eigenschaften . "' 1.8 Unter de m Zwang der gegenseit igen Anziehu ngs- und Abstoßungskräfte bilden Materieteilchen regelmäßige räumliche Einheiten. d ie Kristalle . Bei amorphen Stoffen. in Flüssigkeiten. G läsern und vielen Kunststo ffen. liegt ein ungeordneter Teilchenverband vor. Isolierte Atome g ibt es nur bei den Edelga sen und hocherh itzten Dämpfen. Triebkraft der chemi schen Bindung ist die Energ ie (freie Bildungsentha lpie). d ie be im Zusammen tritt de r Atome zum Kristal lgitter ode r Mo lekül frei wird. Diese Energ ie muss wieder aufgewendet werden. um den Atomverband zu lösen. Beim Rostvorga ng beispielswe ise entsteht aus Eisenmetalt und Luftsauersto ff stabiles Eisenoxid. das nur be i hohen Temperaturen im Hocho fenprozess zu Eisen zurück gewande lt werden kann .

... ( ; ~h khl e d er e he mr.c he n IJindunl:

1732 11 . nOERIlAAVE untersch eidet chemische Verbi ndun g..' fI und Stoffgemische . 178719 A. I.. I.AVOISIER: Elem entbeg riff und

'com..'1lklatur: Seh\\efclsa un;: statt ..Vitriol'i3urc- . Kohk:nsllurc stall _fh e Luft", ~lol) bdän sll un: statt _WasS<.'Tbleisaun:. kohlensau res Zinl.. stau ..linkspal··. ~I'\:s linl.. stall Jinl..bulk'r. ~ k talkl\ ide ~1I .. ~ k tallkalkc". IIIUI 1'H. l'tlOMSON: Sto lTs)mbo.'1c: S Silicium. L Kalk, h WiK'iCN off. c Kohlensloff. t80 3 J. (}ALTON (I 766- 1K·U): ,\ tomc verbinden sielt in einfachen Za/llcn\ cmll]tnis.-sc"fI . Stoffsymbolc: • Kohlenstoff. 0 Sallf.'NolT. c WasS<.T.>tolT. $ Seil'> erd. 1811 J. J. BERZEl IUS ( 1779- 18-18): Ek mcntc zeigc'11 gegen über WiK'iCl'Sk. tf positi> c 00..... n..'g athe ..elektrische Polari tllt- ( Werti~ci t ). 1x.J.1 1.rEß lG und Pl:XiGENllORFF Ilihrcn ticfge-

setzte Indices ein. 1.. n. 11;0 fOr wesscr. 1H5H A . S. O .lUPF.R ( ISJI -IlN2 ): Bindungsstriehe und Vi<.-rt>ind igl..cil dc-s Kohlenstoffs 1861 A . I\ lrrU ROW ( 1828 - 1866): _S·/rulaur . 187-1 Tetraedermodell d..-s KohlcnSlt>fTs,--_ .. 189 J 1\ . W ERNER(IKf>6"!" 1',l19 . Nobelpreis 19I J ): Koordinananstehr e t1Ir um 1850 ge funde ne verbindun gcn " i.; '\IF, ·J KF und ('0('1 1'6 NIl.. IM93 J. W. Sl Rl!IT und W. RAMSAY: Edelgase . I9IJO DRUDE und 11. 1.0RI':NTZ (185J - 19211.. Nobelpreis 19( 2 ): Efd /rlJlII'nKilSlI/od"'!. 191 ~ KOSSFI.: Th eorie de r !m/<'lIhimlllng . 1916 ( i. N. I.EWIS ( 1875-] 9-16 ): ..I/olI/ hindllng lind Ol.. I.:Iln:gcl. I. LANCoM tJIR: Hindungsstriche

lllr gcrncinsumc Elektronenpaare. 19211 H UGGINS. LATIMER. Rt ll ll' IlUSII: M l}(]c ll de r U·u.H erSlI !fJhr rid; en: Chclatkomplcxc. 1927 I1m U R. l.o NDON: l olen: hm" f· H lt'lIr ie für das u'asscrsroffmolcküt, F. HuND: .HO· Theorie:

Fortentwicklung durch

ncccu. u. a. ' _ _h

L!S -j

I lfI"6d':

A An..' fI lkr chem ischen Bindung und l)pische Sto ffeigenschaften. Unter Legierungen sind nur v ertnndungsphasen ge me int.

1932 L, I'AIlLINCo : Elcl..-

troncgativ illit und II ~ bn -

disicrung. 19S11 R. J. G ILLE.'iPtE: I:lcl..lmncnpaal':llN oßung.«m<>o.Icll. 1962 F.dclga." erbindungcn: XcI.,F" und XeF:.

iI

, , o

I

70

I Allgemeine uml Allllrltalli",hc C hemie

An der chem isc hen Bindung nehmen nur die Elektro nen

der äußersten Schalen (f 'ah:lI=d e!aron e/l) teil. nicht aber die Atomkerne. Die Edelgase mit ihren gefüllten Außenscha len si nd beso nders stab il. und daher reaktionsträge. Die O klettl"egeJ besagt: Jedes Atom strebt d ie sta bile Edelgasschale an. indem es Elektronen aufnimmt (e lektronegatives Element ) oder abgibt (ele ktropositives Eleme nt).

Dies ist auf unterschiedliche Weise möglich: • Bei der In nenh ind ung gihl e in Metall atom ein od er meh rere Elektro nen an ei n Nic htmetallato m ab. D ie ent-

stehenden Melallkutümen (positiv geladen) und Nichtmetallullimk:'n (nega tiv ge lade n) ziehen sich gege nse itig an und bilde n ei n loncng itter (Sal=). • Bei der A lo m bi n d u n~ tei len sich zwe i Nichtmetalle ein oder meh rere Elek tronenpaare und bilden Moleküle.

/

• Bei der Meta llh indun g geben alle Metall atome ihre Valenzelekt ro nen ab. die sich fortan als Elektronengas zw ische n den AlOmrümpfell des Metallg itters be w egen. Kunststo ffe. G läser . Legierungen. Keramiken und viele andere Stoffe zeigen .Hü chlY[Jen der chemisc hen Bindung. et wa Atomb indungen mit einem ionischen Anteil. Ursächlich sind d ie untersch iedlichen Atom- und Ionenradien. w ertigkelren und Elektronegativ itä ten der Elemente.

/

1/

1/

l/

/

./

1/

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Na l......• I~

(htor1dI~

1/

5.1 Ionenbindun Sa be sind Ionen kristalle aus POSItiV geladenen Metallionen und negativ ge lade nen Nic htmet allionen. Kationen und An ionen neh men im Kristall eine Ruhel age ein. be i der anziehende und abstoßende Kräfte im G leichgew icht s ind. Die Wärll/t'~'ll't'glmg sorg t für fortw ährende Sc hwing ungen um d iese Ruhelage. Doch die starken ele ktrostatischen Cour.o un-Krätte zw ischen den entgegengesetzt gelade nen Ionen verh indem eine Ver schi ebung der Kristallguterebenen. Daher sind Salze spröde und nicht p last isc h ver formbar. Bei ge wa ltsamer Ver sch iebun g der Ionen überw iegen di e abstoßenden Kräfte, der Kristal l spa ltet - der gefürchtete Spröd bruch tr itt ei n! In fester Phase s ind Salze üblicherweise Nichtleiter . Schme lze n und wässrige Lösungen leiten den e lektr ischen Strom ; man nennt sie Eh'ktro~r/f!. Viele Salze absorbieren Licht im UV· und IR-Bere ich; sie sind dah er durchsich tig.

... I<.: r:lfte im Koc hsalzkristall

n t' i .l.,.i.,}: Wie groß ist lIie An/iehung. zwischen einem Natriumkation und einem C hlorillunion nac h dem COULoMB-G,..se tz, wen n ihr 1n Kernabstand im Koc bsalzgiucr 2.1l20·IO· m beträgt ?

•

Su"''''t aus QtI l,tIIttldfn uIId

obslonenden KrQ/ltfl

•

;; •

1'·+--11

F: (M.l: .h:&oI' 2

Da im Kochsabghtcr jedes Ion von s•.:dJs entgegengesetzt geladenen Ionen umgeben ist. ist die unsächlicbc Kra ll im Kristall größe r.

... Beim Cik:ichi!e\\ichl'iUhstaoo zwisch en Kation und Anion in einer lone nt>indung beben sich anziehende und ahstoßcOOc Krane auf. Genawn: Bcbandlun g .. Exkurs .

5 Chemische Bindung und Struktur

r

71

... T)pen der chemi sch en

Ion en bindun g

Ilindun ~

Ato mbind ung

hereropolare Bindung. elektrovalente Billdung.

I\ h' la l l h i n d u n~

Elektronenpaarbindung. kovalemc Bindung, homöopola re Bind ung. ~ 5.2

~

,l le/u f/ ldek tl\'rus ili\ I + SichlmeW/f (c k ktl\m lI;3th)

Sich/me/ullalome [elcktroecuual)

.\ I..,,,JJ(l/o me

Bild ung \ (lfl (" nt rl. I>urch Llc.... tl\lfll'flahaabc e rre ich t das Meta ll. d urch Ele....rroncnaufnahme das Nichtmet all d ie sta bile

Gemeinsame E ld.tront n plIlIrl' (- bint:Il'L.lr" rll' nltll~ (freie v alenzdende Molekülom ila le ).. die bei der pola - deltn lOCn ) und JlOSiti\ ' gcladeren Atombinduag zum elektronegativenc .\ lom rii m p re (ionisicne rcn Atom hin \ crscho bcn sind ~ ll'la llalo me )

F.dclga,~hale

~

3.6. 5.1

(Oü r l/ rege/).

Iclc ktmpositiv }

Beispiel; enpelare Atombi nd una

Reisp iel: Na · + · q

--Jo

5.3

11· + -H ..... I H I

Na ' + I( ' W

!küp;"-I: ~l

..... ~I "' + : e'

Beispiel: polare .\ tom bind una

;~~: . (@) -@ "0 @ ~ ~ \:§!J EIcklroslalis.:he ('OULOMIi- Ktiifte zwischen An ione n und Kalillfll'fl

11 · +. Q: pos,I,.. A_k~

--Jo

ne cu

.......

.-L ~

reY0~ - --- ~-~k!A Gen emet e quanten mec hanische Austauschlrli lle (ValenAtiille)

loneukr istalle (SlIl' l'j

\Iolt"'ült

• sall artig

_ flüchtig oder _ makromolekular

Alomr(lmpfe n

.\ lu m!=,iu C'r (Valcnzkristalle)

_ diamantartig oder _ glasartig

~ ( - }t -7:\' - - ~ Il-I~ ::~ "i~F-o :3-~ ~ ~r -pt -);1 -J:!-< /". I ~"· I =q. V \ . ~. -'r.5 - l;!

( - 1:[ -1::/ - ~ - "-I~

~

?,

11

0

••:r.

0 H

l'l lt' li'l·h l' Yc rrorm bltr"'cit :

schlec ht.

schlecht. spröde

Thermoplaste gut

Sc h mcll__ u"d S il-dq . u n"'tl': hoc h

niedrig

::.o.~

r -_.t_"

. ... c -:

"",.",-~

~ 5.2.5 schle cht, sprildc

durchsichtig

Uch p k lC' mi l Gi Uu tn l'!'l:it in U /mo l )l.:a('1{71l0). I.i F (1039 ). c so. NaOI!.

sehr gut. duktil

sehr hoch

Isolatore n = Nichtleiter (Grafil i, 1ei n Elcktro ncnlcitcrj durchsichtig

Uxid- und Silicarkcremik

• metall isch

" ' " f," l n

- • -'t.!J.'----'C-t:

Elekt rbcb e I .t il rlih ij.:...eit: Elektrolyte = Ionenleite r in Schmelze und Lösung

ungl'fichtele ('OUUlMB-Krä!le zwischen U cL.lnlfll'flgas und

sehr gute Elektronenleiter

undurc hsic htig ~ 5. 1.3. 6 5

CO!. Ib Hr!. CII..

Oiamant (7l8 ). Si(, /'IOa ( I09). FeH02 ). W (879 ).

Ik 'fl101. Stärke. Kunslsto lTe

( 1 1 1l5 ). B ~ .Si. Ge.

Quarl4 lIan~lo lfe

Ilalbml1alle.l .egicrungl'll

11

72

I Allgemeine uml Allurltillli",hc C hemie

... Exkur-c: Tb corte der che mische n Bindung a ls Fcdcr-l\la ssc-S)'sll' ßl Die chemische Bindun g in Salzen ( Il ie NuCll und Molek ülen ( 1\ ic l lel ) \ crhiill sich \\ ie ein .. nh arßl"ni~h c r (h/ ill lllor. n ie Atome ziehen s ich gcgcnschig ele ktros tatisch an. Erst bei geringem A!:tstan u stoßen sk h die Elektronenhüllen ab. Es stellt sich ein Gleichge M'i chlSubsl
bei Stauchung der Bindung i!'>l größer als bei Dehnung um denselben Auslenkungsbetrag.

A lk in für ... inl:it::o;

A u~lc n"ung"n i~1 die S<;h\\ ingllllg anglo.'Il11hcn harmon isch. d. h. die rilcktreih.:.'O
[ -"-"J

Uc, ) = /) · I - e

mit

~

~

1l = ~---iD

Die Hind ung kann nur disln.'1e Sch\\ ingung..... zustllndc (/;"l1I?rgieei1tef/w ent) einnehmen. E "",(l')

(hfo)' ( 4 lJ

= hfo (,'+* ) --

-

• \'++, + ... •

,'Seh" ingungsquaflWß/ah l 0- 1: Grundo;ch\\ inj,\ung

' .0

"

... Das Chlorn
do.T FeJerI.:QIIS/ante .t = 481 Nzrn, 0 " 1.<j.IO'o m", D " 434 U lmol . Im rohenlkn Schwerpunkt lII.-rnd1t fiktiv die n:dW'icne \l as~ ... =

mHl'lo l( mw mol = 1.6 1-104 1 kg. Ham it ergi b! s ich die Frequenz

-t;JUIJ.

11/.

der Grundsch\\ingung/o . . 8.7' 10 'las d..'f wen..." Illänge I. = dfo = 3A6 um im Inrr.ll'I.>tb..'TCich ( \\'3rm,:st r.lhlung ) 0

cruspricbt.

~ ~

.. Analog kan n man die lon.,'ll llindun g im "':o c hsall NaCl lx:rcrhll\.'I\.

0 -2: Cl'>ICo tlo:l"!.Ch" ingu ng

.: n t~i, u mr« hnu n ~:

0 - 3: ",cile Oll<.'1).Ch\\ ingung

I J : 6.022 1· IO!\o U /mo l .. 5.034 1' Uy l'lm " '" 6..24 1S· IO' • ev

\" rrrormU Dj: ti n ~ Koc h..alJ:l.rh llills

• Spannungsfreier Zusl;md :

Am Pot..mtialminim um beim Glcichgcw ichtsabstand rQist d ie res ultierende Kran (Ableitung des I'ulentials) null: F . U~ r,,) = 0

• n ie elastisch.. Dehnung eines Salz kristalls ist nur begre nzt möglic h.

Eine äußere Kra ll F oder Zugs pann ung n crvcug t im Kristal! ein Verformungspote mial. das "ir uns geometrisc h a ls Sc hie lstcllung der Pote ntialk urve vorstellen können: I' _ - fol , ·rol "' -er 1'02 (r _rull Im gespannte n Z ustand \\ in.l d ie " mit ma ximal: U'r ) + " '(1') = O. Für Na<.'1ist dies beim Bindun gsahstand r '"' 2.11<)' 10' 1" rn erre icht.

• l:."IlI.\·/i=iftit.,·l/If/(11i1 10":

d ie auf d ie IlInuun gsljjnge r" bezogene Krümmung der l'otcntiulkurve im Minimu m. .. 5.7.2

• lJrlldult'hmmx .·1: der Wende punkt der l'otcntjalkurv e

.

f.

I

U"( x)

U" (fb)

2 0
k · ,·"~

=-;"O + U '(.l l2) \/2 = -~--' -,-,- =-~-

Na<.'1mit J) '" 4 I I U /nm l. 1',, " 2.112' 10·1<1 m. k = 12U N/m erre icht bei e ine r Ver form ung au f I' = 2.11')· J u" rn theore tisch e in li-Modul von 2.5 6' 10 " l'a . De r sprllde Kristal l bricht Irtlhcr! U "(r ) = 0 ist erfüllt 1llr ru = r" + In 21(1, Mit (I =9.4· 1 0~ und r B= 3.6 · IO· lO m \\ll re:

A ",~",26% ~

Der spröde Koc hsal / kristall bric ht \ orhcr! mit J.l "- 0.3

• Dicht e p eines kubischen Giuces

= _._11_=

r

2.\"Ar~

(23 + 3S.4S) g1mol = 2 2 - 'cmJ 26.023. 1(l2J mo l ' l .(2.112 . I(l 'cm )J . I!'

Der berechnete We n

trim die Dichte \ on " ochsal,

gcnau.

5 Cbcmiscbc Ilinllung und Struktur

73

5. 1. 1 lunen werti gkeit

'Y A hlesen d t r lo nenl\ trti ltkri l llus de m PS. :

Die Wertigke it bestimmt die elektrische Ladung ei nes Ion s. Sie entspricht der Anz.ahl der Elektronen. die e in Atom be i der Ionenbildung abgibt ode r aufnimmt. • 1\1("13 11(" sind elektropasitiv; sie geben Elektro nen ab und bilden Katio nen. Ihre lonen w ertigkeit ist po sitiv. • Nic htmetalle sind elektronegauv; sie nehm en Elektronen auf und bilden Anionen, Ihre lonen w ertigkeit ist negativ , Die stöchio metrische Wert igke it eines Elementes gegenüher Sum/rJ.lojJ ste igt mit den Gruppennummem von +1 b is + VIL Die Wertigke it gegellüher lI 'm ser slojJ sleigt bei den Metallen (Gru ppen I bis IV) von ei ns b is vier und bei den Nich tmetalle n (Gruppen V bis VII) von - 111 auf - I. In wäs sriger Lösung sind typisch lonen w ertigkeiten von +1 bis +IV (Metalle) bzw . - I bis - 11 (Nich tmetalle) stabil. Höhere Wert igke iten kommen in Oxiden und Sauerstoffsäuren ( Komplexionen. " Kap. 7) vor . Ht'isIJit'f..: II~ d rill t der II MUl'lll,rul' flC'n rkm rnl r der 2. Periode. Wasseestoff zähh ~q':ennht..,. eleklrop.lSiti\<.'fl Ejcmenten - I und gegenilb...,. elcktroocgativcn Elementen +1. -I

_11

. 11I

. IV

ele l tml'0si ti\ ••1 -- - WasSl:r">toIT als Hydrid 11

- - -

- Ill

- 11

-Ha upt grvppen

•

.e ~

I

, 11I

.1

Kationen

Anionen

+1

Fluuri d ( hlorid Brom id 1t.ldid

Alkaliionen !.i' . Na' ,K'

_ \"I

Ammonium Nil:

_VII

Die Übergangsmetalle (N ebengruppene temenre) bilden typ ischerwe ise Ionen mit mehreren Oxidationsstufen (•.Wertigkeiten"). indem sie unterschiedlich viele Valenzelektronen der zweit- und drittäußersten Schale abgeben. In wäss riger Lösung treten häufig sweiwentze Ionen auf. In Oxiden und Sauerstoffsäuren wird d ie der Gruppen nummer entsprec hende höchste Wertigke it erre icht. 1I,' i.''l' id (·; ""khlige lon" n\\ e rt iltkei ll'o der f' he rgll nltSmehllle in wässrige r Lösung. Reg ulär sind häufig nur Kom ple xione n stabi l.

Gruppe IV h: Grul're V b: Grupre VI b: Grupre VII b: Grul'flC Vlll b: Grupre I b: Gruppe 11 b:

n" ,

I'tCl~:-

s-

Ausnahmen

1 '

Fe l' , Co:,, Nil" l' d1' , I,e ' Fe" , Ru" Cu 2' , A u)'

Nome nkla tu r. Salze werden aus dem Namen des Metalls, des Nichtmetalls und der Endung - id benannt. Säurereste und Komplexanionen enden auf - a t. "" .2

er

M

f

-I

er Hr I

"~ droüd O ll

0 2-

'"

(h id Sullid Selen id

+111 Fnlmt: lalle n", AI-" ,

Nitrid N)- - 111 Phosp hid 1" Arsc nid I\SJ-·

Ga" , In" Sc ltcncrdm cl alle

- 11

s" sc"

Sc·. .. v" .l.a" Lanthaniden

re", Nd' " 1:lr'

- iv

Sn

,.

Pb"

CmN d Silid d

C~

sr"

-".

Gcrmanid GI."

v"

o' Mn

0 0

Beuplek: KaliumbmmitJ "-ßr Hariuml.l'\id HaO l.ithiumnitrid l.h~

Na 10 -+ I\Ig O -+ ,\ 110) -+ Si 0 1 -+ I' 1 O s -+ S 0 J -+ CI : 0 7 zunehmend e Weni gke il des Zer uratatoms ..

Regulär Zr" , I lt~ ' V:O ,Cr()/ -, WO/ I\InO, -

..

-,

. 11I . 1\ ' ' V ' VI . VII - IV - 111 -1 1 Si ' ~ . AI '

U tm tnl\ t rbi nd unl:r n \ktall ... NichllTll.'1all + fndun g id

--+..

' \'

-"-------J

'Y \\trtil:"titta und Ikn tllnunl: \ on S»ln n

elc ktroocga tiv Wasserstoff als Proton Ir

. IV

. 11

" "

(h id t der Ibu pl ll,rul'l>rnrltm rnlt der 3. Periode. Saucr'>lulT ist in Dxiden stets - Il-wc n jg. . 11

Mtla Ut t lt ktropasit iw

U ..ll ron tn.u rn..hm t ...... l:I..L.lr......n.. h~ .. l'>t

l.i ll -+ Bell : -+ Bl h -+ C11 ~ -+ N il ) -+ 11 10 -+ 11 F

.1

Nict>tllltlllltt tlt kltcl'lf'Qct iw

L--

.,

11

•

l

:lrri icht nlerIl11U\ idr (- i") Slluenl orr~urrn und ihre .\ niunt n (-.. l) &'-'1>11'1<'.

+,.

N in N!Ü

(hlurdlo\ld Kaliumnitrat Calciumsulfal

( 101 !\ l\() ,

Ca' O ,

ll S O .. !'\O..-

P in 1':0 II ,J'O.. I'O~)-, e benso A s +\ -1 S in SO... II:SO.. SO,: ,, d'1<.'1IS(l Sc

I

I AII\:emeine und Anurganische Chemie l/;,i.l{li.-l.·: \ 'lllcnJ" lrichf" r-mefn vcrdc uulchcn die Bild ung von Salzen. Die Zahl der valcnzclckmmcn - die wir der Gruppennummer des I'SE entnehmen - schreiben wir als I'unkt e um die chemischen Sym bole berum. Das starker elek tronegative Atom reißt die Außenele ktron en des ele ktropositiveren Atoms an sich. e Das .I/duf/ gibl Heklnmen ab und win.! Tu rn Melallkatil.m. Das Xichtnl",,,/I nimmt Ud .tmn,.'l1 auf und bildel ein Anion. neide erreic hen die stabile I:dd ga....schale (Elcklnltlcnoktelt). In Cilll.T IOIll.'l1H;rbindung ist die Zahl dl.'T ahg\'gcr...'OI.'l1 Elcktrlll"k.'l1 glck h dt..T Zahl do.T aufg.......1I11mCIll.'l1 Elekuooen des Partners. Die Ionen w ........s..'l1 mit positiv er (+) (1(\0.'1" Ill.' galh cr (- ) Ladung oben rectas am d ll,."1I'I ischl..'l1 S~mbo l gekennzeichnet. Komplex gebaute Ionen d ürfen \\ ir auch in eckig e Klammern I...J setze n. e Eine Ionenbind ung triu e in. wenn die Elektronegatn'i/titsdijferen: der Bindung....partner mehr als <1EN = 1.7 beträgt. Die erugegeng.."St.'Vl geladenen 10n\.... J:iehl...... sich dann im Kr istallguter c1dal"\lslatiM.'h an.

Beispiele: Valenzstrichformeln nach I.l:O WIS

Na·. ·g:_Na e+ :g=-

CI

+·Ö: -

ea,e + :Q: '-

2 Ä! '+3 'Ö' :Ö;J- + A1 h +

:9.;'- + Al

h

+ :Ö: J-

Bindungspanner

MX

0.'

N. CI

e, 0

AI 0

+11 - 11 +111 - 11

J.O 1.. J.'

LI

I.'

2

J.'

2.5

5.1.2 Koordination szahl im Ionengitter Im festen Zustand ordnen sich die entgegengesetzt geladenen Ionen möglichst dicht zu einem regelmäßigen . räumlichen tone ngiuer an. In diesem wirken die elektrostatischen Co ur.osm -Kräfte gleichmäßig nach allen Seiten. Die Zahl der Gegen ionen. die einem zentralen Ion direkt benachbart sind. wird als Koordinationszahl bezeichnet. Nach dem Verhältnis der Ionenradien ergeben sich unterschiedliche Gittertype n. Gittert) p. Kocrdinanon szuhl

Polyeder (0

=

Die Koordinalitlllv ahl hangt \ um

das Radien\ crMltn is \ 0 0 I ; I ab. trcte'l1 komplizh,:n\'TC Gincr auf. in denen Anioocn und Kalioocn unt<.'1">Chi<...tlkhc KZ zukom nn . L n. INaC!lo . (ollal.'\Irisch) ISiO; (.. : U..' tnllcdrisd l)

Gittcrkonstanrc)

vcrh ähnls der Itlncnr.KI icn "A I r U

Z inkblende

InS

0.22 ... 0..11 Tet raeder

Natriumchlorid NaCi

OA1 ... (J.73

r,

Oktaeder

F äsiumchlorid

CsC!

,

12

0.73 ... I

dichteste Kugelpackung

Verh~ltn is

der Radien \On Kali(m und Anil.lll ab. Weicht

>I

"

5 Cbcmiscbc Ilintlung und Struktur

5.1.3

.

Beim Zusammentritt der Ionen zum Ioneng itter wird d ie Gitt ere nergie (Gif/erenl"alpie ) frei. S ie ist in der Natur d ie Triebkraft für d ie Bildung von Sal zen! Bevor festes Natriumm etall und Chlorgas ei nen Koch sa lzkristall forme n. gehen drei energiezehrende (enJollwrme) Schritte voraus. I . Festes Natrium verdampft oh ne Umweg über d ie flüssige Phase in den Ga szu stand. Dazu w ird d ie SublimaliOIlW'nlhtllp it' ben ötigt : + I09 kJ /mol.

2. Chlormoleküle spa lten in zwe i C hlorato me auf. unter Au fwand de r Dissoziaüonsembatpie: + 127 kJ/mol (CI) .

3. Atomarer Natriumdampf bildet Natriumionen. wenn die kmisieru ngsenthaipie zugefü hrt wird: +49-1 kJI mol. -t. Das gasförmige Chloratom fängt das freigesetzte Elektron ein und w ird zum Ch loridion. Dabei w ird die EJelarOtJf.'llaffinilii1 frei: - 365 kJ/mo!. 5. Natrium - und C hlorionen treten zum Kochsa lzkrista ll zusammen: die Gittere nthalp ie wird frei : - 768 kJ /mo l. Insgesa mt wird d ie mula re Blldungsenthafple von -103 Kiloj ou le j e Mo l ( I mo l = 6.023 '10 23 NaC l-Moleküle} frei. 2 Na + Ch _

2 NaC I

MI:

= ---t03 kJ/mol

(k r 100.:\ f bede utet _Hi]J ung- (eng!. j or mtl/iOl/). die hoch gestellte Null Standard bedingun gen (25 °C = 298.15 K und 1013.15 rnbar),

5.1.4

.

.nOR' IhHfR k:n .ls l, roLt"S!>

Cittl'rener~il'

•I

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;; -I

Na· l

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0

EI~kt l'Qllfn.

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El'I!halpoe

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""'_,~._ E"t holpot

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Noisl • J. (1,1,1 Bi

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Ha(f (sI

o Teilschritte.

S

r.."'SI..T Zustand. g gasfi'lrm ig

Berechnung \tlll fi illcrenc rgicn

, ,.(;0_ _

t:

,-

..,'f • tt _+ ..... + ·1- t:-~- ...... " ar

,

Die Summe de r Enthalpieänderungen in einem Kreisprozess ist null.

Hydrutatiun

Triebkraft der guten Wasserlöslich keit vieler Sa lze ist d ie Hydratation: d ie Umhüllu ng von Ionen durch Wassermoleküle, wobei die Hydratarionsenthalpie frei wird. Im lnnem ei nes Ionengitters sind d ie Anz iehungsk räfte ausgeg lichen: an den Auß enzonen strahlen sie gerichtet in den Rau m. Wasserdipole werden angezogen: deren Sa uerstoffatome lagern sich an d ie Kationen des Salz kristalls an. d ie w asscrsto ffa rom c an d ie Anionen. Gelrieben VOll der Wärmebewegu ng fliehen d ie Ionen aus dem Git terverband : das Sa lz dissoziiert (zerfallt). Im fre ien Wasser werden Anionen und Kationen dan n vollständ ig von Wasserdipo len umhü llt. a lso hydratisiert ( .. 5.5.2). Man schreibt aq ..aq uorisic rr' für ..von einer Wasserhü lle um geben".

NaCI _ Na;oql + CI;oq) Übersteigt d ie l(rJralaliom e/flhalp ie d ie Gitterenerg ie. erwärmt sich d ie Lösung. Andernfalls kühlt die Lösung ab und ein Energieeintrag d urch Rühren w irkt förderlic h. In anderen Lösu ngsmitteln al s Wasser sp rich t man allgemei n von So ls a ta t le n und Sotvatauonsenthalpie. Hyd ratis ierte Wasserm o lek üle. die ins Ionengitter eingebaut werden. nennt man Kristauwasser {Hydratwasser).

l.ü s ungscnth alpie

>0 - 0 <0 L.ö sungs. . w ärme

Be ispiele

NaOlI in IbO r-;..C1 in II,.() AhkOhlung

11

• 365 kJ/1I>Ol

NlI 19I · (Ilg1

I)

Q

,

I

~'"''JI''' 3 10000isltl'ungsEnthalpie

! 236

• •

) .~- . Cll

S II.C1 in 11:0

11) tlralalitllls"'ß thalpie

(filterenthalp je

76

I AII\:clncinc und Anurganische Chemie

5.2 Atombindun

kovalente Hindun )

Mol eküle sind Verbind ungen von mind estens zwe i Nic htmerallatomen. die sich e in oder mehrer e Bindungsele ktronenpaare teilen. Zum Aufbau eines Kristallgitters fehlen fre ie Bindungen. sodass Molek üle meist flüchtig sind. also niedrige Sc hmelz- und S iedepunkte aufwe isen.

Ik ispic1c lllr Alomhindungl.-n • wasser II ~O. ..lm",flni(l~' NI h . ,'i<:h1l'efd'n/s.,erstoff ll :S und .If" fhtlll CII. sind freie

Mulekülc ohne ein übergeordnetes Gitter.

,-

Eine polare Alombind ußJ: liegt vor, wenn das gemeinsa-

me Elektronenpaar zum etearoneganveren A tom verschoben ist. L B. bei Chlorwassersto ff, Wasser. Ammoniak . Polare Mo lekü le haben e in permanentes Dipo lmom em.

B

J.I e q'r

}.L

Au s dem Ebl-Unterschied zw ischen den Atomen kann man den Bindungstyp ablese n.

!J.EN = 0 sy m mc t rfsche Atom h ind u ng Iz, a.H, 0 :. Nl' Ch) !J.EN < 1.7 pcl a re A lo m bind un~ (z. B. !In 11:0)

eu. NaC!. K.•O)

sss » 1.7 Ionenbindung

Rf.'i.,pidl!: MXist tllr binäre Bindungen X- Yan gq:ct>cn.

MgCb

AICl!

SiCb

I'cb

SCI:

Cl:

3-0.'1=2. 1 3--1.1- 1)1 3--1.5=1.!l 3- lJl =I.2 3--2. 1'"11.9 3-25=0.5 3--3=0

Ionenbindung

-

....-..-

Dipolmoment (em)

Die Eleklrone23 li\ itä l (EN) nach PAUU l\iG misst die Fähigke it von Atomen. in einer kovalenten Bindung Bindungselektronen an sich zu ziehen. Dies steht dem Nichtmetallcharakter und de r Tend en z, Elektronen aufzunehmen und Anionen zu bilden g le ich. .. 3.6 Die höch ste Elektronegativität zeigen die reaktionsfreudigen Halo gene (voran da s k leine. aggressive Filloratom ). die geringste die A lkalimetalle.

NaCl

.

q Ladung (C) r Uinduogslängc Iml

----+ polare Atemhindung - . . Atombindung

I\lIlUUloffe silld Makromoleküle mit einer {!.roß..'II IJanu"rc itc \On Eigcnscbafien. • AlomKiller [wie bei I>iamanl Siliciumcar· bid. Ilom itrid. Silicium I hiltk-n stabile. , iLT· fach koordinierte, regelm äßige Raumstrukturcn ,on auß..Tunlentlid ll.'1' JUrtc. • Gldsl!r als ..ulllcn. ühlte Flüssjgkeucn- bil· den am.lfl'hc Kristall, erbändc mit einem jonischen A ntei l (1. 11. Na· im Quarl{!.las). • c...:mischtc At'lIll' und l.lIll-nhindullb,,--n {!.ibt es in 1.: omple.n'erhinJu"Kl!n " ic "'.IFe(CN ~I .

Fluor Nichtmetalle lt albmeiallc M<:tanw tallc Mctallc Cäsium

EN - ~ . O EN > 2.5 EN 1.&bis 2.5

I:N 1.6 bis 1.& EN < 1.6 EN - 0.&

5.2.1 St rukturformeln nach t.rwr s Ein bindendes Elektronen paar verkuppelt die Elektronenhüllen der beide n Atom e. D ie Elektronenp aare. d ie nicht an der Atomb indung teilnehmen. hcißen ji'eie Elektronenpaare. Die ()klelfre~el (... 3,(1.3 ). wonac h die Elemente durch Elektronenau fnahme oder -abgabe die stabile Edelgasschal e anstreben. w ird ansc hau lich. wenn w ir von j edem Atom vier BiJlJUII~ss lriche (e insch ließ lich der freien Elektronenpaare ) abzä hlen. Jedes freie Valenzelektron wi rd durch einen Punk!. j edes Elektronenpaar d urch e inen Strich sy mbolisiert. Strich e zwischen Eleme ntsymbolen bedeuten bindende (g emeinsame) Elektronenpaare. Die ßindigk eil bedeutet die Zah l der von e inem Atom ausgeh enden Atombindungen . Die Bind igke it und die Zahl der gemeinsam en Elektronenpaare bestimmen die Bindungso rdnung. d . h. ob eine Einfach- oder Mehrfac hbindung vorli egt.

- 0-

- CII

2·

o

I

2

t,

I

bindig

3

freie Elektroncupaare

I' infa<:h· bindu ng

Do ppel. bindung

·2· +·Q·

--l>

0 =0

TalSlk:hlich licgt t in Biradikal ' \Ir ( ~ K)..Th.:oric. .. 5.2.21

Dreifachhindung .. Au." filhrlid l<: Anl\ l-odung von StrukturfeemeIn im Teil _(bf, anischc Chem ie-

5 Cbcmiscbc Ilintlung und Struktur

5.2.2

77

Atom - und J\lolckülorhitalc

1.(:.\0 l.inear Combinotion ofAtomic Orbi{als

Die quantenmechanische Modellvorstellung erklärt die Atombindung als Über lappung der Valenzele ktro nenorbi tale zweic r Atome. Diese Ato mo r b ita le (AO. " 2.7) we rden mathemat isch zu l\to lekü lor h ita len (MO) komb iniert. - e-Bindungen entstehen du rch Überlappung von s- oder pAO in Bindungsrichtung. z. ß. in Kohlenwasserstoffen. • r -Bindungen ernstehe-n aus r-Orbitalen. die nicht in Bindunnsrichtung stehen. z. B. in Ethen. Acety len. Benzol. Die :\IO·Theorie erklärt. warum Wassersloff in de r Natur molekular vorkommt . Die zwei ls-Orbitale der H-Atome überl agern sich zum bindenden und antib indenden Molekülorb ital des IIrM olek Ols: die stabile c -Bindung entsteht . Ein HeliummolekOI He! g ibt es h ingegen nicht. weil es mit keinem Energievoneil verbunden wäre . vier s-Elektronen in ein 0' und ein o·-MO zu setzen. Ebenso s ind die Halogene (F!. C I!. Br!. I! ) molekul ar stabiler als atomar. Moleku larer Sallerstoff( O!) ist ein Biradikal und paramagnetisch (.. 5.4. 1). weil zwei ungepaart e Elektronen in den 1t--O rbita len vorhanden sind. Die Bindungsordn ung ist 2. Im Slicbloff ( N~ ) liegt eine Dreifachbindung vor ; die Bindun gsordn ung beträgt J. .\ - .\-IJ -

8 in,ft'lIde.f ,\fO (b): Add ition I \. cicr AO er1':UJ!.t eine anziehende Wechselt. idung. Amibindendes .\10 (abi: Subtl""Jktion zweier AO eTlcugl eine tl bSlofJn"f.· wcchsclwIekung. .\ "icll/billd"' I(les .\10 (nb): Freie Elektronenpaare nchm..'ll ander Ilintlung nicht teil.

Die mn tlung...,nl nung b.,."'SI;hreibt den Grad dcT Atombintlung als Eintach-, Uopf'Cl. oder l>rcifachbindung.

no•

==='-"'= ='---'1

f.infacbbintlungt.T1 sinti o-Hindengcn, l)oppclbintlungt.TI bC'sld lt.'ll aus etrer 0 ' und eiOt.'f II. Bindung. l>rcifa.:hhindungt.-n bc...lehcn aus einer 0und zwei li-Bindungen. SaucrstolT i~

ein lJir.to.lil al:

Oie U" ppclbintlung ist fal.....h:

p-p-o- Ei n fac hbi nd u ng

f. i nfac h bi nd U"2

"''''', )- (~';bi""''''') (Hbücktruoen Uel tron..'ll

.\ -p- 6 -

Q+Q Q- Q

F.in fac h bind u n 2

Chlor

Dbcrleppung , on s-Orhitalcn

Obt.'Tlappung von p-Orbilalcn (in Bindungsri ch tung}

Jed es II-Alom erreicht dic He- Schale.

Jedes Cl-Atom mit der Ekktnlllt.'llkonfigu- 11 erreicht die He-Schale. nnion Isl 2s12p' erreicht die Argonschale. F tlic Ne-Schale.

0 -0--0 H'

•

'H

H;H

Ob.:rlappung \ ' 1fI s- und pOrbitalen

-

ICI - + ' C1 1 ..... IQ- ClI Bindun gsordnung HO

MO<.Cl, l

1\0(<.'1)

=

11 · + ' [1 -

( b - -IV2 - I

-

u- El

110 "'( 2 -0)12= 1 M O(lI F)

A ()~C I )

AOO I)

AO( F)

ob

HH t

3e'

HH t

t

Hindungsordmmg: 110 '" (2--(})/2"'1 AO(lIl

MO I b ) o.

b (J

2s1

(I

I .f !

[ID--ill]

AO(II)

[ID--ill] Die unieren Elektronenschalen bis zum Edelgas Neon sied nicht einge/dehnt.'!.

1"_

Das und ",-Orbital de"S 1·1uol'S sind nicht bindend.

11

78

S.2.3

I AII\:clnc inc und Anurganische Chemie

Hybr'idorhitale und l\1olckülgeometric

'Y Eid••run rn flall rah \ lo8 unl:\ß1otldl

"

Das Elcktronl'npuara bsloß ungs modell - oder GIU.[SPI E· Modell. Tetraedermod ell. VSEPR-Modell (vale nce shell elect ron pair repulsion) und d ie rn-Theorie (valence bond, Valenzstru kturthecrie) - setzen d ie Oktett regel bildlich um.

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Tcu....:dc rwinkcl ( 109" 2S' ) sinkt

Vier Liganden (gebu ndene Atome ode r Atomg ruppen) ordnen sich in großtmöglichem Abstand um ein Zentralalom. Die großen freien Elektronenpaare am Zentralatom stoßen sich maximal ab. nie Bindungspaa re (en g l. bound ptlin) nehmen die restlichen Positionen ein . Dadurch entstehen

Die freien Uckto >ncnpaan: (cngl,

bestimmte. räumliche Molekülstrukturen. .. 5.2.4

S~mllol:) gc hcn aufgrößlm~lictK."Tl Allst.md

Abstoßun g de r l.i gandcn steigt: IIindcnd ·hi ndc nd < hindend-frei < frei-frei 1(N1e

pairs.

I,on.:inanJ..t t, Uah.,.T weichen d ie Biod ungswinke! vom gt."
Hy bridorbita le erklären die Vierhi ndigkeit des Koh le nstoff.. tom s. Mit der 2i2p2_Konfiguration des zwe iwerti gen Grund zustand es kann sich nur ein Co-ben :CH2 mit einem freien Elektronenpaar (:) am Kohlenstoffatom bilden, Es ex istiert nur als kurzl ebige Zwi schen stu fe. Im -r-bindigen Kohlenstoff wird stattdesse n ein Zs-Elektron in den lpz· Zustand angehoben. Die Anregungs- oder Hybridisierungsenergie wird durch die Bindungsenergie weit übertroffen. Be i C==C-Doppelbindungen bilden die nich tbindenden pr: Elektronen e ine x-w elk e obe r- und unterhalb der Bindungsebene. Bei Co;C· Dreifachbindungen " versc hmierendie nicht b indenden IV und p,-Elektronen zu einer ringförmigen x-w otke um d ie Bindun gsebene.

Ein c1cltmn..: gather l.igand \ crl.:lcilll"TI d..."Tl Ilindung.s\\ inlcl. Eine UI.lJ'PClbindung \ ergröllo.TI den Bindungswinkel. I>oppc1bindungt."Tl \\ t.-..den durch trigonale Zernralatome vcransch aulicfu, Dreifachbindungen durch lineare. ll~hrit.li,i trun 1!: b..'Ik'Utt." _Vcnnisd tung- d ie marbe metischc tincarlomhinatiofl von AtolllorbiLalo:n zu 1II,,'Ut.U t."Tlt.",icglciehcn oder I~d".idorbi/{/Ien (laI. h~hriJa " Misch ling ). Oh ne Il~ hridi sit.-rung ist die Vit.-rt>indigkcit d es Koh k nstolTs nie ht l-rLlärOOr. ~ 2.1. 10.1.

1I)'br idisicru ng und Mehrfac hb ind unge n hei m Kohle n..toffatnm o-Bindung

\

Gru ndtuslund

JpJ.Orb itule

v / -Orbita le

Ir-Wol ke

\

dJfr:iliJ

C C- DopJlclbind ung Reine ('--C- lind ('- I I-n-llinJ ung in

Alkuncn: Ethllll ll ,('--{' I h

o- Hindung

\

V'-( )rb italc

Ir-Wo lken

\.

~ r r 'r' "t' L.ll..!....l..!

C =C· l) r{"i f'll." h b ind UII •

Alkcucn : Et hen I b('=C II)

Eine 0 - und zwei a-Hind ungcn in A lkine n: Eth in H('..CIl [Acetylen)

('· Atom: Wi nkel : Atome: Ikispiel e;

('-Atom ; Winkel : Atume; Ikisp ielo:;

Kombinierte o-x-Bindung in

",. I,

(,·Atom : Wi nlc1: Atome: Bei spie le;

tetra go na l rcrrecd risch (109" 28' ) (' m it 11. C . Halog cn C I ~, CC4. ~ 1I .. lhO

trigonal planar ( 120") C mi tC. O.S ('O~, Keto ne

d iago nal linear ( I Sir) C mit C, N N:. II(,~ , Nitrile

5 Cbcmiscbc Ilinllung und Struktur

S.2A Hyb r ulurbital e mi t fl-F.kkl ro nen Die Elemente ab der 3. Periode befolgen die Oktettregel nicht mehr streng und nehmen zusätzlich Bindungsele ktronen in die freien d-O rbitale auf. Jeder Ligand am Zemralatom steuert ein Bind ungselektron bei. Für jede Hybridisie nmgsfonn bilden sich typische Molekülstrukturen aus. ßt'iw ie/ I : Wd che Struktur haben die Molckllle Ph_S F~ und SF/ ' Die fünf hzw . S4~IL'i valcwclckmmcn des Phosph or- bzw . Schwefelaiom s \ endkn \\ ir auf die .~ •• ~ und d.( )rt,il.lle der äußersten Schal e. ktJcr Fluo rl igand hingt ein Uektnlfl t in die kovelcmc Bindung e in. Ab zählen de- 1l) bri<.lurt>i tak l eigl uns die lI ) brid is ieru ng. 3s J 3d

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lri l:u na I-pla ns r ( 120" I: • _eh..'1lcs n reicx k-: SO ,. NO ' -. IJCh. lI g b -. e dC h-. coo; l'\ O~·1. T ~-<>3 . • {i~"\\ inl..eltmil freien 1:110.....1· roncnp;wn.'tl: SnC b

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(90" ): PtCI~l- . NitcNd - u. a. Obt.T· gangsme tallkom ple xe

.\ p )d

Irilton a1-bip, n mitb l (eq : 120". ax: 90" );

länger als die eqUCl/urifl/en ); tal~ hl ich 11uktuk'ft d ie Mo lek ülstrukt ur zwischen d...T trigonalen und der tetragonale n Py ramide. Eqeatori ul. frü her .Jl"!ualur ia r"". bedeutet seitl ich zur Ha uptachse srchende l.igand cn. 6

.l itt

Zwei voluminöse freie Elektr onenpaare arn Chloratom zwingen CII') in e ine verzerrte trigonale Bipy rumidc. wie es der sp',' . lI ) hris ierung entsp richt. n ie axiale Bind ung la x ) ist 170 pm lang. d ie cqu etorialc (cqj IMI prn. Der Wink elzwischen cq- und ax-Position beträgt RRo.

3.\. CI

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• 1'1', mit sp)d hilt eine trigonal-hip) ram idale Struktur {vgl. Tabelle) . • Sl'~ isl \\eg...'1l sp'tl okta.."l.irisch ge baut. • SI' ~ (sil'dl baul w...-glo.'tl des volumin ösen freien Eh:ktruncnpaares eine \cr/ ...m c trigoua le Bipj ramidc (d ie axtoten S-F-Rindungcn sind

Htti"l'it'l!: Welche Struk tur hat Clh?

,

Ip·'tt'

BrF~ iSI wegen d...-s freie n Elektronenpaares am Bromatom verze rrt oktaedrisch gebaut (sp'tf ). n ie ßiud ungslängcn beiragen 169 pr n la x) hl\\ . 177 pm (e q ). der Winke l zwiscbcn eq- und ax-Posinon 85".

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• PI'... I' CI<. st<"1<. F~i CO ).. . 1erzerrt: C1F). Die avlatcn Liganden sind länge r als d ie equatorialen. " klae dri, e h (90°1:

• sr; I' Fh- . SiI·} xeo,", ~1 IlCI") -

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Hl:iVlid 3 ' Welche Struktur hat Ilrr , ?

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quad ra li"l:h-linlip rh mlllil.eh: Ta F. J-. lrF. J-. ~ ltl(CNh.", W(CN h.~

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Iel ra ellri"l:h : CrO / -. ~lnO/-

11

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I AII\:clncinc und Anurganische Chemie

5.2.5 Atomgltrcr luaman tartlge StolTe veretmgcn auße rordentliche hohe Härte. Schmelz- und Siede tempe raturen . Diamant. Silicium. Germanium . Bornitrid BN. Borcarbid B~ C und Silic iumcarbid Sie kristallisieren in kubischen oder hexagonalen Atomgittern. Das Diamantgitter besteht aus Spl -hybridisierten Kohlenstoffatomen . die tetraedrisch mit vier Nachbaratomen du rch bindende Elektronenpaare eng verbunden sind. D as extrem

regelmäßige Gitte r der völlig gleichen o-Bindungen erklärt d ie hohe Dichte und Härte von Diamant. Im G rofit sind die Kohlenstoffatome .~p!-h) bri d isiert. ... 5.2.3. Die Kohlenstoffatome baue n benzolähnliche Sech sringe auf. die eben aneinander gekn üpft sind. Die nichtbindenden p,-Elektrom..-n der Kohlenstoffatome bilden ringIärmige Elektronenwolken. die über die Schichtebene ..verschm ieren", Zwischen den Grafitschicht en wirken schwache VAN- DER- WAAls-Anziehungskräfte,

Die "" crks to llc igenscha llen des Diaman rs sind im /ml, ( in alle Raumrichtungen gleicht die des Grafits j// l iSlJ/r (lf/: In den Sch ichte n ( S~mbol ll ) leileI ( irafil de n elektrisch..-n Suom und Wlinne nahezu so gut wie ein Met all. /"ischen de n Schic hten (S~mbol .1.) sperrt Gra lit die Stmm - und Warmcleitung. I>t.-shalb wird Gntfi l sowohl als Elektrodenmateri al wie auch a ls wärm cisoliercedc Of~'Il au,J,; lc iJun g verwendet. Unter Schubl:inll uss g leiten d ie Schichten le ichl aufeinander ab. so Gl'3fit als Sch miermatcl und Ik l
da.,,,

Diam ant Strukturell..T Aulbau Dreidimensio nale NevSlruklur aus C. -Sc sscln ((I.Bindunge n ): allc ('..('-Abständc g leich groß ku bi sch

Schic htstru ktur alls ebe nen C. - Ringen (If- Hindung..' tl) um] VAN-DER- W AAlS· "'RAFTE zwisch..-n tl..-n Sl.-hichlen

he xago na l A

B

Dichte: J~" ~r m) ele ktrisch er lsoll ltllr (lok a lisiert e Elektronen ] höc hste Wärmeleitfähigkeit aller Stoffe

• Schmcl/punkl >4(100 "C (unter Sehuvga~) che misch inen (rcaktilmstrllge. \I idcrs lands fiihig ) farb los. gllllvl.'tld. \\ 3.,scrld ar. stark lichtbrec hend • sehr hart. spröde

-

-

Eine hexagonale Mod ilih tion kommt in Meteoriten vor lind entste ht d urch Schoc kwelleneinwirkung aus Gra fit.

A

J

Dich te: 2,1 w r m metallische Leitfähigkeit: 6 1 : 15000 S/l.1l1, (JJ. " 5 Sle m • g ule Wärmel eitfähigkeit bzw. würmclsotator: }' I : IHO \\X·'m · I , },J." I!.1 W", ·lm·1 • ge ringe Ihcmlisehe Ausd eh nu ng: ~ I = --0.1 ... + 1.3. 1(1-11/ 1'. 20 ... 28.10-11/ ", • Einse tzbar bis 55(1°C ( I.un) bzw . 1500"(" (Sch utzga s) hh zc-. th..amoscbock -. kOlTus ion..hcst:1n<.! ig

ru. :

g.rau-sch\\ar/~

mexalliscbcr
• weich

.\ n\O t n d u nl:,t n lIan\Chichle n ffir Schlcif-. Boh r- und Schncidllcrlzeugl:, SI.-hm udstein

Gleit - und Si:hmil.TsIoff ( L B. IlIciSlifi-. T o ncrzu satz], Ejcktrodenmar..Tia l

5 Cbcmiscbc Ilintlung und Struktur

5.3

11

Oie metalli sche Bindun

Das Etc ktrc ne nga smcdeü erk lärt die elektrisc he und thermische Leit fähigkelt der Metalle . ihre Duktilität und ihren G lan z. Die Metallatome geben ihre Valenzelekt rone n ab und bilden positiv gelade ne Atomrümpfe. die durch das freie Elekl roflf:/1Ka.\" zusammengehalte n werden . Die Wärm ebewegun g lässt d ie Ato mrü mpfe im Metallgitter um di e Ruhelage sc hw ingen. Mit ste ige nder Temperatur nimm t der elektrisch e Widerst and der Metalle zu. we il d ie Gitterschwingu nge n d ie freie Bew egu ng der Elektro nen behindern. Absorption und Reflexion des sichtbaren Lichtes sorgen für den typ ischen Metallgl anz.

5.3.1

81

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E1~ ktrun ~nl:asmnd ~ 1I

Fli, nrid .·

posot

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Ht tDtbatltnl

lYIIltnl",kttclfttftl

~5. 7.2

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D

Krist a llstruktur der Eleme nte

Metalle bilden hochsymmetrische. dichte Pack ungen gleich großer Atome . Bei de r plastisc hen Verform ung gleiten d ie Kristall ebenen anei nander ab. Stabile Kristallgitter zeigen hohe G tn erene rg jen, Härten und Elastizitätsmodule sow ie k leine Wärm ea usdehn ungskoeffizienten. Metalle mit vie len Valen zelekt ronen b ilde n beso nders feste Metallg ittert Mit der lc ms jeru ngsen erg le der Atome steigen d ie Sch melz pun kte de r Metall e. Wol fram. Moly bdän und Chrom (ö-wertig) bilden d ie bä rtesten Mctallginer. gefo lgt von Tantal. Niob und Vanad ium (S-wertig). Diamant baut das stab ilste Kristallgitter übe rhau pt. Os mium bes itzt d ie höc hste Dichte aller Elemente. Im Periodensystem links und an den Flanken der Nebeng ru ppen stehen leicht ionis ierbare . niedrigschmelzende Elemente. Die e inwert igen Alk a limetalle sind beso nde rs weich und reakt ionsfreudig. gefolgt vom zwei wertigen Q uecksilber (Ilüssig ). Cad mium und Z ink. Härte und Schmelzpunkte nehm en in den Hauptgruppen von oben nach unten ab - ein dru cksvoll in der KohlenstotTgruppe: von Hartdia man t bis We ichb lei - in den Perioden zu (z. B. Rb - Sr - In - Sn - Sb).

-- -Gleltet>e ne .H~a..

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Versetzung

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s.~ .! lge nsc

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Maximum

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olle F1c~ l~lIr alle [h:- I~ur mcntc ~lcl a llc mcmc Metalle Os

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Schmclt · punkt

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energic

I.i

dehnung

E-\todu l

• Kristallstruktur d..-r Elcm crac. Tbeoric .. 5.6

I Allsc111 CIllC un

82

i

norgamschC Chcmrc

.... l\Ietallgiuer

Hexagon al dichtest e Packung (hdP) 1\1ag nesf u rnsr ru 1..1 u r

Kubisch di chtest e Pa ckung ( kd l» = fläc henzent riert {kfz} Kupfer- od er G o ld s l r u k t u r

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Kubis ch r a umzen t r ier t ( k r L) innenzentriert

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V

Sch ichtfol~c: .\ He _. C in Ol lal.-o...-r-, n in Tet......derl ücken KoordinatioflSl.mI: 12

Schichlfolgc: .\ H... B in Tctroo.xk rlOd:.en KZ 12

innervcntril.Ttl."S WQrfelgitk-r. voe vugsweise I1lr große Atome.

Padungsdichh::

Packungsdichte.

Packungsdic htc: 68 -4

F=

Z·1lV' 10 ' " 7~ -4

Z .. ~ Alon~ pro Ek..mcnlarlCllc 0 - 0.365 nm (iilll.nono;tantc (y-Fe) r = Atomradius

7~

-I.

Z .. ~ Atome pro E1cmentarl:c11c 0 '" 0. 163 nm Gitterl:onslaIllc( Mg)

K.Z 8

Z - 2 Alomc pro n .:rnl.'Illam..11c a .. 0.287 nm Gitk-o.onstantc Cu-Fe) r = .[ja I ~ .. 0. 12 ~ nm AtomradilLs

Die VelXhichu ng \on Giucn:tlCllt.'Il gelingt in den dichlest besetzen GleitetlCnen. mit dem gl.T1ngSIl.'ß Kraftaufwand. Die größte Schubspannung tritt in der Glcitcl...:ne ~5~ zur äußeren Normalkraft auf. Terresscn anige Surfen entstehen. ~ Glcilellt........n (Oklat.·.k...... bcncn} I dicht bese tzte Gleuebene in ~ Glcitd....-rl.:n '" Tetra....kn:tlCncn in in 3 Glcilrid llungl.'Il 3 Richtungen 2 R icht~'Illund """;Il.TCGI"";lS}Sl\.mc) =:> 12 Gleitmöglichkeiten (und weitere 9 Gleitsystcme}

leicht plastisch verformbur {Strangpressen, wat-en, Ziehen) weich. schmiedbar spanabhe bende ßcurbcimng (lJuhn:n. Drehen. Fräsen. SGgen)

sehr schlecht verformbar

schlecht verformbar

gieß bar gut zerspanbar

sehr hart. eher sprilde spanlose Formgebung

Beispiele und Il HI:'
Ni 70 AI.zinnjlt.'St « I JOe ).. 1'11 y -Fe. Rh Cu. Ag. A u

\k"Ssing (>37 '!-o Zn)

.. Re 250 .. Co 125 feste Edelgase. Be Ti. Ru seltene Erdmetalle Zn. Cd

I~

W. Ta

> ~ 50

Alkalimetalle u-Fe

V. "11. o, Mo

u-Mesaing Ibis 37 '!-. Zn)

5 Cbcmiscbc Ilintlung und Struktur

Das Krista llgitte r hängt von der Größe de r Atome und den Bindungskräften ab. d ie s ich entsprec hend der Wärm ebewegung ändern . Viele Stoffe wechseln daher temperaturabhängig da s Kristallgitter (Po(l'lI/orphie oder Allotropie).

83 .. Uru ch H rhl llen vo n " ·erk.\ torren Sprutle Wer k~torrC' 11i:~t und hart ); Herunela lle. Gusse isen. f..kss ing. Al-l.cgicnmgcn

Eisen kommt in me hreren Mod ifikationen vor: in der Kälte im wolfrarngluer. be i Rotglut im Goldg itter. ... 5.8.2 • Das isotrope raum zent rierte wolframglner ist hart. hoch schmel zend und schlecht plastisch verformbar.

• Das kubisch e Gl ue r von Go ld. Silber und Kupfer mit vier dicht besetzten Gle itebenen ist weich und bereits durch Hammerschläge plastisch verformbar. • Das heva gcn ate G u te r mit nur einer dicht besetzten Gleitebene ist dementsprechend sch lecht verform bar.

Ein MetallKilter verhält sich typischerweise zäh. ein Ionengitter spröde. Metalle zeigen daher allgem ein ein e große Bruchdehnung. Ionenverbind ungen e ine klein e.

• ZOhe Werkstoffe - typisch Metall - neigen zum Gleitbruch, der sich durch vorherige Verformung. Rissbildung und ein manchmal hörba res Kreischen ankündigt. • Spröde Il'erh toffe - typi sch salzartig - neigen zum

unerwarteten Sprödbruch (Trennungsbruc h).

5.3.2 Halbleiter Die elek trische Leit fähigkeit von Halbleitern liegt zwischen denen der metallischen Le iter und nichtmeta llischen Isolatoren . Eleme ntha lb leite r - wie Diamant. Silicium. Ge rmanium. Zinn - zeigen eine EiXt'nleilllT1X durch frei bewegl iche. thermisch angeregte Elektro nen. die vom Va lenzband ins Leitungsband wech seln und positiv ge ladene Löcher tm Valenzband h interlassen. Am absoluten Nullpunkt (0 K) erlischt d ie Eigen leitfäh igkeit des Halble iters. verbl ndu ngshat btetrer - wie GaA s. InP. ZnTe, CaSe ze igen e ine Sför.\ NllenleitIlIlK, die durch gezielte ,,Verunrein igung" (Dotierung) e ines Eigenle iters mit Fremdatome n herbeig eführt wird. ....Si Iiciurngiücr (Quelle: 11 MI ljcrfinI • n-Hatbleiter sind Elektronenle iter. Die Dotierung mit Elektronendonatoren erzeugt einen Elelaronenüaerschuss pn-l lotbleiter in f)ivcil'1I und (iteichrichtem in den Energieniveaus knapp unterhalb des Leitungs- bestehen aus /I . und ,)-halhlcilend en Senichbardes. Be ispiele für Elektronendonatoren im Siliciumg it- t<.'11. Die d ünne /m-Cirenl.lil:hidll ist 1a., t fre i \ lMl bewe glichen Lad ungsträgem . Ihre Dicke ter (4 Valenzelektronen) sind N. P. A. Sb (5 Valenzelekt- variie rt mit der angele gten äuße ren Spannung. ronen). Z\\ isehcn Pluspo l (j)-Schichl) und Minuspol • p -Halbleiter sind •.Löcher teiter' '. Die Dotierung mit In ) nic ßt cin Durchtassstrnm, be i umgekehrter Elektron enakzeptore n erzeugt Fehlstellen in den Energ ie- Polun g nur ein \\ inziger SperrMrom . niveau s knapp oberha lb des v alenzbendes. Beispiele für fIIII)- und "/",·/lalbleil er in Transistoren beste hen aus einem in Durchlassrichtung und Elektronenakzeptoren im Siliciumgitter (4 Valenzelekteinem in Sperrrichumg gepolten Gleichrichter. ronen) sind B. AI. Ga. In (3 Valen zele ktrone n).

I AII\:emeine und Anorganische Chemie

T E ner giebä nde r mod el l Le iter

Isolator

_\ 1 ~ 1 1l 1ll'

:"icht Oll'lllllt

Beispiele : Ag. Fe. llg

Il albleit er ()ol il'rt t Il alhld tl'r

t: i~~ n ha l hld tl' r

II-Illl ihleill'r

~ l llI lhlt i lt r

Eigcnhafblciter, dotiert mil n o n a ro r e n (P' ·. As· ·. Sb")

Eigcn halb 1eil...r, dOliert mit A k z c n r or e n (Al l' . n)·. Ga l-. ln lo ) J:'/d fNHk'nfüdt'

ßd.~fJit'le:

Hartgummi.

Beispiele: Diamant

GliOlm~.,.

Germanium

Ik mstein. (juar.r_ Glas.

Silicium

Selen

Cberschuss-

Keramik

Kupferoxid

e1elaro nt'n

""""""

va-lfni~~

Volle und jccre 1lanJ..., überl appen wegen der gcring\.'fI Eflf.." "ieunl\.". sehi\.>de. l>as Val\.-n..• band ist Idlh,:S\: tn.

Große Energiebarrie rc ror den Elck-

sehr klein. sleigl mu zußChn-.'l"':r Ternpcn nur

sehr hoch

tl'<.mcnü~ng

Valenz- in.s Leitu ngsband

\ Offi

Kleine , emotene Zone. die durch thermische öder Iceochemischc anregun g überwunden wird

Üb..TsChu..;,sck:urtlr'll,.-n I>.;fekldd.lmncnlcilun g: spring~-n in DoHüpfen d.., Elektronennatomi' ccus, cJ..'I'I.'1l ......T sldle t-t.och-J in ein Ann:gon j,l..s,:n':rt:ie AU\.l'l'll'1l i\eau nio..,Jrig\.T als bei Sil i· dum I":gl.

Spezifiseber Jl'icknland: s inkt mit .rundune nd..., Temperatur. Am\ cndun g: I lc ißlcitcr (Th\.-rmiston:n). NTC· Wid..:rslä nde

Das En eraieb ä ndermod eü erklärt d ie Stromleitung in Festkörpern, Durch Wechselwirkungen spalten d ie Energie niveaus der Einzela tome im Kristallg itter au f; sie entarten zu ••Bändern" . Jedes Energieband besteht aus einer Vielzahl von unmitte lbar bena chbarte n Orbitalen. d ie von je zwei Elektronen entgegengese tzten Spins besetzt werd en. • Leil /lIlK.\"hanJ : teilwe ise besetztes Energieband mit frei beweglichen Elektronen • Valenzband. letztes vollbese tztes Energieband. bei lsolatorcn und Ha lble itern ohne freie Energ iezustände • Verbotene Zone (cngl. energy Kap): unbesetzter Bereich zw ische n den Bändern • Die inneren I'()lIhe,~l!I=Il!1I Bander tragen nicht zur LeitIähigkcit bei: d ie Elektronen sind nicht frei beweg lich. Die Energiebänder überlappen auf G rund der Bandverbreiterung. besond ers be i großer Atemza hl (viel e Energieniveaus), kle inem Ato mabstand (große Orbita lüberlappung) und hohen Energ iezuständen (große RaumerfU lIung). Die Alkalimeta lle leiten metallisch wegen ihrer halb bese tzten s- Bänder. Be i den Erda lkal imeta llen überlappen vo llbesetzte s-Bänder mit ".. Bändem. Die Überg angs metalle und -metallox lde haben teil besetzte J · Bänder.

I "ef'l/t'llfli" h'IfIX: Nllhem sich zwei isolierte lJNa_Alumc [K onfiguration: I S12s12p~3s l ) von unendlichem Abstand auf den Kern gleichgewichtsahstund so überlappen ihn: Potential.... Die J s- v ulcn..clcktmncu-Orhitalc - in große r Entfernung enta rtet - spalten in zwe i Zuständ... auf: (J (bindend) und (J. (a ntibindend ). Be irechtet ma n viele Na-Atome. so vc rscluncl rcn d ie vielc n 2..-Nivc uus im Tenn schema zum Zs-Valenzband. quasi ein ..Encrgic kontinuum". Elektr onen sind Fermionen. die im Gegensatz IU HO.wIII"" grunds ät..lieh nicht dasselbe Ener gieniv eau besetzen können , Nac h de m l'AUl.I-I' rin/i p unterscheiden sich ..wci Elek tronen im Atom stets gcringfügig in ihrer Energie , d. h. in mindes tens einer Quante nzahl. Daher cutstehen keine schar fen Lin ien. son dern Energie bänder. lnfolge d es T unnele ffekts kann s ich ei n Valc nzclc kuon mit geringer \\'Ilhn;che inlichke il vorübcrgchcnd auch auße rhalb des zugehörigen Atomrll1lilals (AOI aufhalten. Das Moleknlorb ital (MO) er.
r,,,

as

5 Cbcmiscbc Ilintlung und Struktur

5.4

11

Koordinalionsverbindun en

Koordinations- oder Komplexverbindungen s ind bedeutsam für kataly tische und bioche mische Prozesse. Koordinationsverbindungen beste hen aus : • Zen/ru/ulo", .' ein Metall, Ha lbmetall, selten ein Nichtmetall , mit einem Elektronende fizit (sog. Lr wrs-S äure ) • LixolldclI: durch Atombindung mit dem Zentralatom verknüpfte Atome ode r Atomgruppierungen mit freien Elektron enpaaren (sogen annte Lewrs -Basen) Komplex an ionen und -kationen werden in eck ige Klammem gese tzt . Sie bilden mit unterschiedlichen Gegenionen stabile Sa lze.

Kllliumllt'.r'IQUlIO/emll( ll) und (11 1). ge lbes und

rotes 8/ uIIIIUKffl.w l: - früher aus Blut. Klauen

und Eisenabfällen in Kaliumcarbon atschmelze gewonnen < dienen zu r BI(IUSt:hOil/lll~ des WciJJ<:S; sie kompk xiel'l.'JI f~l."'rcndc IOI1~'JI (Fe. C u. Zn ). Her/irwr 81/1/1 ode r Tt JRNHULl S Blau \\ ird zum Eisc nrmecbweis gen utzt.

fc l ' + II:cK N )"Jl-. Fe)' + IFc(CN)..f" Eist'ntrithioeyanat. filmhtut aus 1'i~'JI( 1lI )­ chlo..jd und Kalium-

thi'"Il;) anat (Fc(II ..o )..,' · + 3 SCN-

I ( h( SC.\ b(II ~} ),J

+3 11:0

Ani o nl s c h

cr

('N'

F

"

Oll 1\0)-

0 1-

""~

cj ano-

N e u l ra l CO

carbonyl-

[l u.....u ·

h) lIriJohydruxonitrooxo-

aquanitros) l-

II ~)

1\0 N I!)

, ," 5

7

Ieinfache Ligand,.:n

I komplilierte Liganden

mOI1l~

ditritetra-

\ 011 A lum inium. .\ k lee/I ttrtJ('( Ir hon.l ·/ zur Nickelgcwinnung:

N i . ~CO-

NiKO).

ammin-

2. Zahlwörter: bei längerem Namen sieht der Ligand in runden Klammem . 1 2 J

Kryolith 1'IOa,(A IF. 1dient als SduTlcvsalz bei 0..... Ge\\ innungscle klro l) sc

bis-

ms-

pcntahexehcpta-

tctrukis pcnt akis hcxukis hcptakis-

uc ta-

octakis -

3. Komplexanionen trage n d ie Endung - ar am latei nischen Namen des Zentralatoms. Bei Kom plexkarionen steht nur der Elementname. 4. Die OxidmiollJSII!fe (..Wertigkeit") de s Zentralatoms steht als römische Zahl in runden Klammem . Ein mehrz ätmiger Ligand bese tzt mehr a ls ei ne Bindungsste lle am Zentra latom . z. B. Ethylendiaruin. Oxalat. Carbonat. Häu fig entstehen 5· und 6-glied rige Ringe. die stabiler als Komplexe mit einzähnigen Liga nden sind.

Beupie te: Nomenklatur \00 Komplexen K ,( All ',.I Na, (I>t( ' I, I [Cu('J 1I,)., [('r( II 'O ).. f h

l"

Kai ium hc\ a lluo ruatumin a l( 111 ) Natriu m hc \a~ h l"rtlp l ali l1ldI I V )

Tcuu.umn illkuplcr(II j-ion I k \a,l'l u;Jl.:hmm(l 1lHri ehlmitl

[('o( C N),,1 I lc.\ae~ ,lIltlcobahMI(lltH un [('o( 'J ( ): )..!:(S ( ) llJ 1Ji\ ( hcxan i l m~'(lha ll a t( II I )).. l ri \\ullill

Benennung weiterer l.ig endcu: "' T;lbcllc

HeiJp id e: Chctarc h is( ~th) knlliarll i n). co ha lt(IIIHun. kurz: ( Co( ~n )_'I " Der Blutfams lu lT

!C hd a te sind Kom plexe mit mehr=a/mixell Lixalldell . IlI.... mattf~l()fT Ch/ulVJ'h.lll ist ein \I g~·. Kom ple x des I'orph ) rins (OI'f.anischt: Stic ksto lT\erbl ndung}

.-

Gruppe

I All\:C mcmc un

.... X mllf! lJl.lutll r: Benennun • von Sä ur e resten Ionen Liga,l~d lE.n u!1d Radikall.'ß

x

ungeladcn

,"

in Molek ülen

in Sa l/en

OF CI

WasSl;rstolT fl uor Saul.:n;t(Ißl luolid Ch ln..

n01

Ch lnntim.iJ

11

r

no

no,

oo, B,

r

10 10 : ICI. 0 0, 0, 11:0 II JO Oll O ll :

Kation

Proton

Fhm ..

Bnm Iod

B~

Iod

lodos) 1 Iod) I SaUCl'SlnlT l>isau"..r'itolT

Anion \ =-

Ligand \1. \ ~ I in Kom ple xen

Ih d rid Fluorid

Ih d rill o Flunru

Chlori ll Hy pochloeu Ch lorit Chlor..t

C h loro 11) poch lorito Chklrilo

Disalk.'f'SIotT O:

P=hlor.n Bromid Iodid U) poiodit DichloroiodaU 11 0 o '! ' ''' 1Peroxid Hyperoxid 0 : Ozcnid

0-00 Was';"'"f

11'"

"'ullh)dl') I

SO SO l SO J II SO, H:S SlOJ SO,

Sch\l e lClmnnoxid Sch\lefcldio\id Sch\\efdlrit>xi,J

Sc

Sele n

ScO ScO ! ScO J

Selend ioxid

Dischwefcl

lI) d roxid 11lvd roe cn rero-cid Sul fid

lI) dnlgl'flsulfid Dis ulfid

Uisch \\ c fd ( 1+ ) Sulfi ny l (Thion) I) Sulfonyl (Sulful') l) Su lfnx)l at Su lfit !l) drog ensullit

Ch jorato

""'"

Trio" Oxonio

Sclcninyl

Ih d ru 'l.u

I l~ dn"'l'fl ocro\o

'I h in. Sullide>

Mcrcapto I>isu llido

Schwcfcklioxid

Th iosulfat Sulfat Sclenid

Sclcno

Selenoxid

Selc ncmyl

Tc

Te llur

T elluru

I -o,

Chromdioxid lleund joxid

Tcllurid

:\ 1

Sti,kstu ll' I)islk kstllif

~ II .

' "011

B~

I,,,,

Aqua

11) pcruxo

Sclcnito

~II J

Chlo.. ChkII'OS) I Chlol') I Pl'I"Chlnl') I

(h o 1' C' ro xo

Selenit Sclenat

vn,

Fluo..

lodoso Iod) I f)ichloriod Oco, OX)'. (hido Dio\)

Selentrioxid

:'\J :'\11

Verbindungen

Perchlorate Bromo

Sulli to II) dn lLll'fl'iUlliIO Sulfan Thiu'ulfal u-S. -0 Su lla lt>

Sc h\\c fclll,lsscrslt>lf

Sc O~

x

"

in organis chen

11 ;0 '

O\ooium

S

c-o,

,

Substituent

Fluoro\ \ Chlo.. CMunlS)1 Chlol') I

Perchloryl

lI) d m x) 1 Pc rll\ dnl" I Schw efel

s,

norgamschc eh CIIllC

Am in) !en Am in)l Anmlt-lßiak

Chrom I

lI ) dn l\ ) Ih dn....;-·n:"" In io >Sulfide> -s Th itl\ O MCl"Caplo. Thiol Uithio - S-\Sullin) I (Th itlß) I) Sulfony l (Sulful')l) Sul fonato - SO, Sul fo 1!l IHO:\-11/ ,,·Sul fon io

. ..

Su lft>n)ldio \)

·,()·"io ·-o-

- Sc Selene Sclcnoxo Sc'" Sclcmnyl Sclcuonyl

Sclcnaro Tel hll\l

Uranv l [Nitri d l>istkkslllll' N: '

Am in)k'fl An lin) 1

Nimdo l)istk ksto lT

Nitrilo Azn A/ inu I>iiv {lßio A/ido

N. ~N"'N-

" N--N'" " N~ ~N!"

Azid Imid Amid

A/ ido Imido Amido .\ nlln in

Ami no Ammonio 1I , ~'.r-

Hydroxylamid

II)dm 'l:) lam i,Ju-O I h dro " lam ido -N

Aminoo\) .ovu, II) d ro'l:) am illO

Anmlt-Ißium

Imino

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'" IIl J

' 111,

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g U ll d SITUkt' ur

1I1l1!.c1l1d cn

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Il yd rMy l IlyJ ml in

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Hydrazid

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I IY dnvi niu ~~ ~:~

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' 111.. ,"0 :"001

SlickstlllTtl\id SlklslulTlliu\iJ

Hvdrazimum 2+ Nitrosyl Nitl')l

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"hosph in

11 11'

Phos

MKlSJlhtmium

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Thiophosphor) I Phosphinal

1 - """ I~:::~'

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II:'oCO 1I1_\ CO nl Jo CI II ~O

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Arscnar Ktlhknstoßmuoo\id

Camun y] Thiocam..WlY I

Carbtl\y] Ktlhl~nslorfd io.\ iJ

I

Kohle llslorfdisullitl Carto.amoy I Carbamat M~thtl\)

I

M~lho:o.: itl od er Mctha nolat Ethoxid od er

I-:tho \ ~ I

U i hy J n~t:n-

l'hos hintri I MKlSphino

phosphidu rho,phin

I'htlSJlhtmio ILp·-

Phosphinato I'htISJlhtWlalt1 l'h tlSphato

1~:~:ph<WlalO

Di '!';"halO ATS<.'Tlato ( ·.rtw' ny I Thiocam..-.ny I Carbtl\y l Kohkllsltlllilio\itl Kohlcnsto tfdis ulfid Carbamoy l Carbamalo M ~thO'(() otk:1"

EtOO\Ooder

n l}oo,;

M ~thy ] sul foll)' ]

Mctharuhiolat

C l ll ~S

I' th) ]sulfilll) ]

Ethanthiola t Cyanid

Ema m hiolato ( )a no

Cyan

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Cyanar

Fynnato-U lsoc yunatn

O:" C SC :"

Thiocyan

SrC ,"

[Fulmimu Thicc yana t

Sclenoc yanat

t"iubUllyl Thiocarbony I Carbo\y Ülrhtl\y lalo Dithiocarbtl\ ) lato ('arbamuy l Carbarlltl\ 110_\ \ M ~tho \y

M ~th anolato

Ethano la lll Mcthylt hio od er Mcthamhiolato Eth)lt hio od er

Ethanolar

C\

Nitrose Nill\l - ' O~ Nilnlsf.O\Y --0 ' 0

I'hos{IhtlTOSO 01'MKlSJlhtll)l 01 ': Th iophtlSphtK) 1

I"""""",,",

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Dihydrogcnphosphid

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I'ht - bor

I Nitro (Ni trilu-Nj Nitilo-O Nitr.l.ttl I h ....snitrito !'ho s ido :\ i l n,,~

Nitrat

:"oOJ ," ,0.

11

lI yd m/ in Hydraziniu m

l'tho :o.: y M ~lhylth io

Ethylthio Cya n IStlC) an

- ('N

- Ne --(1l'N Cyamno ISllcy an
Fuhuinato Thi o l'~ lI ll llto- S

'lhioc j anuto - se N

lsmhioc yunutu od er ThitlC) almh.. N

lsothiocyanuto - I\ CS

Sclcnoc yunato

Sdcnuey anatn

lsos elc noc ya nam

]sosclcnocy ana to - NCSt: Carbunyltlitl\)'

- SI:('N

COJ !IU)j nl J('Ol n!J("O C. (}~

Carbonat

Cll rh" na ln

--0 - ('0 - 0 -

JHydrog en carbonat Ilydrogc ncarbon ato

Acct ) I

Accto\y l Acct )'l

[Acetat

.\ Ct tlllll Acc t)]

IO:o.: 31a1

(} \11ll1 l u

I

Acc!"\y Acet~ 1

Wichtige l.igalltkn sind rrll gt."tlrucll. Die ßcneemung von Subsaueenten greift dem T eil ~( >rp:an isdl~ Chcmic- voe .

88

I AII \:ellleine und Anurganisl:he Chemie

5.... 1 Komplexstahilit ät und l\ l a ~ nt.' l is m us St abili tät. Farb igk e it und m ag net ische E igenschaften vo n Koordi nati on sve rbind un gen la ssen s ich aus der E lek trone nko nfi g u rat ion a b le ite n . Die Valenzstruktur-Theo rie (Valen ce Bond 1111.' (1)'. VB. ••Elektronenpaar-Theorie") nutzt d as Konzept d er lI )hridi", i er un ~. • Di e ei nsam e n E lektronen paa re der Lig and en besetzen di e fre ien d-Orbita le d es Zentralatoms. [An bindende Elektroncnpaar stammt gunz rom Liganden; da s Ze ntra latom erreicht d ad urch eine sta b ile Ede lgaskon fig u rati o n ( 18Ele ktronen - Rege l), M an beacht e : Be i der gewö hnlichen At om b indung lie fen j e des A tom nu r e in E le ktron zum g e me insame n Bind ungsele ktronenpaar. ... 5.2.4 • D ie sta b ilste B ind u ng en tsteht bei größtmöglicher Ü berlappung der Orbitale läng s der Sy m metrieachse der Hybrido rb ita lpe. Die L ig anden s to ßen s ic h m ax ima l ab und ordnen s ich sy m m et ri sch um das Zentralatom.

Ungepoane Eleklnmen a m Zen tralatom ( HiKh Spin) machen d en Komplex •.magnetiscb- ( pa n m a g ne rM h ). Zwischen den Po le n e ines Permanentmagneten w iegt d ie Verbind un g sc he inbar m ehr. wei l s ie ins Fe ld gezogen w ird (GouvMagnetwaage]. Ein loK' Spin- Kom p lex mi t g epaarten E lektronen vernäh s ich .unmagnerisct r' (dia rnagnetisch).

Ursache des "lI l:n~li\mu \ von Stoffen sind die Spinmomellle der ungcpaarten ljc kuoncn im Molekül. J...d es Elektron als bewegte Ladung (Krcisstmm ) crvcugr ein inneres magnetischcs Feld. Die inneren Felder alle... Molck ülc mitteln sk h sraususch l U Null, richt...T1 sich im äußeren Mag.octfeld jedoch aus. • [)j(ln/~ti/.;a schwllcho.."1l das äußere Feld g..Tinglligig: sie \\ irt...T1 nicht arvjd",,'Od. Ik ispicle; Nl. II:<>_A u. Cu. • Po~" iJ:o sUr\;"'"1l da- llllllo.-re Feld g...Ti~ffigi! und \\ irtC1l an/ k.-hcnd. Ik ispicJe; 0 1. tllft. AI. o . • Ferrt:N1laK' Jetita surt"'"1l das äußere Feld erho..'hlidt. \\ ...'fÜI.'ll start an!e~~"1l und lassen sich b1eih<.TId ma~1i sic:f\:tl (Fe. ( '0. )\;i) . Magnelischo: Suveptihilitllt ( Uim ~"1lsion I )

'" - "'" » I Fcm"lltlUlPl<-1ika 7.. :: - - :: "'r - J > 0 Paramagnctika '" < 0 I)iagmagno.'t ika ~ I ol arc

.11

.11 molare Mb "'; P Dicht... f.I Pcrm.:abilitat

- :: K , .\I

P !tIM'

Spill - Ko m p lc u

Durchdrineunaskomolexe)

• p"rum'IKll t'fi.{ch durch U"~'){l{lrte Eld /rQllen am Zentralatom

··

"1. '"

K. '" - "-

IUg/, Spin - Ko m p le u (Aula rcrun zskornnlexet

•

Su.v..."Jltihilitlll (m'/mol)

polan: bis elektroslatisehc Bindung zwischen Zentratatom lind Liganden schwache lstart c1ektmnegali\ e) Dcoorligandcn weniger stabil als I.S-Kolllple\C

·• ·

J itJIII(/ gJlt't i.~ch

stabile kovulcnrc Hindung starke UooorligaJlden (schwach clcktrcucgariv)

10" - Dipol- KOlliplcx

l o n-I o n- K o ~ e x

Stets elektrisch gehLdcn1 I1eiIpie/:

Meist ohne Ladung. Reispiet :

HeiV·ief:

I lcxaaquachromt 111 ) [Cr( 1110 ). 1,.

Tcuuchlorouuraullt}

Hcxacyunofcrtutfll] [ l' e ( e N). I ~ -

I A u Cl ~ 1

!!1l1~mJ1J1j ~ 1l10:~ ~ ~ Cf"

b 11 ,0

Au)'

~

Cl

,h .Jn

3J

!IIUI!II ! j 1111 tI III IU IU I h l"N"

I'e"

ok taedrisc h. J \ p '

tetra...xieisch. _\P-'

ok taedrisch, " .\ p '

erlO) hat die ElcktR>nenkuntiJ:1:uration IAr) 3d.Js l und oruu IAr) ~t', Jeder Aqualigalld schiebt ein Elektroncnpuur in die lispJ_ I I ~ hridnrbitale: Chl\1I11 em.:icht die Edelgasschale.

Au(O) hat die Elektronenkonfiguration (Xel V ' 5,r 6s ' , Au(lII) IXel 4/' 5,t . Jed er Ch joeligand schicht ein Hckuoncnpaar in die spJ_ It ~ bridorbitalc; ( ;old "''1TCieht die Edelgasschale.

l'e(O) hat die Elektronenkonfiguration I A r l _V~i und Fe(ll I Ir\r J 3et, Jeder C) anuligand schiebt ein E1cktmneupaar in die .isp J_1I) bridorbitalc ; Eisen em.:k ht die Edelgasschale.

IMg(l h O Jo,t

IFec ll..olroY ICrlN II,Jo,f

Reis iete so, oktaedri sch ( sp J(/"') (Ag.(CNI: 1 d lO, linear ( sp) d lO, tcuacd risch (sp J) .1'. ok taedri sch ( sp Jtf) (lIgl, t' J -'. tllt;lL-UriSt:h (sp J,i) IBF. r tI'. tctracdrisch ( Spl)

I FC~;,J~" PtCL. ,-

d' . Ollat.-drisc~ ~~s~~~ .I'_ oklaedrisch tfs"" J

(Nl(COI. J (Cu(CNI.\,(N1KNI.)""

IL~~ N III,~~I" F ( " 11< )

J IO. tctracdrisch (sp J) J IO, tetrat:drisch ( sp J) cf. quaOr.planar(dsp !) .1'. (lkta..:d~,l{-:'i: ) d". Sandwich 0 '5';J

5 Cbcmiscbc Bintlung und Struktur

5....2 Liga ndenfehlt heorie D ie Ligande nfeldthe orie und MO- The orie berü cksich tigen kavalent e 8i"JulI~s(Jllleil(! zw ischen Zentralatom und Liganden (d urch Überlappung von O rbita len); sie erklären befried igend auch Komplexe mit x- Elektronen, nlchtpun krfOnnige n Liganden und ungewöhnlichen Ox idationsst ufen. Das ele ktro statisc he Feld der Liganden und d ie d-Orbitale des Zentra latom s stoßen sich gegensei tig ab. Je nach Vor zugsrichtung des . Ligancenfeloes- erhal ten d ie entarteten d-ürbita le des Zen trala to ms untersch iedl iche Energie. Im oktaedris chen Komplex entste hen : - zwei energiereiche ...e,-Orbitale" (d•..,.... dr ). die abstoßend in Richt ung de r Liga nden weisen. - drei energiearme .J:,-Orbitale" (d\). d u- d)'Z). deren größte Elektronendic hte zw ische n den Koordinatenachse n. somit in größerem Abstand von de n abstoßenden Liganden. liegt.

e,-

D ie A urs pa lt u n~~ ne~ie Ii.Eo zwischen den t~~- und Orbita len liegt im Frequenzbereich des sichtbaren Lichtes . Daher erscheinen viele Komplexe farbig - und zwar in der Komplementärfarbe des absorbierten Lich tes. Außer der d-d- Bande zeigen Komp lexionen eine kurzwei lige Charge-Irwuf er- ßande « 400 nm bzw. > 25000 cm"): sie beruh t au f einer Elektro nenverschiebung zwischen Komp lexzentrum und Liganden . Spekarcc heme chc Reih e Komplexionen mit teilbeset zten d- oder f Niveaus ze igen eine typ ische •.Liga nden feld- Bande- im UVNIS-S pektru m. Ihre Freq uenz hängt von der Stärke des Ligandenfeldes. also der Au fspalt ungs energie ab: - low Spill-Komplcxe tragen Liganden mit sta rkem Feld. - High Spin-Ko mp lexe Liganden mit schwachem Feld .

"'"'''!fr''''''''''''

,,,,,_11

nrc bctmchtct rein tosunisehe Bintlungskrllfie zwischen puaktförmigcn U gandcn (die sich abstoßen) und dem Zentraletom (das die Liganden anzieht). Di..'S ist ohne reale ph}Sikalische Bed eutung. liefert aber I.jualitati\ \"'ll'Tl:kte Aussagen ohne große n malh.."IIlalisch..-n Auf\\and . Die ,110· 7"hrorie (... S.2.21 spalt<."l. die eiOrbi tale \\ei t..-r in bir)lkodc (o dl und antibindcne \ Iolekllk>rbitalc (a..- ' auf. Die I~.()rb i tale sind nichtbindend (d,,). B..'S<.'Vl.e antibindcndo.: Orb itale cr\..Uln.-n mstabile Kom plc\ e.

Anregungscnergic » Aufspaltungsenergie

I~Eo

- hf

I fh h\."-lU<:IV~ ..irkungsqeantum I't.A NC':'· \\

~ U m im Kump k\ ITi(II~) Jr-I" ein F. lcktmn \om '1:1- in den ei-Zustand alVuregen. gen ügt lang\\Cllig..'S gelbes Licht: dcr Koenplev ersche int in ....-r Kom plemen tärfarbe vielen.

\

IOOOO/cm

,.>00

Die ange-.Jelltete Schultcr c 20()()O ClIl· 1is( eine Folge des JAIl N-TEl.I.EII.· ElTckts. Die axialen I bO-Ti-llindllllgen sind etwas JUnger als die equaroelulcn; der Oktuedcr ist ve rzerrt und der <'I-Zustand spultet gcringillgig auf.

• S rektrochemfsch e R eihe lligh Spifl-h:nßl l' lc\ SC h\\8 Chcs l .il:antl cn feltl [schwache A ulsp ahllllg < Spinpaarungscncrg icj • eher ionisch-instabiler Komplex (eleLtwn cgali\ e Liganden: -1/+M· EffeLt) • I:a r h\ cr tic funl:: Anregung durch energiearmes Licht (M.' klein)

L o M' Sp il/-h:fIllllllc\

st a rkes l.illantl cn fcltl (starke Aufsp ahung > Spinpucrungscncrgjc j knva le nt-stabilcr Komplex (Ligande n mit 't 1/-M· EI1i:kt) Far hu hiihunl:: Anregu ilg durch energiereiches Licht (l'!.E groß ]

1------- - - - - - - --------------- . Lol<' Sp", N,' - 1,- xco Oll Oxa lat 11 10 :'\II Fthylcndiamiu NO - cxo 11 ' ('N- cc

'"gIl SI'''' ••

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I.

I

Zentralatom mit nie-drigcr Oxidationss tufe kleines, hochgeladenes Zemmlalom \ ln ' < < Co :« .\ i:< < \"J< < Fc"" < ( ..",..< .\ l n' · < \1 0'" < ue" < I,>'" < Rc t < < "1' < Absorption : IR Farbe: Sd l\\ arl

"",n'

orange

gelb blau

g rll n ro,

90

I AII\:clncinc und Anurganische Chemie ~ Anwendtmgsbeisplet:

O ktaedrischer Kom plex

Liegt das grünfarbcnc Eisen(ll) in wässr iger Lösu ng als HS- oder LS- Komp lex vor? Die A ufspaltungsenerg ie für Aqua liganden beträgt l1Ea = 124 kl , die Spin paaru ngsene rgie E'f' '' 2 10 kJ. lI i ~h

Spin- Ko mplex (An lagerungskomplex)

VB-T heo rie : Im {Fe(H!O h,f' hat Fe( II) e ine d 6'- Kon liguration . In Komple xen liefe n jeder H!O-ligand ein Ele ktronenpaar ans Zentralatom (.... 5.2.3. SA.I ).

~ ~

~~ Fe 1<

Fe1-

6 11:0

6 11:0

d 1spJ. oktaedrisch. diam agneti sch

spJd !. oktaedrisch. param agnetisch

Liganden- und Kri slallfeldtheorie Die energiegleichen J -Orbitale des Eisen s spa lten bei Annäherung der Aqualiganden auf. • Die energ iereichen e..-Orbita le (d•...,.. dr') weisen mit ihrer maximalen Elektronendichte in Richtung der Liganden-s-Orbitale (Koordinatenachse n) und wirken dah er abstoßend. • Die energiearmen 14 -Orbilale (d,~ . du:. ~;t). deren Elekt ronendicht e sich zwischen den Koordinatenachsen konzentriert. liegen in größerem Ab stand von den abstoßend en Liganden.

~ ~ ~~

~~~

e oder d,

r Eo

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J I I - ----.r

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I" odecd,

LS

~ Tll ll l ll

oG" OO ~

«, «; d~.

En erg iei n halt nach der Kristallfeldtheorie

4 Elektronen in 12g.0rbilalen. 2 in es-Orbitalen. ein vollbesetztes O rbital (S pinpaarung sen erg ie) E "" 4 ' (-f Eo) +2 "(i Eo) + I-E", ""

-

"" -!.-124 U + ~ 1 2 -' U + 210U "" Ino U ,~

• Schwaches Liganden feld, llii{h Spin-Komp lex • Energetisch XÜI1.\"liXl'T. somit von der Natur bevorzugt! • Grüne Farbe wegen Absorption im Rotbe reich

6 Elektro nen in 1211-0rbila len. drei Or bitale mit ge paarten Elektronen. E "" H -fEo l + 3 E", =

=-.lf- Il -' kJ + 3"1 IOkJ =332 U • Sta rkes Liga ndenfeld. Lv..... Sp in-Komp lex • Höherer Energieaufwand zur Komplexbindung erforderlich. Kommt nicht vor. • Absorption im U v-Blau-Grün-Bereich würde weiß-. Gelb- oder Rotton erk lären .

5 Cbcmiscbc Bindung und Struklur

5.5

Die Kräfte zwischen Molekülen sind we itaus schwächer als chemische Bindungen zwischen Atomen. doch sie wirken über beachtliche Reichweiten und erk lären Haftkräfte. • Kohäsion (Zusammenhalt der Materie): Widerstand gegen Zerschneiden und Zerreißen. Viskosität. Oberflächenspannung. Verhalten realer Gase. Zersetzu ng von Polymeren beim Verdampfen. • .4dhä.f io ll (Ha ftung an G renzflächen): z. B. bei Klebstoffen. Waschmitteln. Farbsto ffen. • Hydraunion und Sotvuuuion beim Lösen von Salzen und bei Ionenreaktionen.

-r .

0-11' -

5.5.1

11

Zwischenmolekulare Kräfte Nebenvalenzbindun en

Unspczfflsche weehse lwirkunge n

heißen Wechselwirkungen. deren Energie mit der 6. Potenz des Molekülabstandes abnimmt. Diese schwachen Kräfte. die auch Loveoe-Kräfte genannt werden. wirken zwischen jedweder Materie. auch zwischen . Methan und Edelgasatomen. ..QuanUllPOIaren S10>ffieil Wie renmechanische Ladungsfluktuationen" machen polare und unpolare Moleküle zu Kurzzeitdipolen . die sich gegenseitig anziehen. Dies erk lärt die mit der Kettenlänge steigenden Schmelz- und Siedepunkte d« Kohlenwasserstoffe. den Zusammenha lt von Molekülkristallen und die Abweichungen realer Gase vom idealen Gasgese tz - z. B. lassen sich C12• CO 2 und Argon le ichter verflüssigen als H2 und Helium. Polare Molek üle zeigen ein permanerues Dipolmoment und ziehen s ich deshalb elektrostatisch an. Das elektrische Feld von Ionen und Dipolen erregt außerdem in poladslerbaren Molekülen ein induziertes Dipolmom ent (DEBYE-Krälle). \".-\' -I)EK- W.\_\I _~Kriifle

\

( _li..,

.. TrocJ:.uwis (f~"Slo."'S ( ' 0 1 bei - 7SS C) bijdc.... ein ~1"kUll gi l1O'T . Die CO:- \I"[...... üle halten

durch VAN-l)UI.-WAALS-"'r3f1e zusammen.

T Sthmd.l · lind ~lcd e un"te r'C

Sioff

Wass.,.n1olf Saucr.tolf ntlor Chlor

1Wb00 sc.,. ßm

Kehlen dioxid

Koc hsalz

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79 /sublimiert

801

Zum I 'e leü'h

NaCI

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+ + 1536

+ 1-165 + 3000

r

... Unspezifischc w ech selwlrkungcn ,..-1.1 Elekt rosta t ische w echsetwlrkungen Induktions-WW ('01 Ul\IIl-lüiifle h:n :sl)\l-h:rilftc Ilt:ßl[-Krilfte

{luncnkeätle J

((nicm icrungskrätlc)

[Ollen mit [ollen oder [ollen mit Pcrnumcntdipolcn

Permanente Dipole (polare 1\101ekOle)

• Ion-km-K räüc I'( r )=- Ol(h ö,... _ I'\ r)

• Dipol-Dipol-K rä fte

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• IIm. Dipol-Kränc

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_...3....( ~I~: 3kT -l ~ &ifJ

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1Jisllcrsion ",-WW 1,1" IKI' -h:riiftc

Ionen oder Pcnunncntdipolc lnduvicnc Dipole mit iuduviencn Dipolen [jcdwcdc Materie] • Ion indu/ ierter Dipol

r (r) :

I1 Q~ --8ltcor 4

• Dipol - induzierter Dipo.ll u '

Anziehung (_ r ,6) und Aos' oßu l1g.\kr~ lle

,11)

1 1" ' I·[(~r -2(;J]

q r) =- - - "-

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Glciehge" iehlsah-stand

Weitreichend: in Salzen, 1.6- Von kurver Reich we ite, Molek üle mita-Elcktnmcn- Hindungscncrgjc (U/mol): sungcn, Schmelzen. II ~ d ra. st;u-k Io.wr..:raltlrahho'lngig; w elken und polarisfcrbarcn CII, (7..( ). Uo."tl/ol (t 01. in po[an,."tl llkung.-;mittdn Gruppen 'l.l\. Nitruaroma- Iod (7.51. (jraliL Alkane. tcn. I\olklidc-n tcn. Nitrophenole} nüssige Edelgase. Ch. N1 .. Es bedeuten: Qclo.-klnschoc Lad ung, V. DlpolmomenL IX Polanslo.-rbarf,;elL Tah-solule Tempcratur. r \ lulekülah..1and. I.: BOLTZMANN-I\unstanle. J' minlcre f'oll"lliielleEnergie. Die Reichweite dt.T Kr:lfle i...die Ablei,ull! -d l'/dr,

92

,,

5.5.2 Spezifische wcchsclwlrkungcn Die Wasse rst oflbrü ckcnhindung steht wegen ihrer hohen Bind ungsenerg ie (bis 50 kJ/mo l) de r •.ech ten" Atombind ung nahe. In polaren MoleküleIl ziehen sich gebundene WasserstolTatome (11) und benachbarte freie Elektronenpaare von Sauerstoff- , Stick stoff- oder Halogenatomen (X) elektrostatisch an. lI .... X·· · II ... X Die MO-Theorie erk lärt diese Ladun gsverschiebung als ] . k ntrell --I-EIelt.trrmell- Bi ndu11K von H-Atomen zw ischen zwei elektronegativen Atomen. Die Bindungsordnung z. B. zwischen Fluorwasserstoffmolekülen entspricht einer halben Atombindung! • Zwischenmolek ulare H-Briiclcen liegen in Molekülassoziaten und Molekülkristallen {z. B. Eis) vor. Wasser H~. Alkohole ROll und Carbo nsä uren RCOOH zeigen - anders als Schwefelwasserstoff H!S. die übelriechenden Thi ole RS II und die leicht flüchtigen Ether ROR - außergewö hnlich hohe Verdampfungsenthalpien. Schmelz- und Siedepunkte. Wasserstoffbrücken fördern die wasserlöslichkeit selbst hochmolekularer Stoffe wie Zucker. Poly. vinylalkehol und Polyethyleng lyco l - im Gegensatz zum hydrophoben Benzol und Hexan. • tnnermalei ulare H-Brück.en erklären die Raum struktur von Proteinen. Kohlenhydraren und Nucleinsäuren. ebenso d ie überrasc hend niedrigen Schmelzpunkte von onhosubstituierten Aromaten.

A II\:clnc inc und A nurganische Chemie

.

m

•

i A Die SwJeIt'mpc-ffllurt'n \ on Wasser. Fluol,,\\ ;bSt."!'StolT und Ammoniak liegen \\C, sendich höher. als die \lolekalma., sc cT\l art...'T1 IlisS!:. Nach d...-m Trend anderer lI) dri&.: sollte W3SS<.T bei - 90 "e schmcl..cn und \\ lIre oberhalb - 80 "C ein Gas. Otlnc die W3SS<.~tolT· brilekl>nbindung gäbe ...os kein Leben auf der Erde, die FunLtion lelll.'fls\\ ichtigcr Enzyme. AnlikÖl'Jl'.'f. Rerei'torcn und des gcmctischc'fl C oo..os \\ arc un..I...'flLbar.

Schmet..punLt

... Beü pide: S rlf,'Lifhche w ecb selw irkungen m it Btndun gsenergte ( in k.J/mol he! 298 K) w asse rstoffbr ückenblndung

Clwrge- Tronsfer- Ko m ple \ .\ niuni' chr

InncrnlUlekulllf Essigsäure: Ild 1IK"C liegen o- Nitrophenol 50% bimolckular (als Dimere ...wcicr Moleküle] vor. J ....................

J Essigsä uredim ere !l.kthanohrimeTC 11011 in Eis 11011 in Wa' S<,.T 111'''' 111' IINII in »u, IICl"'I ICI Ar- ··HCI Phosphorsäere

62 kJ/mol 52 50 22 19 17 5 104

lf -B r ück en

Diborun Ih ll~

n onur-.\ .....eptcr-Kem fltc, (ldcktroncnvcrschicbung) • L'hinbydron: ..zwischcnmolckularc Mcsorncric'' in einer äquimolaren l\Ii!il."h llng von Hydrochtnon und Chinon

....""..

Salie)'ls.1IlITC

• lod mit An llllate n Arll + b - ArII"F J

SpeLtmskopisch~T Ikfllnd: .. Rllt \ ersc hicbung.-l lntensiläl5' zunehme und V~'fbreik·nmg. ) " '" IR-ß anl:!l.'n

C/I(Irge. Trtln.Jf er. l\aOlk.'T1 im UV/V IS.Abs"' l'tionss peLirum

5 Cbcmiscbc Ilinllung und Struktur

.,. IJd\piele: w assersrcffbr ückenblnd un gen

1\\

ll"cr ll h L/i'unjtMni llei

Da, regelmäßige, durch n-nrücken ge formte Eisgin..-r erklärt d ie Anomalie MS lfa ssers; Heim C;efri"'fCn uchm sich wesscr aus und Eis schw immt auf - unvcevichtbar rur das Überleben \ 011 Fischc'n in \\ intcrlid ll:n Teichcen. Bei -I °C nimmt WasS<.... seine größte Dichte ( I.OIl g/cm'} ein. Flüssiges Was.....-r erreicht durch die losen II-HrücLena.......viare Leinen Dnhr ungszusta nd . _ I'o lymc l\.'!i WasseI""' ( I'-'
...Sdll1l,:d locL: mil dcr~S~m-­

rJ1I:'Iric: des Eisginas.

... ~ E is 1- . cine > 00 13 Modifikationen . SlruLIur: ~Trid) miL Dichte: 0.9 168 glem' 10'Cl

... SOhalalion \ 011 Kationen und Ank'lll.'Tl durch WlISlol:TTno!e· LOle beim l.ösen \ on Sal zen C Il ~ dTalalion. .. 5. 1.-1). 100 11,0

Uimol

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Was..se-rstoübrückc n T\\ ing..' Il P mtrin r in ihre Sd UI/JlJrs fruJilur.

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Ur w>y rillonurl l'in, .iIurr l l>Nt\ ): 10 Basenpaare bild en eine Schrauhcm\ indung (0.3-1 nm lIueh. 2 nm Durchmesser ).

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•

• Fahblausuuk rur der ll-"'c rdtine (110m. Nägel. Seidenfihminl .. u· l ldh d<.... u-...cratine [Haare. wolle . Fibrin. Fihrinogc'Il ) Menschliche Heere lassen sich durch Be nctz..' Il mit Wasso.:r beträchtlich sln.-cken. wenn die Fehblaustruktur in die übergeht. n ie llunLlcrc Farhc \ OfI bcncercm Ilaar bo..'T\lht auf einem optisch..-n EITeLt: Wasser mUt die Unebenheiten d<.-r Ol'l:rllä<.:he: auffaltendes Licht wird an der optisch glatten Oho,.Tll ächc weniger dilTus gestreu t.

u· l ldi~

I AII\:clllcine und Anurganische Chemie

5.6 Kristallstruktur und Moleküls mmetrie 5.6.1 Kr'istallfurmen und -systeme

... (; l.''>(' hil.' h ll.' du M r u l.t urllull.lilru n:: _ \ . ( 'h r . ARl5TOTEIH (3114·-322 v, Chr.]: ..Din g" (al s Es.isten / ) und _Eig cnsc ha n" ( als lirschcmungsfbnn d..'S Se ins). Die un\l-rgäng liehe 1(1'/1' (das r u/m oare) gew innt .lIorphl' (d ie Form ) und verlie rt Suresis (d en Feem man gclj. I ~O BIRINGlJCClO: Kanlen \\ink el in Pyrit. 16 11 KEf'lER ..'I'llärt den Aufbau regelm äßig er Schneel.ristalle rr u! dic htgepackten Kugeln . Im 1 66~ R. 1I0 1lU , (16 35- 1703) modcllie-rt ,\ Iaun und Sleinsal, durch Kugcfpackungcn. 166 9 ~ . STENO " STf.NSEN ( 163 8- 16 87) end 1772 KOMI; OE 1: IsLE: Die Neig ungsw in kcl in Kri stall l'tl sind gleich und bkibcn reim Kristallwach stu m erhalten. 16911 CIIR. Il UYGENS ( 1629- 169 51: Pcnikclthc...lrie öcs n.1!elmäßig,en Kristall au tl>i1us. 17S-1 K. J. IJAOY OegrOnUel uie Krislllllogrofi e. J..-des \ l in.:r.lI• das in ei ncrr regelm äßigen ('>Cstalt in Erschei nun g utu, ist ei n . Kristall". Die ~Suuklur"' um fas.... die (Jc sl alt der Grundbau ste ine (_MokkOlc"'). und de n.'Il räumliche r\ nnnlnung . k 4 •.,. Krislall bestehr au s winzig..'tl Ekment arlrisli1llehc'tl (n KllCcuI..-s in tegremc-s). 18 13 WOLLASTON p0'll ulicn räumlic h geirennIC Gincrpunkte, / \\ ischen denen Anxicbun gsund A l>sloßu n~skr.l tk wirk en . UIU I'. I'. Nf'UMANN: Beschreibeng von Kristatlg..~mlelrien mit e in fac hen rationalen lnd iccs. 1112-1 LA, SFHlER (l79J- 1855) : _Mo leküle'mit Atomen als Ek'l11..auarkriställchcn. 11130 F. C. II1OSSEL; Kristallklasse n. I K.lK/" A. HRAVAIS (lll l l- IKtl3): Kristallgitter aus kongruenten. einander parallel gcstelhcn .•Molckülschwcrpuuktcn" HIn gleic her Symmet rie. wie d ie Kristalle selbst. Jedem (Iittcrpunkt UCS endlos aufge fasste n Raumg inc rs s ind in gleich er We ise Nachbarpunkte zugeordnet. I M7., l.. SOIlNO .;E (I 8-12-1 1l9 7 ): ..Thc'tlrie der Krysrallsuu crur - mit (l5 Punktsystemen. a us denen s ich Raumguter und Schraubenstrukt uren ableiten. /9{)5: _.rcge l m ~ lIige Pun ktsysteme". lK9 1 A . SCIiOENI't1ESS ( 11153- 19211) und J. s. V. FEDORI lW ( 11I53- 1'JI 'J): Kristallsystematik. 1'112 M. v. l. AUlo. K NII'I'IN< ; und I'RlFIJRICll: R611l(!,'n.\'lrtlhl","h<'II~II/I}!. an Kupfersulfur. Eine Fotoplane mit regelm äßig angeordneten . punk tIörmigcn Beugungsbildern belegte d ie We llen nat ur der Rönrgcusuuhlcn und die Existenz 1 1 materieller Krista llg ille rp unk le ((' 11 ' . \0. "), 191 3 W. 11, und W. l.. BRAGG (scn. und j un.): 3~

Ein Krist a ll ist ein Festkörper mit einer bes timmten äußeren Ge stalt (.\Iorpho lo!{ie) und einem regelmäßigen mo lekularen Aufbau (Struklllr). Es gibt natür liche und synthetische. ein- und polykristalline, amorphe und quasikriste lIine Kristalle (Parakristalle. plastisc he und Flüssigkri stalle). Manche Stoffe treten je nach Temperatur und Druck in mehreren .\ lod ifikatiol1t!ll (Erscheinungsformen untersc hiedl icher Krista llstruktur) auf. Die Viel falt da Mineralien lässt sich nach Symm etrieeigensc haften in sieben Kri sta lls);sl em e ordnen. Jed es regel mäß ige räumliche Krist all ~ill er erfüllt einen von 1-1 Grundtypen (ßKAVAI\-G itter). Jede Eleme nta rze lle ist die kleio stm ögliche Darstellung der räuml ichen Anordnung der Teilchen in ei nem Raumgitter. Die drei Basisvektoren des Krislallgilters ä . h. c spannen den Raum der Elementarzelle au f. Sto lTe rnit gleicher oder ähnl icher Kristallstruktur unte rscheiden sich durch die G illuko nsta ute n a. h, c; a lso die charakteristischen Abstände der Atom schichten in den drei Ach srichtungen (Beträg e der Basisvektoren ). Beim kub ischen System charakterisieren eine . beim hexa gonal en und tetragonalen Sy stem zwei Gitterkonstant en die Eleme ntarzelte. In eine Elementarzelle passen Z Gitteratome oder Molekül e, was sich aus der Dichte des Kristalls ergibt. p=

M;ISSl,: der Moleküle pro Ze lle

Volumen d..'1" Elem ent ar/e lle

BE] Z = r ,. XA .\1

,\I Z =- XAJ'

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.\f Mulekllimasse (gl mun.

I:

Diehtc (glem'.l

r

Elementarzellv olumen (frü her: I A'

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,\ ~ A vt)(io\l)RO- Kllnslante (mot")

"" 10')' cm')

/k i.' pi<'!.' I:in monokliner Krislall im kubisch primitiven Gitt er hat Z - 2 Molek üle je Elementarzelle. Die Längeneinheit ,\ n ~st rö m darfnicht meh r verw end et werden : I A '"' 10 III m ""0.1 tun '" 100 pm. ...

K l llssili/iuun~

dr r

Kri ~l llll l.'

7 Kri'l lll h~~ tl.'nll· j J-IIIIH V,\ls.(; iUl.'r j 32 h:ri sl llllk lll' ''l.'n ( J ' u n l.l ~rU P Ill.'n) j 230 Ib u m ll. rUPIll.' n j h: rhllltl, l rul.lu l'l.'n . Ion•.:nl rh lalle (\ al/ l.'l • Altlmgillcr • Mctaltgiuer • MtlteküILTi~la[]e

.~) mmetrteelememe

j I: Jcmenlam~lIc

j

Mn lc kü lsuu ktur j Raumm uster

j

jchlerfrcies Kristallgitter

I

reales Kr istallgitter

I

Kristolll'erbond (Gefüge )

Kristl/llsfrlllr.ruranalyse. 191 6 DEBYE und SClIERRER: Krisrallsrrukturanalvse an I' ulw rp m o...'tl , 1939 Fourier-Analy se der EIck tron ..mdiehle \ crtcilun g in Kri sla llen

II ••

j ,

5 Cbcmisc bc Ilintlung und Struktur

i

'Yl>ic sid ll:n Krfstallsyst em e und Ekmentarzellcn der 14 IIK\Y.\Is.Gillcr Tri ~ona l

(m..lmhtl<::drisch) ist eine lJ n lcr~rpc des hexagonalen S)'SI<.'IlIS. HcgrilTc historiSl:h (l'. S. WEISS um 111(0 ). Il r \ll ~"mll

T r iJ:on a l rhomboc-.Jrisdl

r rlr:a::unOlI

IU " mhi, ch IIMhurhombisch

\I"",,t.lin

Gitterkonstanten und Gincrwinkel der Elcmcnlat".fcl1cn

a -b t-r:

a = h =c

(l -fJ = 9O"

a = {J = y t- 90"

Y,. 120"

Charaktcristiscbc

Vier 3./ llhtigc A ch~'tl ( Raumd iagona l..:n ).

+ 2.,llhligc AchfoCJ\ (w orfd kant1,.TI )

o r br c

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S~ mmcmeclcmeme

Drei Eine 11idnandL'f 2.,.ahtigc senkrechte. Drehechse nicht uoolOlk'f glcichwc"ttigc Spi••:gd Dn:hachSJl:1\ cbl."fII.: m

Eine (,.. 3· br\\. ....' lihlige Drehachse IUrcha,,:hse ( '. == n. Drehinvers jen ' • • n ) senkrecht dazu 2-zllhligc Achsen im Winkel \ 00 120". 6ft' bzw. 90"; S~ m m"'1rieebenen parallel ,. ;;: m oder senkrecht h = m zur r -Hauptachsc

Die 32 inl trn lllioß lllorn "'ri "I IlIlI.III..cen nach If l1l.MANN·\I AUGUIN

Punl.l ~rUI'fl<'n

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BlI\ i..närh rn ' l,'nlrier1: Die Eckpunkte und Positionen auf der t lüchc ,\ , 11 od er I " sintl l>l:'>ClIt.

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Einfac h monoklin II/w. einfach triklin

5 Cbcmisc bc Ilintlung und Struktur

Die Koordinationszahl gibt d ie Zah l der nächsten Nachbaratome (Liga nden) um ein Zentralatom an , .... 5,1.2

5.6.2 Sym metrteelemc nte in Krislall en

II'/:-/.' lndizes: I>ie AchS<,.'lallschni lle 0 .. b.. c, jeder schiefen Kristalltl äc bc sind Vielfac he der

Gitterkonstanten a. b, C

Krtsta ttü ächen (Git ter- ode r Netzebenen) we rden durch rationale Indizes (W EISS-Ind izes) in einem schiefwinkligen Koordinatensystem längs dreier Kristallachsen - von einem beliebi gen Ursp rung im Inneren des Kristalls aus bezeichnet. Verläuft e ine Ebene parall el zur Koord inatenacle,e, liegeu ein oJ..:t l." d Punk te im Unend lichen. Die Abstände werden positiv oder negat iv vom Ursprung aus in Einhe iten de r Koordinatenachse gem essen. Die Kehrwerte der rationalen Ind izes sind die üb lichen i\IU_HR-lndizcs h. 11.,1. Je größer sie sind. umsc enger ist der Abstand der (hkl}-Ebenen im Krista ll. Negative Ind izes tragen einen Qu erstrich über der Zahl. Krisralls~ mmetrle. Die Gruppentheorie besch äft igt sich mit Sym metrieo peration en. die das Abbild des Kristalls durch gedachte Drehungen. Spiege lungen und Versch iebungen in sich se lbst überführen. • Ein Q ua..k r hat ei ne vjer zählige Drehachse C,.. weil vier D rehungen um j ('\\ e ils 90" immer dasselbe Bild liefern. Allgemein heißt eine Achse n-=iihli/{ . wenn die k leinste für eine Dec kopera tion nö tige Dre h ung ](,{Y'!n be trä gt .

• Spi e/{d ebent'n. Das 1l:<)-MolekOI ha t zwei. M I} drei vertikale Sy mmetrieebenen 0 , . Ben ze t hat eine horizontale Ebene

T h: nn Lci... hnlln~ \ on h: ri~ tll il ltitc h ... n

rJ...

Drehsl'ie/{e!lmJl bedeute t die Dr eh ung u m eine u-zählige Achse plus Spiegel ung an eine r zu r Dr eha chse senkrec hten Ebene.

a. :b, :C,

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lli'TICparalldtwu-AdN: lli'TICo:n:1' Fo:R'>fI,.T'idJcih: !eIltem..'11 Wlrid in I\\ ci l>m.xi.saukn RaHnJi,*,"1IIaIo: Illl'TIC im Würfel

Ah<.tandc ocr lh,{f) -Ebcrlom kubisches Gitll'l' rhumbi~clk.~ Gitter

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VergröllcflJng der Intli/ e, H lcincrt ocn Aboi,aml der Ebenen um OCn lben Fal IO":

2-.tllhlige Drchspicgctachscn vertaufen durch ei n Symmetrie;e/llrllm. .. bzw . fl../tih lige Drchsp ie gel achsen s ind 2- b.tw,]·

cl:..., = fcl m .

zä hligc Dreh ac hsen.

• GleitVJI'eKelw'R heißt ...tie Spiegelung an e iner Ebe ne und gjekh zeitige Versc hie bung langs d ie ser Ebene.

Ein Molekül kann im Kristall keine höhere Symmetr ie als d ie seiner chemischen Struktur besitzen. Optisch aktive Suhstanzcn krista llisieren nur in Raumgru ppen ohne Inversionszentrum. Spiegelebe ne und Gleitspiegelebene.

5.6.3 Krlstallst ru ktu rn1I1I1)'se Rötugenstrahlen werden in der Elektronenhülle schwerer Atome gestreut ( " 4.9). Neutronen we rden am Atom kern gestreut und erfassen auch Wassersto ff und die leich ten Element e. Das Strukturbild mit der Elektronendic hteve rte ilung im Raum erhä lt man durch FOURIER-Trans· fonnation des Beugungsbildes. Das rez iproke Gi tter ao. b- , C' beschreibt das vektorielle Beugungsbild mit a llen Informationen über Symmet rie (Kri sta llsyste m), Lage und Intensität der Reflexe (Gi ne rkonstanten. Stru ktur). Die gemesse n ß eugungsmaxima führen zu den Ato mabständen. Wei l die BRAGG-Gle ich ung nichts über die Richtung der gebeugten Röntgenstrah lung sagt. muss man Atompositionen durch statistische Analyse .raten".

IlR\l;G -(;ltirh lln~:

benachbarten

Rölltg.cnsu ahlcn werden an

" rhlaliltachcn

ges treu t (gebeugt,

retlckucnj. l.\\ ei We llen im Abslantl \\ e nigcr wclknlängen \,cNarl en s ich durch konstruktive Irucrfcr enl . S intl tli... Amplnudcn nicht ..in Phas...··.

lösch... n sich tli... Well... n uns. 2 cl".!· sin Oldl .").

" .. 1.2. 3... .

cl Nev ... hcnenahstautl OCihm.t\\inkel ). Well... ulängc

AB+ BC,C'C'"""' --'t'--~'Df.'/fI'F-Sl ·HfHHfH- " t'rj uhrt' ,,_I'ulwonw:fuhrt',,_ l>ie

rege llos angcordneten "rist31litc ....:.1' Probe crvcugen bei llJ(.nllchromati scber R(lntgenstrablung Hragg'scbc Beugungsrin ~.... auf cmcm ~ h nlkrfbr· mig um d ie rn....... gelegte n Eilm. AnwendungIl1Ichs~ mmctrisclle Strul turcn MineraJienanal~ sc. FCj,tl(lrp,:real.lil_'11 (ll l:i/rönl~nspcllJ'O!, lopio: 1_

11

98

I AII\:clncinc und Anurganische Chemie

5.7

Reale Kristalle, Gef'ü e und Materialkenn röDen

5.7.1 Gilt•-rdcfcktc und Metullografle Fehler freie Idea lkristalle kennt die Natur nicht! Die techno logischen und physikal isch-che misc hen Eigenschaften sind Fo lge de-s po lykristallinen Aufbau s der Stoffe. Ein Metallst ück erscheint makroskopisch a ls g le ichmäßig zusa mmengesetzter Körper mit •.phäromenologlscben- Materialkenngrö ßcn wie Elastiz itätsmodul. Härte und Leitfähigkeit. Unter dem Mikrosk op sieht man das Ge füg e a ls An sammlung. von kristallinert oder amorphen Bereichen und dazwischen befindlichen G renzflächen. Es zeigt : • Einphasige Mikrobereiche Körner (Kristallite ). Einschlüsse (Veru nre inigungen), Au sscheidungen. Poren. • Strukturelle Bau fehler: Korngrenzen. Fehlstellen. Versetzurigen. Seigerungen (Entmisc hungen in ers tarrend en Schmelzen und G ussteilen), Zwillingsbildung {unterschied liehe Kristallorient ierungen ). Durch d ie Materialbearbeitung entste ht d ie Text ur - die Gleichrichtung der Kristallachsen be im Gießen. Walzen. Z iehen. Rekri srallisieren : sie erklärt anisotrope' Stoffeigeusehaften. Eine ••Schmiedefaser- ernsteht. wenn sich Schlacketeilchen in Verarbeitungsrichtung anordnen .

lo .. Udl\m iln~lopi sclk.-s Schli nhi ld von Gusseisen GG I. 25 in 65.fach..:rVCfltrößerung : pc'rlil M hn C; l'rIi: 1' mil l .amelkngrafk und eingelegenen Tnancarbidcn. n ie Oh.:rf1khe \\UNo: I um ti.:fm it einem Excimcrtescr in ein ferritiscbes Gdlll!-c umgcschmolzcn . GejUge : Mil m slllpi o;c:h ..pot.e-, inhomogene Teilchcn-, Fase r- od..-r Sint~'I"\c:rbärKIc mit

Phasen,

Kom1!J\.'I1/~'I1,

Tevtur

f 'einslrt<üur. Kri sta ll gil1~-r und ElcmemarvelIen (cm'tllisdlC Bind ung, Atombau) I

umrolrop _ in .he Raumrichlun[:Cn \ c~h icdcn

...Chen id u: G itt erdefekle in realen Krislallen Punktfehler t"l'hl\ ll'lIl'n • I.l'l'nll'lIl': ein Ichleudes Gitteratom SI '1f(m KY-f>e/ " t l: ein fehlendes Katio n und Anion im Gincr • Zv. i\ ch r0 ll.illl'l1Itum : überzähliges Gineratom zw ische n I \\ci

Gincrplürzcn • f H/:XJ,.·t,'I.-IJe/ t'kt:

Zwischcngiucrarom +

Leerst elle Punktd efekte e ntste hen bei ; Kristallisation. Abschrecken . Umformen ; WänncbchandJung. radioa ktiver He strah lung. lIIechanischcm Schni tt von Ve rsctzungs hruen.

• DiffuJiutl (WaOOcm von Alomen) • Tran slalio n IGl eit~'I1 1 von AlonlSl:b i eh t~'11 • lo nenleitung im Fest-

lö-

Linienfehler Frrnltllllnml' " l'nl'lzungl'o Feste !.lkung (M ischlris• ~lufcß\ l' nl'l/u n~ (L): tall) von Ve runreinigungen ei ne z usJuli, he oder im Gitte r unvolls tändige G itterchene • ,\ u\ ll1 uw h: ei n Substitu[Kippgrenze) licmslI/o/ll auf ei nem rcgu- • Sc hra u bc n\ f""ct / u nll.: Illn:n Gitterp lall im eine wendeltreppenartig Wirtsgitter verzerrte Gittere bene • t:inlll ll.erun ~ : ein Frem d ( Drcbgrenze ) atom auf einem Zw ischeng ille rplall (illluslilit'l'es Atolll )

I I

Ffächenfehler Z v.l'idi nle n ,ionllh.· llefl'k ll' • t.:1C'io,",in l c!- oder

~u h lul"TI -

: 1"1' 0 /1' : Stu fe...vcrsctzun gcn

teile n das Kom i/Illere in ).Im ' gm llc Musa il b li'och Th.'I1. • K.. rn ll. rco/ e (Gruß\\ inkclkom grenzc] : 2-3 Atomab-stände diele amorphe Zo ne 1\\ iS(;hen den Kr ista lliten • Z", iIIi n ll.'~rcn zc : als S) mrnctriclinic im Korn • Stupelle hle r : Störung des

Schlclunu fbnus. ... 5.3

f illw hftiJ'.•e s ind unge woll- An Versetz ungen wirken d ie KlIl'IIgrt'II: .'I/ entstehen heim tc Verunreinigungen. schwächste n Bindungskr äüc: Erstarren aus Schmelzen und AlI.Hchd d,Ill j!,.>I/ e ntstehen Gitteränd erungen er forde rn bei der Rekrista llisalio n. durch Entmischung übe rsät - den geringsten Kra ftaufwand . lM'i/lillg~we":"1I beim Umtigtc r Mischkristalle im Ve rsetzunge n beginnen unJ formen d urch spieg elbildliches vcrvcrrtcn Wirt sgitter (koenden an der Kristallobcr flä- Umklappe n des Kris tallg incrs hiirellf ) ode r d urch Bildu ng e he, Innerhalb des Kristalls (D a' Schl illh ild lcigt .b lileines art fremden Gincrs trete n gcsch10s>(.'I1e ..Versc tlingsstrc ifcn"} , zun psri"n pe" auf. (il/Joohii rellf). t: rt..läruo jl: \ 00 W l'r"-' to ffl'iI:I'D\(bllftl'n ... 5.3.4. 5.7.2

• Gi llen erspaanu ngcn • Block ierung von o..'I1~'I1

•

Mischkri stal l\ erf~'Sti}!ung

• Plastische I "er/ormun?:Versetzungsbewegung • Festigkeit, Energi e und Spannungs feld des Gincrs • Rau mladungsrand sch ichten in Ionenleuen

• Brudll't'rhll ll en: Obcrfl äcbcneßl."f1I.ic - Arbe it lUITl k.'11 des Kriaalls (JLI/mm1 ) I"er • K.a/n't'rft·~tipmg JI',·M u/'1{: Verblegen ßloc kede do..-r G lcilsch ichlcn

zcrtet-

""" "'".

5 Cbcmiscbc Ilintlung und Struktur

11 ...l T

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Stufcm CN.VU ng f TU~v lichc IlaUw..-o..."Oe)

Die plastische rerfimmllll{ von Werkstoffen wird durch die Versetzungsbewegun g erklärt. Die Wanderung von Versetzungen erfordert im Realkristall weniger Kraftaufwand als die Verschiebung von Gitterebenen (Gleitp rozesse). Auf eine äußere Krafteinwirkung hin werden die Gleitebenen längs der kristallegra fischen Achsen gegeneinander verschoben. und zwar bevorzugt an den dichtest belegten Ebenen. Ausscheidungen und Fremdatome wirken als Barriere. Versetzungen erleichtern die Gleitbewegung. Kleinwinkelkorngrcnzcn (freie Versetzungen) reduzieren Gitterverspannungen im Komgrenzbereich. An den Korngrenzen wirkt die schroff wechselnde Krislallorientierung als Gleitebenenbarriere und Hindernis für die Versetzungsbewegung. Jede v crktppung und Verdrehung erhöht die Energie der Komgrenze. durch den Versetzungsstau baut sich eine Rückspannung auf. Die mittlere Ko r n~riiße im Gefüge bestimmt Werkstoffeigenschaften wie Festigkeit und elektrische Leitfä higk eit . FeinkorllKejüKI! - z. B. in Fein koms tählen - sind fest und hart. Grohk(}rnKt:fii~:e - z. B. in Gussteilen - zeigen etne rauere Oberfläche und reißen schneller. Korngrenzeneffekt e erklären langsame Fließvorgänge wie die Viskoelastizit ät und Jh kopla.\li=itiil. Abhängig von der Beanspruchungsgeschwindigkeit (spannungsinduziert) und Temperatur verformen sich Materialien elastisch und plastisch. z. B. Schaubverbindungen verlieren an Spannung.

Kri echen nenn t man di..: langsame zeitliche

Verformung von Werkstücken bei kon stanter

Be anspruchung durch die Korngrenzeaglei(And nand..:rgk iten de r "' ristallite ) od er [i n- und Au sstricken HIn Einzc b crsc tzungen in Suhlwmgrt'//:en . Be sonders umcr .-50 zur Zug - oder Dru ckri chtung (dan n wid t d ie maxima le Schubspannungj. Ausscheid ung en. Einkri stalle und ..stängcligc" "' ristall ge lllgc behindern den Krie chproz ess. t1l/1g

Beim

~/ellt'm

wunden e in SII!km·('r.W/=IIt1gs-

elcrncnt zwischen z wei Lilcitcbcncn. indem

Leers tellen diffundieren. Beim Sd lll\·i
Beim Rt'kr;s/cI!/i.Wllio//.\·/<:lüll..tI bitden s ich von den Spmmungsspit/en c uter vorherigen Kaltvcr f..'stigung aus neue Körne r. Bei starker VerIL'Stigung (viele Spann lingss pilJ'.cn ) entste ht ein feink örniges Ge lUgc. nach geringer Kaltverfestigung d n grl.lhkllmig<..-s Ge fügc. I't'rgli/t' n ist Härte n (I ;.rhi V..:n und Absc hrcckc n ] und Anlassen aufSlI hohe Tempereturcn. da s... d ie 11311e weitgehend verschwindet, aber ZlIhigkc it und Fcstig kcu zunchmcn.

n ie i llft" rtri.\fllllillt' Korros ion bei nic htmstC1lden Stllhl..:n ist eine Fo lge dLT Chrreuvcrarmung an de n Komgrenzen (d urch Cr1.'Cb Au sscheidung).

100

I Allgemeine und Anorganische C hemie

5.7.2 Spa nnungs-Dehnungs-Diag ra mm

... 5. 1. 5.3

Der statische Z ugversuch an Normstäben liefert wichtige Materialken nwerte für den konstru ktiven Masch inenbau. Im elastischen Bereich sind Spannung und Dehnung pro* portiona l (0 = E'r..). GefLigeänderungen d urch Gleit prozesse kennzeichnen d ie plastische (bleibende) t'erfornnmg.

Efa.\'li:iliit.mwdul (E = o /c ): Maß flir die Sleifigkeil des Kristallgitters gegenüber Zugbcanspruchung bzw. die d urch Formänderung gespeicherte elastische Energie pru Vchnncnclnhcit:

Anstieg der Spannung-Dehnung-Kurve .'X:huhtl/od/lf ( CI = t/r): Maß für die Ste ifigkeit

Der .•fließende" Werkstoff dehnt sich. die Lastaufnahme

des Kristallgitters gegen Schubbeanspruchung

geht schubweise zurück. Beim Erreichen der Zug festigkeit

{}uerkoll/mktiol1.~;(lhf (POISSON-Zahll: Maß für die Anisotropie des Kristallgitters I'ropor/lOll(tlgr el1;e : Ende des linearen Anstiegs der Spannung-Dehnung- Kurve

schnürt der Qu erschnitt schließlich ei n. ein mehr achsiger Spannungsz usta nd entsteht. Eine weitere gewaltsame Längenänderung führt zum Bruch (Bru chdehnung).

Eftwi:ilätsgrel1; e: Beginn der Gefügeänderung durch Gleitprozesse (schwierig IU bestimmen). Technische Elastizitätsgre nze: Ep =- 0. 0 1 % n Ü!ßXrl!I1:e: Beginn der plastischen Verformung (schwie rig IU bestimmen) Obere Str eckgrenze R
1 NImm} = O. [ kNIellI' = I Ml'a = 10 ber c 10.2 kglem l

,-

-

die Spannung o(e) konstant oder sinkt.

ZUgfestigkeit Fe ~ .. tsget
- I_L 'jR ":"-- i -t -=-/ - [ -

!

-

Bruchpunl
_ Streckgrenze

untere

~.~

-

Elastl2ltlUogrenN

-

PropotI Io.. lgrwJze

rägte Streckgrenze 7ugfesli~keit Rm =- I--"';S,,: maximale Spannung (Höchstlast}, wenn dic GleicJunaßdchnu ng ~ erreicht wird. Beginn der Einschnürung (Q uerschnittsahnahme .')'-.5o) und Spannungszunah me durch einen mehrachsigen Spannungszustaud: Maß lur die Festigkeitsgrenze des Werkstoffs

Elastizitätsmodul

E =- dcr dc.

Brnchdehmmg A (Dehnung bis zum Bruc h ) = Gleichmaßdehnung fll (bis Rm) + Einschnürdchnnng c.,. Maß filr die Zerreißgrenze tiäne : Widerstand gegen Eindringen eines härteren Körpers Festigk eit: Widerstand gegen Ver formun g Xachgiebigkeil: Kehrwert des .. li-Moduls-' IIE

r."""

'..,

" ~ -- $ 0.5 D e hn ung &: A1 i1

0.1 %..Dehngrenz e Rr" l : Bei Entlastung bleibende nichtproportionale Dehnung Ep= U.2 %

Ersocxtreckgren:e Illr Werkstoffe ohne ausgep-

Dehngrenze

Hi

,

.00.

Untere Streckgrenze Rd.: Ende des Hic ßcns. und Beginn der Verfestigung

5.7.3 Härte Den Widerstand eines Materials gegen einen Prüfkörper. der in vorgege bener Zeit mit bekannter Kraft (statisch) oder veränder licher Belastung (dynam isch ) in d ie Probe eindringt, nennt ma n Härte.

Zähigk eit: Verformungsfähigkeit bzw. plastisches Formänderungsvermögen bis IU1I1 Bruch. Zähe We rkstoffe ve rformen sich makroplastisch vor dem typischen Gleitbruch. spröde Stoffe vo r dem typis chen Spaltbruch jedoch nicht.

J

Duktili/ät: Verformungsfähigkeit auf Dehnung oder Streckung ohne Schädigung und Rissbil.. dung [lat. ductus. Zug )

l

"' l lii rtc l' rüfHr fllhn' n

Härte B RINELL V IC KERS

Anwendung

Prüfkörper II IIS Stahlkugel II II W Hartmetallk ugel 11\' Diamantpyrarnidc

K NOO I'

11 1'

rhombische Dia-

ROC KWEU .

nuc

Diamantkegel Stahlkugel

II R B

Wahr e Spalllllmg. Auf den tatsächlichen Querschnitt SIe) bezogene Kran (statt auf den Alisgungsqucrschnitt 5u)

marnpyrumidc

~

....

3-stufige ~kssung mit Vorlast. Prüfkrall und Nachdruck

Wahre IJt>hlt/m~ ql =- In S,/ S Im ..wahren" Spannung-Dehnung-Diagramm steigt die Spannung bis zum Bruch kontinuier-

lich an (kein Abfall während Eiusclmürdchgilt die 1I0 LLOMo N-Glcichung: n e k q>n mit k Verfestigungskoeffizient.

nung j. Es

5 Cbcmisc bc Ilintlung und Struktur

5.8 5.H.1

101

11

Le ierun en Kri st all ~cmi s l'h c

und J\ l ischkr ista llc nebeneinander lieg en. Durch eine Wännebehandlung kann man einphas ig entmischte ZJ.JIIf.'II schaffen und die Festigkeit der Legierung erhöhe n. Die Unlll'U1k1hl1lg.~Jliirl ,mg von Einlagerun gsmischkri stallen beruht auf Gitterverzerrungen. wenn beim schne llen Abkühlen eine Modifikat ion mit geringerer Fremdatoml öslichkeit entsteht. Int ermediä re Kl'"ista lle wie Zementit Fe-C biI· den stöchiometrisch zusammengese tzte Einlagerungsstrukturen von außerordentlicher Härte .

Nach der Verarbeitung werden KIU.'t- und Gusslegierungcn unterschieden. nach der Zusammensetzung : Kristal lgemische und Mischkristal le. '- 1.6 Die ge lösten Fremdatome bese tzen das Wirtsgitter eines Mkchkl'"ista lls regellos. Geordnete Überslrllkture11 (Femordnungen) treten nur auf, wenn die Anziehungskräfte zwischen den Atom sorten sich grund sätzlich unterscheiden. Dennoch besteht eine Xahordmmg. indem die Fremdatome auf Grund von Gitterverzerrun gen nur se lten direkt M i..ch k ri..ta ll ( Feste

Inl ernu'd iä re Kri,talle

Kristall gemi sch

Lös un~)

E inphasi g ~o:no.'S

Gefüge. mi5chbore ähnliche l\ ompor'K'.Tltcn: Eigenschaften 3nlk.'fTl sidJ nidJt linear zur Zusamme-rL<;o,.v ung.

Zweiphasig-beterogenes Gefüge. nicht miKhbore Kompoo<.-nl..rn; Eigcmschaäc n ändern sich proportio.). nal zur Zusammensetzung.

• Surn.til ution, mi-.< hL.';"b1 I1c: f rcmd!!!lai!.!.!alurne Hin ähnlic hem Atomradius (O.8j :Sr,JrB:S 1.1j . gleicher Ginc'ft~p) h..-sev c-n his 1U IOO'h. d~...regulären Wirtsgill""!'J'I.3.ve. Systeme mit \olb t:lndige Lösl ichkeit sind: Cu-Ni . Fc-Ni. Fe--ü . Au-A g. Au-ru. Mo....W. Ti-Zr. • t:inl"l:t r nnl:\m i'f hkrh llllle Klc i ~ Nkhl m...1allaltllUe wie 11. N. C und B (r,JrB< 0..-11) ",,"'SC l/~'Tl weniger als I ~,;, der ZII; sch,:ngiu""!'J'I:lve d es Wirtsgincrs.

ll'hasn:iphast.-n-S) stc'fII am niexlngsicn Schmelz- und ENanun gspunkt. Be i allen anderen T empcratu rcn hal die ~l i schung einen Schmd/bercic h. •

Ph"\I'n ~c:mi-.
1.

I

Einr>ha-"ig-horno{!cn. ehemischen Verbindung..'Tl ähnlich; kompli/ i ~"'e Kristallgitto.rr, ionische und k'l\ ak'Tlte Bindungsenteile • Inl t rm c:I. J1Nhc: Phll\l'n H. Cu,As.. A I:!.2 I1 ~.. l'eC r. Nb-Oe. TiJNi.. Zr~I. I.iAJ. SmCo.. TiAI I .

• Intt f'll ilic:lle Pha\l' n •.Einlagcrungsmischkristallc", sttlchiornetrisch zusarnmcngersctzt, ohne m~'ta11ische Ejgcnschaflen. L. H. Carbide. Nitride. Hmide dc... Übcfl!uog."nlClulle

• t:ulc:L.toid EUlektikum-ähnlich...-s 1\1 ciphascngcmisch. da... durch Zerfall eines Misch- FeIe WC vc TiC ZrC TaC ) kristalls ..-rustcht, z. H. Perlit (Ferrit + ztlllChmcntler Schmelzpunkt ZenwnJit)durch Austenitzerfall

(i lHtl, ' sche l'h " ' C:llrel:d F - A - p + I nntl Z u\ta nd\\f hauh ild (f"!-relhcllsgrddc. j..' Komponenten, f' Phasen]

Zwei \'(j/liK mischbare Komponenten Zwei nicht mischbare Komponenten im testen (ode r llUssigen) Zustand im Drcip hascnsystcm : f · = 2- 3+ 1 - 0 haben F - 2- 1+I - 2 Freiheitsgrade. Freiheitsgrude. d. h. die Temperatur d. h. Temperatur l.IillI Kon/ cntnuion muss solange konstant bleiben [llultckönnen sich 1Illahhängil!- voneinander punktj . bis sich die Zahl der Phuscn ändern. Es gilu ein Schmdzi!ill:.n:iill verringen hat: Bildung eines EUII,ktiim lmscnförmigcn Zweiphasengebiet kUIIII mit einem Schmclztll!!!11. wo ..lest + flüssig" zwischen SI,lidus- lind Soliduslinie (llnrilOntale) und l.iquil.iquiduskurvc. duslinic (V) zusammenstoßen.

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Eiscu-Kohlcnstoff-Dfugremm.

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S)'slem mit intcnucdiärcr Phase: Zwe i liegend K.ll\nni ge Zu stundsdiugrammc stoße n aueinander. r , B. J.t'liI 'h/lr i! und l.t'II/t'lI/itpunkt im

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102

I AII\:cmcinc und Anorgenischc Chemie

5.8.2

r.isl'n -Kohll'nstoIT-Lc~icrun~cn

Stä hle sind ..meta stabi le" Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit höc hstens 2. 1 % Kohlenstoff. der a ls Zementit Fe)C vorliegt. Zementit steigert die Festigkeit. • Ferrit bezeic hnet den Mischkr;.~1a/l des kubisch-raumzentrierten c-Eiscns mit < 0.018 % e ingelagerten Kohlensto lTatomen in den Ok taeder- und Te traederlücken . • Austenit heißt der Mischkristall des kubisch-flächenzentrierten j -Eiscns mit bis zu 2.06 % Kohlensto tTatomen in den Oktaederl ücken (Würfelkanten). • Zementit (Cernentit ) bes teht aus Eisencarbid Fe3C. K ohlensto ffatome beset zen die trigona l-prismatischen Lücken eines hexagonal-dicht gepackten Eisengitters (hd P). • Marten sit mit einem tetra gonal verzerrten Ferritgitter entsteht beim Abschrecken von Austenit . Das kfz-Giner klappt in das krz-Gittcr um. Übersättigt er Kohlenstoff kann aus dem Austen it nicht schnell gen ug diffund ieren und ble ibt zwangsgelöst.

Eisen liegt bei Raumtempertnur im Wolfram· giucr tku bisch r.llInucnlricl1). oberhalb 9 11"(' im schmied baren Kupfcrginc... (kubisch f lächcnzc ntricrt] vor. Ohcrhalb des CURIE· I'u nk·

!L'S ve...Iicn Eisen seinen !F ewr~11!fi.!1

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Ferrit

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I'CTTit löst max jmal "ust~'Ili t

•

0.0 1 8~. Kohl~'IlSl(lfT.

21 '\. t-:ohk nstolT.

Eisen-Koh len stoff-A·r isl uJlgemi.fch-legierungen sind: • Perlit = 88 % Ferrit + 12 % Zementit. Erscheint unter dem Mikroskop zebrastreifenartig. ... Bild 5.7. 1 • Ledebum = 5 1A % Austenit + 48 .6 % Zemen tit. G usseisen enthält mehr als 2.1 % Kohlenstoff. Je nach An der Erstarrung oder späteren Wärmebehand lung bleibt der Kohlenstolf im Eisencarbid gebunden oder liegt in Form von kugel- bzw. lamellenförmigem Grafit vor. Die Legierungselcrnente (Si. P) behindern die Carbidbildung und verschieben das Eutektikum im •.srabilen'' Fe-Ccpiagramm.

Graues Gusseisen mit 2- ] '!. Silicium Teigt cin perlirisches Ge ßlge bzw. mit > ] ~'.. SiIi-

cium ein fcrruischcs Gefüge. Magn~'Sium und Cer fördern die IJildung \tlfl Kugelgrafi t. Ireifks Gus sd'4!n mit ca. 1 '!';' Silicium enthält - wie SlahlKuss - Zem entit, der heim mchrtägigen Glühen (Tempern ) in Gmlit "'-...fälh.

St ähl e

T

t

9 l1'C

Gu s s ei s en 114 1 ' C

Auste nit y

Austenit ... Zementit

0.02 %

Perlit + Zementit

unter- C 0.8% ): übereule kto id

~ Austenit ... Zementit + l ede burit Perl it + Zementit + Ledeburil

2.1%

.

~

123"(,

: Ferrit ... Perlit

, ... • .• •• -': ~

';:

Sekundär- oder Senatenzernennt

~

.•

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4.3% KohlenstoHgehalt- +

.. EMn- l..: ohlc-n~t"lT-UillJ: ... mm (nicht ma&1lihlidter Ausschnitt). ZCllll.....tit ist cm.'fi.kf\:ich~... als C,mlil. Man unk-rsclk:i·

oc't das ml.'la.fltlhile Fe-Fc.C-S<;hauhild (ßlr Sllihlc)und das fast d..'Ckungsgleichc s/UbiI.. l-"e4:·s.; hauhild (filr Gus.o;o:iso.'ß l.

103

5 C bcmisc bc Ilintlung und Struktur

5.8.3 Legierun g und Behandlun g der Stä hle D ie Beständigkeit der Stähle gegen Belastu ngen. H itze. Korro sion und Verschleiß w ird dur ch gezieltes Zumischen von Legter u ngselem em en ( "'5.8.3) und anschließende lJ'iir meheJumdJulIX erzi elt . Die Legierun gselem ente bilden Au stausch-Misch kristalle (mit Ferr it). Mischcarbide. intermetall ische Phase n od er Sc hlacken (mit Nichtmeta llen). Schädlic h sind belie bige Legierungsz usätz e. z. B. beim Recycli ng von Stahlschrott. Die Einzel wirkungen add ieren sich nicht. son de rn wirken verstärkend oder neuart ig. Cf/legierter Htlldlllhl: Ferriusch-perliuscbcs Gefüge. Et\\ 3 1.5 % ~1angan Ibr&.-m die z..-m~"Iltilaus.."Chcidung und MischlristaIlH"lf..'S tigung. C..."'Cip1~1 rur g~"Sl.iJ"ci&e. gcnjcu ae und geschraubte Baut eile . • Wetterfester ßaw /"hl \\ ider.>t~ilt dun;h midhikk:ndc l.egerungsek mc."Il IC Kr. C u. Ni )d..:r ~'fI KOlTOSion. • FeinJ:omhvWklhl: Wq.""Il dl:S geringen Gehaltlos an Nichlmet.allcn Illld d..... Llei......·n:n Komgrf& (dun:h eine Pfan ncnhchandlllllg mit Aluminium) geciglll.1 fiir hncht>c~te gesch\\ei&e Bauteile. • I erglirungu/uhl. unk~il.-n odc... njcdrig k~it.'I1. mit Q2 bis 0.6 ~. C. ist nach dem 1I ~ .."Il und Vergüten 711h und 7Ugf~"Sl.. • Eiruat;.JI.-tucrh.-tft ..rostfrei" ist Lein Stah l!

....' nrmunl:drrS t äh le ( J)] N EI' 1002 5

zu....m",,';c"c'c,"':';c"O"'7CC7:7 ,-

I ) ' .e h de r (" f · " I~i e rt H SI. h1 enthält nic ht mc br als: 0.0008 I/o ll: 0.05 0/. Ti. Nil. Zr. Leuhanidcn: 0.08 % Mo: 0.1 ~o AI. Sc. V. Bi. Co. Te. W; OJ~.

Die W ärnU:' b("ha nd l u n ~ de r Stäh le - therm isch oder thermom ech an isch - er zeugt vorte ilha fte Gitteränderu ngen.

I ..

O ber ü äc hemcc hntschc Verfa hre n - thermisch ode r thermoc hemisch - dienen zur Rondsctnchthänung zäher Grund-

05~o Si:

B. ! (: J!'i mit 0.35 °4 C. GOlcgrad ],

SI. bI C-arm mn c I ~. V. Nb. Ti. N als feinstverle ilte ime rnll;t4l h~hc 1'l>4>cn \l iL mt~i er/e r

' i rtl ril!. l~i r rtH St .hl: Ein Element Oberschrc ik1 den Grenzwert. z. B J.a ( ·r 4 mit 0.34 ·/.C UM 4/4 .. I ~/o Cr.

(0011:

a

1110: C. N. P. S. Ce: 10 : AI. C u. \10 . Ta. Ti V. Nb. Be. Zr 4: W, Si. Mn. o, Co. Ni .\

IIS

lI or h lf2i rNer SI.hl: > 5 % I.e~ierun~lcmenl""lohnc C l L.B . ' S("r,\ il 8-- IO I O.08 ~. C + 18 % Cr + I O ~oN i) Sc- h nrllarbei h~ll h l

z.B. IISI2- 1-4·!'i (l2 ~. W + I ~. MOl + 4 ". V + 5 ~o Co ) Stahlbau. B . S!J!'i.lIU ;2 mn R.", - 235 Nimm ' . : Il.l a"'hinenlmu . r: IJ. t:29!'i I' Druc kbehälterstahl (Kesse lbleche) ß Betonstahl .\ 1 E1cLtroblech

S

All~cmeiner

I .

c

• Härt en: Härtbarer Stahl gelangt durc h G lühen > 723 "C

in de n Austenit zusta nd. Beim Absch recken der Sc hmelze entsteh t sehr harter und spröder Manensir. .... 5.8.2 I Durch Anlassen (Glü hen c 650 "C) w ird die gewünschte Gebrauchshärte und Zäh igke it erzielt (Martensit zerfä llt). • Verxlilen: Beim Il ärten mit Anlassen oberhalb 723 °C ge ht die Härte verloren. die Zä higkei t aber ste igt.

Ni.l"r; 0.4 % l"u. l'b:

lM~.Mn

o

uen

In

An~changtc

ZUSlll.r.s)mbule:

GOlcgruprc

.1 K cr hscb l ag7~ higkcit \ 1 mcrmomc chanisch g~\\alrt , llurm.-tl~c~l lIht (l-"cinLllmsta hll \\ wencr fest

I.

L I!. l. UlI37 .. S235JRG2 \\'cr\;.slllllllilupl grIlPrc I .. Stahl

Oll Gruppennummer J 7 Zählnummer

werkstoffe. • Bei härtbarem Stah l wird die Randschicht erhitzt und abgeschreckt [Fla mm-, tnduktions-. Tauch- und Laserhärren). I Ist der Stahl nicht härtbar (z u geringer Kohlensto ffanreil), erfo lgt vor dem Härten eine Aufkohlung der Randsch ich t. Beim Ei ll.wt:lulrlell (Aufkohlen + Härten + Anlassen) dienen Hol zkohle. Cyanmsc hmelzen oder Propangas als Aufk ohlungsm iuel. I Zum Nitrieren werd en Ammoniak. Stick stoffi onen oder C)·an~sch m elzen ge nutzt . Sticksto ff d iffund iert in d ie Oberfläche des Nitriersta hls und bilde t dort verzerrte Gitter ohne Gleitebenen. Abschrec ken ist nic ht er forderlich.

GS G.l t. G.IS G.I \l 1I G.I \ I\\

Slahlg uss: < 2~;" C Lamelle n-Grafit ...G rauguss·· IGGL.) Kugclg reflt. Sphar,'l;u_s (GGG l S~h"auc r Tempc rgu's (GTS) We ißer Te:mpcrgu_s (GTW)

We i";n: Vcrfahn.'TI: Carb""itriercn. Borieren. Chromiere'n. Alili..'I"I.'fI

11

104

I AII\:cmcinc und Anorgenischc Chemie

i

., Übersicht: Lcgicrungself: mente im Stah l

er, V. Mo l lüslich in Ferrit). Gleit\\ idcrstand, Zugfestigkeit und Streckgrenze. Stahl mit 10 ~-~ Cr ist bei 0.3 % C bereits l.egienmgselemente schieben den Pcriitpunkt (723 0('. 0.8 perluisch. mit Mo. V. W bei noch geringe% Cl und Sckundärscmenthpunkt ( 1147 "C. 2 % C) nach rem ("-Gehalt! links; behindern die C·D illusio n aus dem abkühlenden Au.l/t'n i/hildllt'r : ~1n . Co. Ni (löslich in Aust enit) AusteniL so dass \\ f.:nig Fe rri t und viel Perlit c ntstd ll. C arbidhi ld nc-r Carflidc von Ti. Zr: V. Nb. Ta: er. Mo. W (PSE: -lb-6b ) v macht daue rfes t. hart. warmfest. anlasserhöhen die hildl.'f1 intermetallische Phasen . die härter als Zementit lx"Stlindig. Wann ti:st igkcit sind! Sie \er"ög...'1'11 die Koagulation von Ausscheidungen \ h und Ja \ ...-rhindcm J ic Aus..'iChciJ ung (die Hindernisse rur Vcrst.'VlIngshewegungl."Jl sind I. &ifiil:.c-r{"hromcart>ide beim Schweißen, gerenneren Schwcißcfgneng, Schuv \ ur • TiC (3200). v r' . :-.;hC (2800). WC (2-100). Cr-,Cl (2 150). Mo:C (1500): in Klamm...' l1l VlCKERs. l1l1ne inrc-rMistallin...T KUlTos ion in der Wannc· • Mischcart>ide: (Fe.MnhC. IFe.Cr)-,C einOu-"""OIlC. • Doppdcarbidc: I'c l Fe.\lo:C ("r mad1t han. ;,idc: Crz-,C... Cr,cl. schlciB-. kmmsionsf...-st: srrfode. Das StahlgTUndgefiige darfnicht entkohlt w...Tm:n! Uncr- ' .' macht \\ann.\~-rsch lc~ß f..."St: schnci d~ al ­ \\ i1n'il;ht ist die Carbidaullösung in dTUck\\ ass.:rsto ßli.-st...'fI tlg: anlassh.."Stärxhg (lxi llll(k:r1 \ lan "''IlS11Stllhkn: Fe,C + 2 1h ..... 3 J-"e + C1~ (> 200"C). ~-nall;~h,.khcht "cl'SJ"ilnhar. thennoscbo.." em Il llu IC . iuidhildn('r I'eindisp,:rso; "itridc und Carhonitridc \ on AI. B: Cr: V. G...r ring...-s Kom \\ach stum beim Glilht.'fI. i:rMho.'fI d ie Nh: Ti. Zr in nifrif.'rgrhanetf'n Einsatzstäh len _\ 1 macht / und..'Thl.."StäOOig.. oc.:r11k hcnhan nt-.-r11Jl.Th,,'fI· • lI'urm/ es,e Sltih le : zäh mit hoher Dehngrenze R,..:J. (schnelle StickstulTdi lTu-sion l. kk incr Kriechrate > 600 °C Ti ma..:ht ktll'Tl,lSiun.s f..."SI. sch\\eißbar tv gl, • .1Iil;roIe ierte SliJhl/!: ~ Stn:cl mze R. Nb, Tal: "al,,· uoo tie fLiehbar. . \ u ~t('ß i l­ MischkristallbilJm,,-r wie lIOi. Mn. Co 'l n macht zugf..."SI. schlagfe"SI. 711h [wenig bildner "'''1'\\ eitc'1l1 das Austcnagebiet. Mn). \ o;r-;chkißli.-st und sorgt für Durchverschieben den Ilah...-punkt Al (Übclltang: y-u hanbarkeit Sl.l\\ ie Pc"l"i it\ crrfcincrung. bei 911°Cl nao;h untc'fI. so dass ("tl macht han . warmf...-st. schnciJhalt ig. IIl1tfrhihlt/!r ..fllStenil bei Raumtemperatur stabilisiert sowie spröd\: und behindert die Grobkorn(kr/ ·Gin...-r) und ~lart"''fIsit bi ldung verhinden wird . bildung beim Glah<.'fI. :'\i macht: fest. / :lh. formbar. konosionsbcSI:lnt.Jig. senkt WlIm1...xlchnung: steigert II:lrthari..eit .I!!llJ I.llhigk.eil. Fe rri tCarbiJb ildner \\ ic Cr, Si. 1\.10.. V. Ti. AI verkleinem das Cr macht bart.v ugfcst, warmfc-st. verhildnt'r Austenitgebiet und schnüren c.,. nach oben ab: schtciß-, korros iunsfcst: spröde. verschieben die ö.....y. Um\\ andlung (1-101 0(') zu tiefen \1 11 macht "ug-. "ann_. Ja ucrf...'Sl (bt."S.-er als Temperaturen (kr,,·(jiuer). Cr. Nil: kurrl,lsionsti."St: schncidhaftig. dUl'\:h· h:irtbar und w rh imk rt Anlas.sspri\t.ligkeil. Viel Mo \ e!SChlechten die Schmk't.lburkeit. (hid hiltlncr /) f . 0.3 %). Ju ngen gelangen qualilülslllindt'm de EII'IIIt'll/e ins Stahl- schk'1:ht schweiß. und schm....'t.lbilr. schk'1:h[ i!clllge: I>hosphur. S,h\\efe l. Sau...-rstotT. Sticksto lT. Was· kahfonn· und /f,.1'Sl"aubar (h·menti\). st:rstulT. S macht sl"riltJe. n.[hrtlchig (1Ieißhruch); Suflide. l>htlSphide. (hiJ e us .w. liegen als spröde Schla- bei Auttlll1menstahl gute Zerspanharkeil. ckenlcilch...'fI \ur ut.kr \\ crden bei der Wann um fonnung I' macht / ugfest. \, ann fest. kumlSitmsf...-st: kalthrllchig. spr/'ode. 1USchlacken/eilen g...'Stn.-ckt (Schmi..'t.Iefascrl. NlIt/lieh in klcin...'fI Anteikn sind Mangan lUld Silicium. :'\ ma<..in f.."SI. spr/'ode. "enii! ahen.mgsbc. st3OO ig. schle,ht tief..iehbar. o macht mthrllehig.. nicht schmk"t.Jbar. JI b... \ irlt Was. 'l'Sto lT' erspri\dung (AlteTUn") -rin..c K -rbschla..;M>ioL:eit. .'1 i'>(' hl..rislll ll - .1 fi.~chl.:risl{//"w:fi·SliKlIIIJ{: Durch Gincrvcrvcrrung steigen f'erril hifd",'r:

hildn c- r erhöhen die Festigkeit

W..c.

"'"

I

I'

5 Cbcmiscbc Bindung und Struktur

105

5.8.-1 Nichteisenmeta lle Stahl ist wegen setocr I Iärtbarkeit der wichtigste Werk sto ff für hochbeanspruchte w crkzeuge. Nichteisenmetalle und ihre Legie rungen erm öglic hen Spez ialanwendungen.

t ~ir­

run!=.

• l.eichlhcl/l: MilgJ"Il:s ium ( 1.75 glcm\ Alum inium (2.7). Tita n (4 .5)

(-no

• Gun fl'gi I.'TUIJKe,r: Zinn (232 0(' ). Blei (3 27 CC). l ink oe ). Magne-;ium (650 0(' ). A lumini um (660 °0 · I.,(lKenl' f tclffl.': Pb, Sn. Cu. Al-Legierungen Igutc Glcucigcnsch a üc n ) • A:.onvsio nm :hur=: Nickel (a llalihc:s ländig ). Titan [säurebeständig },

Al uminium (t..~I:ind ig gegen l ntlu~tric l u fi ). Kupfer • ElelilfVfIit : Ag. Cu. Al (hohc L.c itfllhigl eitl • Reatlorhou: Zr [geringe), Cd. llfC hohc Neulnlftl."tlabsorpl:ion l

Reine Metalle schmel zen bei höherer Temperatur a ls Legierungen und sind korrosionsstabiler. Leg iere n erhö ht jedoch Härte. Festigkeit und Spanbarkelt. wäh rend Dehnbarkeit und e lektrische Leitfäh igke it abnehmen .

+ Gehall (in %l B. " ~ \II.tSil \ 8P /. Mg " 1 4 ~. AI + 1·;' Si.) [] cmcn ls~ mhol

I.

l.eichllllt'l
Sd,wenllf' /(,IIf': Oiehu: ;::5 lt!1.11l' RUI/lIll f'llI lIe: Cu. Ni. Zn und l.eg icruagcn

Weißmetalle:

Pb, Sn. Sb und Legierungen

Legien"'gJmela /l e:

- höc hsto;ch mcl/I."tlIk: W. Mo. Ta - hol;hsdlmel/endo:: Cr, Mn.. V. Co - nic.'lJrig.."Ch melll."tl
J

.. f'benicht: :'..:ic hteiwn mel3 1le .\ lu m iniu m un d .\lum in iumlq: ir ru nl':en Re inalum inium

Durch e ine natürl iche AIP-"Sch icht Lepiaaktisch", d . h. d irekt auf dem ~ktall,il1er) ist AI seew asscr und whtcrungsfcs t. aber unbes tändig !!-l.'gCTI Säeren. Laugen. Lo te und Flussmittel. KIlnslIich (anodisch ) erzeugte _Ekl\ al--Schichll."tl I.Thöhcn die v erschleiß- und KomlSiunst'l:s Undigle il. Sie lassen s k h dd ,or3l iv bla u. nagold oder sch.. arz einfärben . ,\ 1 ist un••:dd. nur unte r Schutzgas schweißbar. s. l."tligI.T fest als Stah l. kaltforrn bar, dehnbar. b iegcctesusc h, w ärme- und stromleuc nd, ungiftig.

KunstruLtion.... .\ 1( \ 12, \I n}-t q k ru nge n eignen sich für Blec hverpackun ge n. Schiffbau. Sc hildl.T. Waggont üren. Rol ltore . I mermetallische Pbase" mit M g. Cu . ln. Si. Mn t,. H. A h Mg: . A I .~ln) filhn."tl zu einer ~l iseh lrista ll\l.Tfl."St igung. Si mach t korrosionsbeständig [sc hädlich sind Cu und Z n). Cu hl"lch fl.'Sl u nd dehn bar . Zn beg ünst igt die Se lbslaus hllrtung nach de m Schweißen, Pb VI.m:sSt.'T1 die Spanhark ei l (sehatllieh s ind Si und Mn). Li die Wann fl."Stig Lcit und Steifigkeit.

lcgicrungen

Gu sslcgic nm gcn :

,\ I(Si, \I d -t e gil.'f\1ngl."tl werden in de r Chemie- und Lcbcnsminchndusrric Slm ic 1. B. IUr Druckgussgchäusc genutzt. Si. Zn. Mg verbes sern d ie G ießbarl(it. Natrium in der Schme lze sorgt tllr ein besoe dl."I'S fein k örniges Eute ktik um . d a I.'S die Kristallisation beh indert ( 13 ,%, Si. 570 0(") .

Aush ä rten des

St'lh."illJ••lulr/""g: Bcun schnel len Abkühlen [z, ß . Kokille nguss. Se hss( ißcn ) e ntstehen ungewollt

Aluminiums

übersättigte Mischkrista lle. die im Verla uf von Ta gen aushärte n. Alisscheid/llIX.lhcJrl /ll lf{ isl e ine dreistufi ge Wllnne behand lung du rch I. Lösungsg lühen. 2. Ahsehre-

ckcn. 3. Auslugern bei normaler oder höheren Tempe raturen. Durch Il i n"u~ i oll entstehe n Ausschcidungszonc n innerhalb des Misc hkris talls. die durch Gleitblc..... kicrung unrtc und Festig keit steige rn.

Magnesiumrnetall

Mg isl silbergrau, unedel. we nig zug le st und brennt mit hellleuchtender Flumrnc (Löschen mi t Sand. n idll mil Wasser!). Wllsserfre ie Kühlschm icrsto lle verwenden !

lcgicmng cn ;

Knct- lind (iusslcgicrungcn aus \I ~' ln und \I ~, \I für Leichtbau ve rkleid ungen und Gehäuse

Rcimirun

Durch e ine T iOl , fh'ckschichl w ird Ti korrosionsbestä ndig ge gen oxidierend e Säuren und Chlondlös ungcn. Titan ist körpe rve rträglich [fljr lmplantatwcrkstoffc j. fest wie Stahl. dauc rschwin gfcsr und warm fest b is 500°C. schwe ißbar nur unter Schu tzgas und neigt /ur Wasscl":'w1l\ crspröduug.

Leg ie rungen

Pd, Ni und Mo erh öhen die Kormsionsbcs tä ndigkc it. 1.. B. rur Ch.'m ielll'1I(Irt" .. hcm. u -Ti- l.e gic rungcn : V. C r. Cu. ~10 stabilisieren d as H/-Giuer obe rhalb 320 /l-Ti-Legierunge n: AI. Sn. O. N stabilisieren da.. hexagon ale Giltl."f bis 550 °C. Flugzeu gtasn Ti .\ eignet s ich für Trie bwe rke, Il ubschrauber-Roto ri(lpfe. Re nnw egen .

Il art"Ch iehten

IllInung in SallSChmcl/cn (800 "C, 2 h) ern.'Ugt N-. 0-. C-hahige versc hleißfeste Rand schichten .

-c.

11'.,."

\ iob und T ant a l sind sch" c illbar Ul1tl.T Schu lJ~' bo..~tllnd i g gegl.'Tl Sliuren und Allalie n. hiuebo.."Stlllldig. Nutzu ng: ChcmieapparateMU.

106

I Allgeme ine und Anorgenischc Chemie

Kup fer und KUJ,ferll'J:ieruß I:C'D

Reinkup fer

ist w incrungsbcst ä ndig (I 'm ilk' = basisches Kupfcrcarbon at). unbeständig gegen Schw efel. heiße Salpeter- und Schwcfcl sllurc:.wcich·;r1ih. sehr de hnbar. kaltum formbar. Verunreini gungen m indern die herv orra gende ele ktrisch e und thermische l.citfä hig kcit. f.Jd:fro~111,;ul'f(''' (I:-C u) .... ird du rch kathod ische Abschcitlung aus Kupfersulfatlös ungen gewonnen.

Nkdrigk~k·r.

Ag . Zn. Ni. Cd und bucrrn ctallischc Phasen (m it Mn. Si) ern..'ihcn die Festigke it. oh ne dras tische Senkung der I.d lfilhigkcil. Te. S. Pb <. ..e tessern die Zerspenbarkeit. Dio."Sl: I.I.-gicnmi!cn \\ ..'fIicn gen utzt 1_ U. für Venti le. Schrauben, nicht funkende Werbeuge (mit I\c ). Eldarl,ld..' Il .

tcs Kup fer

Kupfer-Zin k_ • (I-M ~"Ssing « 37~ . Z n. Ul- MischkrisL1l Il): f<."SI und lIehn bar; I>rud ' mc s...ing für Ziehen. wat -en , Slauch~'1l

1 ~ic'run1':('n

.\!",ss;nK

• •

(37 ... 15 ~'" Inl: ban-spröde, spanbar, "armum fonnoor (650 °C). Au h.matcnm<.-ssing rnillUsllu lich AI. Sn. Si. Ni. Mn. Fe rur höhen: Festigkeit ( ~ lischkristaJlhildung). sowie gute Glclt-, Versc hleiß- und KOITOSion~"Ständ i gkeit (durch I>t."l..-ksch ichlen) M cs....ing: r\uuung. rur Schrauben. \l usik instru rnente. in Fein mechanik, Uhren -und Elek troindustrie j\- ~kssing

SOOd~'TTlll"Ssi n g.

"':upfrr-Zinn- Ge gen über Mes.'iing hat ( · uS n bessere m~'Chanische Eigenschafleu ( h:orros ion s- und Ycrschlcißfcstigl..eiL S(mie Glci twrm~en).IJdm Erstarre n treten Seigerungen IZus.amm<.'tl se"VUng.sunt~'1'SChk'l.le) a uf. Zn ist bill ig<.... als Sn-und kann es te ih \ eisc ersetzen (RQlgus s Cuxnzn, I . H. filr sc'C'\ assc-rtoe-släodigc R~ GUssleilc). Ni wrt...essen Festigkeit und Deh nbarke it, Pb ZerspanbarLcit und Nodaufcig<.'11SChallcn. • 5: 8 ~ . Sn: ho.>ffiOl:!~"I1<:S \t ischL:ristall ge rugc: kaltumformhar. kaltverfestigend . FcdI.'TIl., Drähte . Rohre • 9 ~ . Sn: hl'ochsle Rn ll;lxk.i lllung l.. R. für Pumpengehäuse . Schnecken- und Schr;lUho.'tl~... • 12 · . Sn: Gu ssle gierungen mit hohcr Zu gfestigkeil r\utzung rur Gleitlage... • 20 ~. Sn: han-sprödc: rnr _Glock enguss1.q :it-runltcll

,",uprn .\ Iu m iniu mI.q: iu u n l:t'n

" AluminiumbrotI:.e ·· h:uprt'r :'\icl..d l .t'g it'run l:t'n

Ilis 8 · .AI ist ( '1,1 \1 einphasig.. >8 ~. AI biltkt sich e ine martensitisch-speöde IJ-I'hase (565 °C). Wie alle t\l um in iumk'{!: k'n mgen ".:gen de r Qxidschichl schledltlt'll;- und sch" ei ßbar. aho.... kOlTOSionsbe stllndig gege n M ~"l..T\:\ a'i."'-"'_ und Schwefelsäure; kahzäh, abc... f<.os!<.,. als CuSn. S(m ic schlechterr w ärmeund suwn jcucnd. Le gicn mgsclcmente: Fe " irttl..omfcinc.-nd und fc...tigkehssteigcrnd, Mn deso\illiercnd und \\ ano f<....tigkeitssteigcmd. Ni erhöhl Secwasser- und Uau<.TSch\\ ing f<.'SI ittl..e it.. An\\ e od ung: Appanlle- und Bergbau, Schiffschrauben. Turbiecnsc-hauleln. Ölrohrarmaurcn. g~ I!<.T1 als ideale C·u ,"i-\ Iischkri'i(a llk'{!:icm ng (kubisch nll<.-h~'IllCnt ri~Tt ). t> 5.3.1 Cu Stllit fllr v crton n bark e h und l>dlnung.. Ni rur Festigkeit und Ko rrosionsbeständig keit. 1-:i~~nSl;hatkTl ; zäh-de hnbar (b is - 200 QC). kalt - uod warmumformbar; mllßig l e rsl"<Jnbar: schlech t wärme- uod stromle hend; silberartig-dekorativ CuNi 25 g ilt als .Ifün:legierong (ab 15 % Ni verschw indct d ie "up r~,.lilrbe ). I % Fe und Mn sorgt Ihr Mccrw e..scrbc...tändigkcit; AI und Mn verbessern d ie Kahv c rfoembarkeu bis 500 "C.

" Xeus;' h..,." (" u," iZ n. Zink crsc lIt teilweise uas tcurc Nickel. erh öht Warmfestigkeit und 1l :1r1.~. mindert d ie "nnnsinnsbcst:tnlligkcil. l>ie Eige nscha fte n liege n Z\\ ischcn de nen \011 "-k ss ing und CuN i-I.<:gicrungcn. Nuvung.sbe ispid e: CuNi 12 Z n 2 ~ Iür Besteck. CuNi 18 Zn 20 rur Hri1l<:nl:\e:>tcl k. I-"cJ <:rn (" u" oSn: Lag<:nne talle mit g ut<:n Gle it- lind Not laufe il:\ensehallen 1'0 cr lcidll<: l1l1i<: Z<: rsp;ll1ung. ma<:ht aber spr(\ue ulld \\anll risscmplim lli<: h.

Rd nnickc l

ist sil berwe iß. pnlicmar. I~sl. d<:hnbar. f~'TTlJmagn<:ti sch . ko rm siunshesWnuig. sc h \\cl~le ll\ p 1i n d l i ch. gut ka llll,"11- unllt iclzi ehhar; schwe iß... weich - unu hart illtbar; lcrsp' lIlb'lT. An\\cnJun1/-: galva nische Üher/ lige. chemischer Apparatebau ., Ball eriet<:chni k

LcgicR mgen

Nieu ) O I-"e (.HII.\"u .- ,l k/ilff) rur ehern. t\ ppann ehau. Nich \ crLstulTim F1l1g1eugbau Ni Mn 211 1'1: (/fmlelfoy ): sall- unJ sc hwefcl:>ll urchestänJ ig

Z ink

sicht billu lich-silberm all aus. passivi<.Tt an Lu tl (Zinkcarf>nnatschieht). Es isl ung~'Cignet flir I.e hensm ill~1 (g in ig). Illssl sich schmi~-dcn. warm \'<...fonnen (150 °C) . \\a l/cn. Ii<:hcn unJ hai lien höc hst<."1l Wlirm eauStk hnung skoeffi / icm d<.'1" f<.'Slen Meta lle.

J)ru ...hll u.....

Ikim IJrucJ.:p m w ird flOss ige s \ktall unter hoh~"I1l Om ck in Slahlfon nen ..gCSChtlSscn·· (h is 2000 bar. 70 m/s). Uie Form hllll\en \\erdcn durch große Schließkrll ßc dic ht ge halten (h is 25 Of)() kN ). I Orleife: Oho....llllchcngllte. e nge Maßtoll:ran l cn. gcrini!er Eingus sam eil. hoh e I'roduktinnslci stung Xadl/ei/e: Ciascinsch lüs-'iC. nicht sch\\cißbar.I~'tIre Oau<.'1"form en l>ruckgusslegie rungen haben : nied rige Schmdll<."I1lpcr.ltur. gut<.... n ie ß- und I'o mlrnllungsw rmt\gen (dOnn"andi g \ el'gie ßhiJrl. kleine Sch\\ iodmaßc (i!~-rini!e Wa rmris.'illCigung l. nk'l.lrige Gasaufnahmc (I'orus itiil "t..:s Gefilg~'S1. Maß- und Gerugd...'Stllndigkeil.

~I: ierun l:en

5 Cbcmiscbc Ilinllung und Struktur • Zink. [)n u.:kguss: • Aluminium-I>n.Il;kguss: • Magnesium-I>ruekguss: • M cssing- Druck guss:

• Zinn-Druckgusse

Blei und Il lci l...~ it.·nm-

gen

107 Zn ,\I für maßgenaue. oberflächengute Teile; 1 . B. Modelleisenbahnen .\ ISi (Cu. Ni) für Rolltreppenstufen. Motorengehäuse. Kolben, l> finderköpfe. Nähmaschinen .\ 12.\1 (Si) für Autofelgen. Gerriebegehäuse CuZ n37Pb für Kah- , W ann \\ a.~ser.umatu rc n Sn (Sb) fUr M cs sgcrärcr cilc: maß. und kOffilSitlllsb,:'st3ndig

Blei ist mangrau. schwer. korrosionsbeständi g gegen Säuren. ein guter wärme- und Stnlfllleiter. gifiig. gut gicßOOr. kaltumfonnhar . zu weich zum Spancn: meßt leichL absllmil.'rt Rl\ntgl."fIstrahlun{!Nutzung : IUrSU'ahIl."fIsehul1_ lJIei3kkumulatoren. Kristallglas. Lagl.'nTlCt311c (1. H. Lg_I' bSn 9 Cd mit guten SOl13ufei jl.cnschaficnl und im chemischen Apparatebau U1eil...~icrunjl. mit Antimon (Sb) : Erhöhung &..'1" Härte \00 Han blci und U1eilagctml."IaIll."fI

Zinn und -legicrungen

Zinn ist grau-silhcl"\ ei8. /I.-rl'ä11t in der Kälte zu ..zinnpt."SI- . lässt sich jl.ut gießen und walzen (Stanniol). NutLung: Zinngl.-schirr. We ißblech (\cujnnte StahlblechdoSl.'Il ). We ich!me !.-Sn 60 Pb (Sb. Ri. Cd)

L 1I 2 rr~ C'r"'­

haben bctcrogcoe Gcffige mit harten Traglristalll.'TI in weicher ~l atri \ (gute Gleitfähigkeit. kleine Reibzahl. \\ännelcitl.'t1d. \l."r.iChlcißfest). Beispiele: C uSn(Zn. Pb). Cu Pb(Sn). Cu.\ IlNi). G.\ ISi12CuNi _ A:oIbe-n/~ierung" f"ur Kurbe lwelknlagcr

stDffC'

5.8.5 Sinter me ta lle

"' 1' rf" rnl\ C'rflihn n (l) IS 85801

w er kstorte (S intermeta lle) entstehen. wen n feste Pulver zu porösen Formteilen verdichtet und erhitzt (gesi ntert) werden. Ausgangsstoffe für Meta llpulver kö nnen auch Metallsalze und metallo rganische Verbindungen sein. ruh e rm ('l allu ~i'i('h e

I. Puh u hC'ßIC' lIuns:: l.en ll1ubt-n von I\.II."Ialischmcl/ en mit wasscr, Luft. Argon. im Va-

kuum (I. n. Roheisen. Stuhl. Nichtciscnmctalte) Reduktion von Uxidcn im Wasserstoffstr om (Fe. W.l\.lo. Ta ) Elektrolyse. 1.. B. Kupferpulv er aus CuSO~- !.ösung Thermo (ru .I.. B. Zerscllung von Ni(CO )." 1 U Nickelpulver 2. l' rC'~~e l\ : Nach dem Sieben. Granulieren und manchmal Zugabc eines Binders (Polymere. Zinlsteantt) wird das Metallpulver in mechanischen oder heißisllslulischen Pressen' oder heim Spritzgussverfahren verdichtet. Vc rdichtungsrnöglichkcitcn : Eisenpulver normal. NiMu-!.cgicrungen hochkompressibel. l' uMIlMo superkompressibel. J . Sintl' r n: Hei de r Temperatur-Zeit-gesteuerten Würmcbehandhmg im Vakuum. unter Sd lUlIgUS. mit ode r ohne Druckanwendung wachsen die feinkörnigen Pulverreitehen durch Diffusion und Rckristallisation zu einem porösen Kristallverb andzusammen. Die ursprünglichen Komgrcrv cn verschwinden. Die Sinterung führt im Allgemeinen zur Verdichtung und damit/ur Abnahme der Porosität. -I. :'Iiac b" ;rdkbtcn und Endfor mung. I.. B. Simerschrnieden 5. OhC' rl1iichC'l\\ cl1:ütuns:. 1_ B . Wachse. Dampfbehandlu ng

Pulw rm<,w l/urgie: verdichten und Sintern fester Pulver 111 pon'ISI.'TI Formtellen Spriihli.omPClli.ti<'rt'n (Spr.l) -v crfahrenj: Ein tbennischcr Sprtlhstr.ahl - eine unter A'l!-0nga.~ 1l.'1'SI3ubtc Schmelze - sintert auf einem Dret ueljcr IU einem RUnJb.lm.'1"I auf. Gll/Wl/wform.'n: I' lektßl I) tisehes Abscheiden 1 U Fonmeilen Gießen: Erstarren von Schmelzen in Sanduder Metaillim nen zu Formteilen Sllll
s-

Pseucotegfcrun gcn nennt man hochschmelzende Stoffe. die mangels geeig neter Tiegel. Formen oder Verfahren schme1 zmetallurgisch nicht herstellbar sind. wohl aber pulvermetallurg isch.

I IleIß,o;o"Iati....:t lo,."S Prcs'-Cn IIIIP): der Pmosdruck wird durch eine Flüs, igkert auf das Puh er in eil1<.'T d3'<1 isch-druckdichten SliIhlkapsel uberttagcn.

I!,,('!lw l"',,:!:e'''!/!.I/\'1all/!: Wolli-.l1ll ( 3 ~ I0 0("). Tantal (29% 0(") . fl.lolytJdlln (2620 0(") "erden aus den Oxtocn mit Wa'i..'icr;lofT reduziert. gLl"r\.'SsL gLosintert. bei 1300 "L" vcrfonm. Silllt'n'erf'u,lJMerh tojfe: Fcm .tltanit n ie in Stahlmatri~l. Diama nten in Sauermetall Cermets (•.Ccramk mctals''. t , B. CoINi mit nichtml.'1all ischcn Pha""'"fI 1 S intt>rhartm('/alle: CarNdc von W. Ti. Ta in IlÜSSi1!L'OI Cobalt gl."S intcrt

11

108

I AII\:cmcinc und Anorgenischc Chemie

5.9 Technische Keramik Zu den niehtmetallisch en Werkstoffen zählen Glas. Email. Keramik (Porzellan . Steinze ug. Steingut. Schamotte). Gra fit und Kohle masse. Asbest . Faserstoffe und Textilien. Holz, Gummi. Baumwolle. Keram iken s ind Oxide. Nitride ode r Carbide de r Elemen te Mg. B, Al. Si. Ti und Zr. Die kompl izierten Kristallgitter haben ionische und kovafenre Anteile und hohe Bindungsenergie. Keram iken werden hergestellt durch : • Sill/ern von Keramikpul...em (Verglasung) • Siliciumcarb id du rch Pyro(r.w! von Silanen • Sot-Gel- rerfahren: Ausfällen schwerlöslicher Hydroxide und Trockn ung Keramiken sind e lektrische Isolatoren. hoc h schmelzend. leicht. korroslons- und hitzebeständi g. verschleiß- und zugfest. hart und steif. Sie zeigen eine gerin gere w ärmedehneng. reknstalfistcren und kriechen nicht (we il nicht plastisch verfonnbar). Carbide sind metallähn lich gute. Oxide hingegen schlechte w ärmeteuer. Typische Eigenschaften von Keram iken: hart- spröde. häufig porös. schwierig umformbar. schmelz-, gieß- und verbindbar. Mit wachsender Komgröße schwindet d ie Biegefestigkeit. Die Spanung erfordert Diamant- oder Bornit ridWerkzeuge.

~ (;11I '

und h:t'rll nli"

Glas widerst eht den meisten Ch emik alien außer Flusssliure und starken ,\ Ika lien. die das Alunlin ium-Si lic31-Giller u ngrci fcn. Enul il: au f \ktalluhertl lich~"I1 aufgeschmolzene gla.-;älm lichc: \ t asSf.'1I: konnsiun sfesl wie: Glas. aber weniger temperaturschock- und schlagempfindlich. Emailliert werden können Stäh le « 0 .1 ~. Co 7~ n. Cr-N i-StllhleJ. Gusselsen. A Iund Cu-Wcri.;sloITe. sowie Ag und Au . Silin l"ulImi" Sieing ul ( purösc TOlman.'1I) Stciru~'tIg tglasicn cs Steingut) Pur-7ellan Sl~-al.i l (Talkum) ror maßha ltige tsotenecn Sl,.ilamo llc : Icucr fcsrcr Ton Ash.."St: faserige Silkalkcram ik Klingerite Ash..'St-Gummi f temit: Ash.."SI-lL'ffil.'1I1 (hid"t l'llmik (h iucbesl3ndig ) Aluminiumoxid AI:O, l in:onium d io\id ZrO : Aluminiumlitanal t\ I:TiO. .\ ich 10 \ id "t'rll nli" Il lartsto ITc) Sil iciurncarb id SiC: d iamantart ig Sil iciumni trid ShN. Romitrid HN: ror Schleif-, Sc hne idkörpcr Alum iniumn itrid AIN

5.10 Verbundwerkstoffe Kom osite Verbundkonstruktion en entstehen durch Fügen mehrerer Komponenten aus verschiedenen Fertigungsgängen zu einem Hautei l. Ein Wl·rkstoffn·rt iund beze ichn et die unlösbare Verbindung mehrerer Werkstoffe. Der Verbund ersche int makroskopisch homogen und entsteht meist während der Formgebung. Beispiele: • v erbundschweißen • Diff usionsschweißen. z. B. he ißisostatisches Pressen von Hartmetallp ulvern aufStah lwalzen • Verbundguss. z. B. Diese lmotorko lben aus AISi 12 CuMgNi mit A I20 r faserverstärktem Rand v erbu ndw erkstorte sind mehrphasig aufgeba ut. und zwar meist au s Werksto ffen untersc hiedlicher Gru ppen (Meta ll. Kunststoff. Keramik). Die Verbund phase erlangt neue Funktionen. welc he d ie Eigen schaft sprofi le der ,\tal rix (Gru ndrnasse} und der Verst ärkungsphase (Funktionsphase) alle in nicht abdecken kön nen. Beisp iele: Gla sfaserve rstärkte Kunststoffe. mela llfaserverstärkte Ofenbau stoffe. SiC-Faserverbund

Sc hi( ht \ u h un d • Me ta ll-Däm mstoff- Ve rbund • Pluuic n c Bleche J-"ast'n erhnntl • Faserwerkstoffe: Faserbünd e l (Rovings), Gewebe. Mauen ud .::r Vliese von dünnen Fasern aus Kohlenstoff Sie Al)O ,. G las • Faserverstärkte Polymere GF K: gluxfascrvcrxutrktcr Kuns tstoff G r--ll" : glasmancnverstäektcr The rmoplast CF": koh jcnstotfuscrv crst ürktcr Kunststoff F(/.\'erl'erJlrlr kll! ,1(<'111111'

MMC : Metal-M atrix-Compos hc Fasern aus Kuhlcnslu tT. Sie. Ahn ,. Bur (\V) in Leichtm etall en (Al. T i. Mg ) • Faserverstärkte Kt'ramik: MClall fa.' cm in SiC. AI:O.\. Si0 1 l t ik ht n\ t rhu nd In d~'f Matrix feinst-verteilte Kristalle von einem alllk:n..-n Gill ~'l't) p (Oxide. ('am ide. Nitride. Buriöc. Grafit) . Be ispiele: Kunst., lol1pn.'SSl'llas.sc'1I. Schlcill,llrpLT, Hertmctallc, l'ol) Ill~-m..1(ln I)UIThd ri n ~ u n ~,\ e r b und Eine: Funktionsphasc in den Poren der \ lalri\. l.. ß. Sch mkrstoIT.:: in Sintermetallen

'09

5 Cbcmisc bc Ilintlung und Struktur

5.11 Chemische Ex erimente die heistern! Molekült, leuen nicht ! Wir messen mit e inem Vielfachme ssgerät die e lektr ische Leit fähigkeit. a) tsokn oren: Zuckerlösung. Benzin. Motoröl b) toneoteuer: Koch sa lzlösung. Natronlauge.

Salzsäure c) Hcktronerdeiter: Kupferdraht. Eisen nagel Legfcrun g mil G edäc hln i'lo, Man formt mit ei nem Stre ifen einer Memorylegierung e in Mu ster. Beim Erwärmen kann man die Legierung gl att ziehen . Beim Abk ühlen kehrt das Muster wieder.

Dt'r polare Str" h l. Einen dünnen Wasserstrahl. der aus einer Mes sbürene im fre ien Fall ausfließt. kann man mit einem sta tisch aufgeladenen Hartgummistab aus der Bahn ablenken. Beim unpolaren Hexa n gibt es keine Able nkun g. Sc hwi m me nde [i'lowü rfd ze igen die Anomalie des Wuu ers. Mit e iner Eiswürfelform im Gefrierfach ste llt man Eiswürfel aus dest illiertem Wa sser und aus Eisessig (konzentrierte Essigsäure) her. Die normalen Eiswü rfel sc hwimmen in einem Becherg las mit Leitungswasser oben auf. Die Eisessigwürfel hingegen sinken in einem Bec herglas mit Essigsäure unter. Eis ist leichte r als Wasser . Feste r Eisessig (schm ilzt bei 17 °C) hingeg en ist schwerer al s flüssige Essigsäu re.

I

... Eisessig sinkt, Eiswürfel schwimmen!

Weiß -bl au mit KUllrcrsulrat a) Etw a 3 g Kupfersu lfat C uSO~ · 5 H20 werde n im Reage nzglas in der Bunse nbrennerflamme erhitzt . Mit fortsc hreitender Erwärmung sc hlägt d ie Farbe von blau nach we iß um. an kä lteren Wandt eilen des Reagenzglases konde nsieren w assertrop fen. Durch einige Tropfen Was ser erlangt da s abge kühlte wasse rfre ie CuSO~ se in Blau zurüc k. Die Probe erw ärmt sich. we il Kupfersu lfat d ie Hydrathülle w iede r aufbaut (exothenn e Reakti on ).

b) Einige Trop fen Ammonia kwasser t aubem ein herr liches Blau in ein Reagenzglas mit verdü nnter Kup fersulfat lösung. Es ent steht de r Kupfe rte-

rramrninkomplex. CuSO~·5 H ~O

+ 4 N H.l - I Cu( N I I .l )~ I SO~ + 5 HP

Ge he imlinie n (Komplex verbindunge n). Große Papier- oder Kartonlllichen mit dem Pinse l beschreiben , e introcknen lassen ; durch Au fsprühen des Entw ickle rs d ie Schrift sichtba r machen. E.n t \ \IC' • kl~T

InC

5~. Eisen 1'!. Ammoniumthiocy anarl lllkhlorid- Lösung

blu trot

- Lösung

tiefblau

2.5~·. "' aljumhe\~anof~'n'at( 1I ~ L6sung

Tannin- od•.T CIaIlIl!'.<;.3urcLösung

schwarz

weinprnbe. Sieben Gefäße (I bis 7) werden mit den angegebenen Stoffen präpariert. Von Gla s I nach G las 2. von Glas 2 nach G las 3 usw. w ird de r Inha lt j ewei ls umgegossen . Nicht verkosten! I. Ein heller _Tafelwein" cntstcfu durch: ca. 300 mt Wasser + I Spatel Phenolphthalein 2. Ein trockener Rnse von basischem B..llI~'ß. Die Rotfärbung erfolgt für die Zuschauer unsichtbar - durch: I Tro pfen AmnWlliClk!ö.
... Die Weinprobe endet im dunLk.'ß Xcbcl,

11

11 0

I AII \:cmcinc und Anor ganische Chemie

5.12 Auf aben mit Lösun en lum ()he n die rechte Seite mit einem BlauPanier abdec ken , Aufgabe n lösen und hd

n.."t.Iarf..Sl"iclcn·'.

IOßt' n h ind uß l:

Welche StufTe sind U,,·TlIcnle. welche chemische v erbindung<;:n: Welchl.T IIindun l:\l~p lieg! ' or? al Alkohol h) Alum inium cl Diaman t

a) Ethanol C1IM )I!. ehe r n. Verbin dun g. AltlO1oindungl.'I1

d) "'"ehsall cl Methan Phosphor

d] Natriumch lorid NaCI. V..-rtoindung, lolll:nhindung e} Clt~. Verbindung, ,\ Iom hindung eißer PhosphorPo. Element. Altllllhindun g g} N1. Element. AltlfllbioJung h) Saccharose Cdl:..·,()II. ehern . Vl'fb.• ,\ lo m bindungl.'fl

o

g l Stickstoff

h) lude,.

Warum giht es Ohl."1'iangs fon nc n zwjscbcn dcn Hauprbindungsart en?

b) AI. Elem ent. MClalloindung c} K..hk....' I.. fTC. [km..... t, A tom[lille r

o'..

Die Übergangsformen en tste bcn d''''' unto.-r.;dikdlichc Atom 1IDd !oOl,,"nradicn. uracrschicdlichc Wertigkcitcn und ~'fC Unterschiede in den EIt.-ktrofK:g ati\ itätcn .

Sagen Sie mit lIilfc d..... Ekktrtmcgat i.it:lt nach PAULING voraus. "c1d...... lJindun{!-Sl) p \ orIit.f':L a) HaB!": (1101: 0.9. Ur. 2.8) .) b) K~) (K : 0.11.0: BI b) c) Plk l W: 2.1) <) d)('F, (e: 2.5. t·: -tO) dJ e) rsr (Cs: 0.7.1 : 2.S; <)

AEN = 1.8 > 1.7 - ionio;ch AEN = 2.7 ionisch AF.N =0.7 < 1.7- kovalcnt AEN = 1.5 kovalem AEN - 1.8 ionisch

Geben Sie Be ispiele l1Ir pus iliH: und negauv e jonenwe...• tigkeiten.

Positive loncn wcrtigkcit: 11". I.i". Na' . (·l'. \ Ig: ' . AI''". H" negativ e lonenwertig kcit: F", Cl . Hr . O!-, s " • NJ-. P'-

Erklären Sie aus &,:01 atoma ren Aufbau ocs ( 'hlo rs seine hohe Rea ktioflslhhigke it.

Chlor hclindcl sich in der 3, Pc...inde und in lk.... 7. Haupt . gruppc. ChlorJtoffie versuchen "t.f':t.-n ihrer hohe n EN (3.0) ein Elektron aufzunehmen. um d ie Argonschale tu e rretchen.

Wekhc Eld.l r.. n~ n"'"nIi Ru ration huben: Oll das Lhhiumioe , b) Alum inium( 11 1). c l Bllrium(II). d l l'luo rid. (h id und l' hIJS "'hid'!

Li ' hat eine IId iumknnliguratinn IIIc] = ISI. l ,\ I ' erreicht durch AtJf abe ' Oll drei valcnvclck eoncn die Neonschale [Ne ] . Is 2s12ph Bi ' : IXel Durch Plc ktron cuuurnainnc: 1,- : INe l; o ! : INel: I, l-: IAri

:-;ofllt'n"' llitur. We lc he I' ndun g tr agen einat o mige Nichtmctallioncn? Gebe n Sie Hels piele uus der I.. 5. bis 7. Ilau...t uu r oc.

-id. l. B. Hvd rid 11 : Fluor id I", Ch lnrid ('I . Hrumid Ur'. Iod id I ': () ~id O!·. SuHid SI-. Sclcnid se". Tcllurid rc": Nitrid N''-. Phosnhid 1,1_

Wie lauten d ie Su mme nfnrmel n von : Aluminiumb r omid. Aluminiumnitrid. Calciumurscnid. Calcium Fluorid. C ulcinmhydrid. Fnlciumnittid. Kaliumsulfid. Natriumphosphid. Rubidiumsulfid. Stnnuiumbromid. Tila n(I V}' \I:\id'?

AlIlr,. AIN. Ca IAsI. r a Fl. r a ll !. r a:N ,. KIS. Na"I'. Rb1S. SrBr:.

Wie la uten d ie Sumrncn fonncln IU r die Elemente dc... 3. Periode des PSI: der höchsrwcrtig en a) lI) d riJc. 0 ) Ch loride . c ! (hide. d ) Nitride ? Stelle n Sie die Bildun g von Ka liumfluorid aus dcm H emen ten mit Il ilfe o cs I\IJlIR' schen Aronrmodcüs dar.

'no,

Nicht e xistente Verbindungen stehen in Klamm em . a ) Nall. Mgl". A ll h . sm, 1' 11,. II)S. IICI (Ar inert) b) NaC !' MgCI:. 1\ ICh. SiCl•. PCI" SCI... rt, c t Na;O. MgO . AI;O,. SiO;. I'..O " SO " ("1:0 1 d) (Na "Nl. \ lg, N1• AIN. Si"N•. l' lN " (S jNl). NCh

+@ .~-~ ,. , F

f·

-

-, IS

,

U g UI1 d SIrukt· ur

Erklären S ie mi t llil fe .. on ' ·. lcn t.st ri ch fo r ml'ln nach I.EWIS die Bi ld ung folg ender Sa ite a us den Elementen: a ) Natri ums ulfid b} Magnesiumchlorid cj Zinkn xid d ) A lumiurnh~dl"l.l~ id e} Titan(!V}-n itrid

a l2 Na ·

-

•

.~

-

b) Mg: + 1 ·C1 1 <) Zn :

•

d) ,AI: +

Ordrk.'Il Sie nach slcig..:rw;k..,. I'ln- Ion -Wcch sc h\ iri;un g: CaFl . ur, RhF , Rbl GillC'l1) PCOß. \l gO krista llisicn im Kochsalztyp. Warum?

·2·

--

3·Q II .....

e)3 :Ti: + .I Sort ieren Sie nal,.illl~.,. l llnC' n e rfiOI': l a l AI " . 1\.' , Mll ' . Na ' h ) Cakillnl_. Chl...ri
.

-

,~

-

1 N,

.

11 1 + Sl-

od er Na-S

M gl ' + 2 C1

od er MgC h

Zn1'

+ 0 :'

ode r Z110

All,

+ 3 Oll" ode r AI(Ol lh

3 Ti"

• '"'

ode r T i;N ~

a) < I1Mg l ' ) < I1Na ') < 11 1\.') b} Alle haben A'l!-on-I\.onlif ur.ltitlll. do ch d ie Kernladun g ""';l:W Ca l ' < c - < CI c c-: c) Keuooen sind kleiner als M~1allalumc [wegen ocr abgegebenen E1d :tmn.:n ). An iulIe n sind grölk.,. als d ie Nichunctallarome (wegen hinzukommender U d.lnll1l.'Il ). \ l it zu neh mend er t.:.emladung (QrdnungSJ"ahl) schrurnpü da s Vo lum en d er Elcktnme nhäl lc. Stlf1lit d~.,. Atomradius. I1A I1' )

Je größer die Punktlad ung. d . h. je klei ner Anitln und I\m istM~.,. d ie WW : Rb! < RhF < l.il' < Ca r l ,

on. umso

1

Um ein \ lgl' s ind 6 0 - 1l1.tat."tlriSt.il enge...lI"I.lßt.1 und umgekeh rt (um ein 0 2- sec hs Mg 2 ' ) . Im Koch satz fllnd.:n um ein theoretisch 2 1 Sa- Platz, Wq en de r l.adu ng..s neutrali t3t isl d ie olta.:drische " lI
cr

Galliumsulfid ist ein Meta l1sa lJ'. Siliciumdio\id n ic ht. Waru m?

Ha lbmctalle links dt..,. tn.l'J'I.'IlfUnn ii!en Trennungslinie im PSE verhalten sich ..vlc ~lctal lc. rec hts da HIfl wie Niehünetallc. Ga" hat ke ine ec hte f.tklga.skonligu rat ioll. sonde rn e ine (dle n falls ~:"tJntlj ge) ,' ulk'flsc ha le mit IX Elektronen,

Was habe n Ad häsion untl Ad so rrt itln m it dem I\.ristall g itk r .ru tun ?

Im I nneren ..k:s I\ri stall i!iuer sind d ie Vale nh'll ..abg.t". SJt. tig r''. an der Obcr tl ächc n ich t. Be i NaCi ist die Koordination sLahl im Inne ren 6. au f den O b.:rlHlcht.'Il 5. an den WOrfelkemcn 4 und an den WOrfek't: kL'1l 3. Durch COlJLOMHKrä tte lagern Fremdstoffteilchen hier an. Damitlassen s ich sich Phänomen e \\ ic Reibung, Kleben. t.:.mal) sc erkurcn.

Welch e I\ IH,nJ in liliun s/ lih l liq :t " \Ir? a] ('s('l [Verh ältnis der Radien ; ('s' /C I -" 0.'}3 ) b) MgO (1\I g: -/01- .. 0,46 ) c )/nS (Z n 2' fS l -.. O,4) d ) BaCll (0.7 5 ). Ca Hr: (0.5). Cd Ci) (0.54 ). Cd b (0. 4 5) e ) Ik h (0.23 ). ('a l': (0. 7 1)

3) ICsCII. , (kubisch ] b) IMgO J,. 6 (oktacdrisclu c) IZnSI_H Itctraedrisch) dl lll
h:n"lI lcn le IIintlun ll• .\ I olc kül.st ru ktu r. \ IO· l' hctl ric W ie kommt es zur polaren .' Inm h intl u nll'!

Bestcln ein Molekülaus zwei unglclctnut lgcn Aromen mit untcrschicdtichcn llcktruncgutivitätcn. wie I. B. das

Chlorwassc rslo lTmlllcklll I IU . su ....ird das bindende Elektronenpaar LU dem Altllli mit der größeren EN hingezogen. Dadurch ist da s Wasscrstu llal'lIll Jlusithiert (6' 1 und da s Chloretom ncgati..iel1 (6 -) ..vorden. [in Mole külmit cmgcgenge se tzt gelade ne n Seil en ist die Folge . Das Chlorw asserstoffmolek ül ha t ein Dipolmomen t \on Jl .. 3.57· 10·1O Cm und eine I'an iallad ung q '" 0.28 . 10. 10 c. a ) W ie l!f\)ß ist d~.,. ion ische An te il tkr Hind ung? 01 ) lo nenant cil '" qfe '" U.2K·IO· ' ~ ('/I .6lW·IO· ' ~ C '" 175 ~"i. b l We lche Ent ft.-nlUng haben die I_ad ungssc h\\ crpunktc b ) Jl '" q'" ..... H lIl 11- untl CI-Atum? ,. = JJ1q = 357. 10.10 CmfO.2 K· IO·I~ C .. 127.5 rm c) Weleher T) p \l1fl Hilldun g liegt bei m I ICI vor? c) Po lare ,' tnmtlindußi!. I . 11. bei 11:0 , Ni l...111' G iht es ....eit~'TC Ikisp ielc ?

11

11 2

I AII\:cmcinc und Anorgenischc Chemie

Begründen Sie die Struktur mit Hilfe der

II ~ hritli \i~

run J;: (Gl l.I ,ESPIE- M " d cl lj:

Die varcwctcuroncn (n' l) "erden auf II ~ drid,'rlli lal c verteilt. Die Liganden liefern " eilere lli ndung~ ld,lr"llcn (sch\' af/) .

a} II ~ ) .

b) Neh

a l O i n ll ~

I HC I~

'<1". Tetraeder

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bl N in Ne!,

II IC I~

sp'.TeulII:dcr

Cl Re in Rell ,

Ilkl~

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d ) IJ in BF,

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$1" , trigonalpliflar

cl Si in Sill.

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nca c u,'

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g l S in s<X1:

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Xeronaronn bL\\ . quaJ rali"Ch-planar (olme fre ie EkL lrooen ) Il S in SOF,

INeI 11 tJ U Tl !J

sp'd. lrigonalc Bi p~l1ll1litk « FS ~leht cquatorialj Erklären Sie folgend e Trends i m Hintlun:l:'" in"cl: a)Reihe I: OI I~ ( I04. 3" ). 0l:l (] 03"):

Nl h (107"). Nh (102"):

C F~ (I 0tJ"). IlC h ( 101J").

b) Reihe 2: I b O (10·U "). l b S (92"). 1])St: (9] " ). I bT e (8'1').

IbC F1 ( 107")

Nlh (107"). 1' 11, (93' ). AslI, 1,1 2' . seu, 9 1" We lche Orbitale im \ IO·Sd,l·rna werd en IIcsc lzt'! 01 )

l.i l

b) Hel e)

1'1

d ) Nl e) 0 l

Berechnen Sie d ie ßfud ungsordnung. G iht ••.os diese Vertoi nd ungen?

a ) Stark e lcktm negati\C Liganden : kle iner s-Antcil der 11) hri dorbüalc. klein er Bind ungswink el b) Stark ele ktrone gativ es Zenl "'dlalmn : g roßer .s-Antcil de r Hybridorbitale. großer Hindungswinkel a) Die Atomorbitale z wctc r Lithiumatome ( A() : li 2s') überlappen zum Molekülorbital des I.i r Frdgll1ents. Die Ir- untl 2s-AO spalten in j e ein bindendes und ein nntihindend es (' ) MO au f: ( h ,,)l ( 1,1'. ' )l( 2f. )1. ßindungsordmmg: Zahl de r bind enden llcktnmcu minus Zahl de r nichtbinde nden Elckmmcn dh idicrt durch 2: BO = (4-2V2 = I (E infachbindu ng) b ) (Jel: ( l.I,,)l( h a•)1(2s. )l(210 ' )1. BO = (4-·W2=O (Le ine Bind ung. Hel gibt L'S also nich t!) c ) Die 2p-A O spalten in dre i binde nde (0 und 11 ) und d rei antibindende MO (11:" u nd 0 " ) au f. Fl : ( ISa)l( Isa' )l( 2s . )1(2sa• )' (2j'al( 2p. )' ( 2p.. )' BO = ( 10-8y'2= I ( Einfaehbi ndung). al so F-F Die elemen taren Gase komme n rnold..ula r \ or. d) N); (Isal ' ( I s". 11( 2s o l l (2so.l (2p")1{ 2p.1~ (JO = ( 10-4y'2 "3 [Dreifachbind un ' I. also N=N

5 Cbcmisc bc Ilintlung und Struktur

113 Stickstoff ist diamagnetisch (geJ"aarte Elektronen ).

c ) 0 ,: ( I s,,)]( I s~, )l( 2s~ )'( 2s~ )1(2110)l( 211.)~( 211.' )1

BO = ( 10-6 )/2""2 (I)1IJ"pelhintlung. Hiradikal).

Q-+-Q

Saucrstoffist paramagnetisch (ungepaarte Elektronen). I.:oonl ioa tion s\ er hla d unltrn

Oie Valenzelektronen oc... h 'ntr,llalOnlS in der richtigen OxidationsslIlfe werden in die II~ IlriJorhilale ein getragen (nlil. Jcdcr l.igand lief<.T1 ein TIls:!t. didl<.... Elektronenpaar. a] L<:,-tfsp '-[Col CN lo!"'" , Co( 111) hat S\.' dlS ValelVdektroncn im starl.<.'1l Ligandenfeld \ on eN-: d. h. die d-ElektnlTll,.'1l naschen TI,Lo;aJlIßl<.'1I. Okta<.-dr1sch. diamagnetisch rs..- raane J-:lekln'ncn)

Liegen High Spin- lIoJ<.T 1_11\\ Spin-Komplexe \ or? al llcxal.1ant~·obaltat( lII)

b) IIc\ alluoroco baltat( 11I ) cl ll exllC)aJlofcmltlll l) Sind die V<.-rbindllng<.'1l magnetisch? Welche lI~ bridi sicnlßg und Stroklur liegt \o(!

d

IA'! '1 t; .: f1 11 T1 11 Tl f1 bl IIS-s/ .t'-jCoF.) '- , echw acht..s Ugantk'1lfeltl \ tlfl F". d. h. die J -I' leLtmnen naschen nicht /u..sammcn. Okrecdnsch, paramagnc."Iisch 1ungepaartc UeLtmfl<.'1l I d

•

d

t t J t J t J t J TJ TJ

IAr t l :

c) IIS..fs/ -(FeleN )"I'·. FeHl) hai runf ValellldeLtron<.'1l im starl.<.'1l Ligandenfeld der C~anoligaOO..'1l. Oktaedrisch, paramagnetisch (ung...-pearte Ekktron<.'1I) d

IAr] ' ! U

•

t1 f1 Tl Tl Tl Tl

\lela llhindu nl:. Wie werden Metalle einj1.ctcilt: al nach der chemischen Ik st.'tndiglcil. bl nach Je r Dichte. cl nach dem Sl;hmd/ ptmkt?

a ) Edle (Au. Ag, PlI und unedle xtcraue tA l. Zn. Fe ) b ] Leic htmetalle ( Mg _AI) und Schll ennctalle (Cu. Fe, Zn) c ) Niedrigschmelzende (Sn. I' bl. hochschmelzende (Cu. Fe ). höchstschmelzende (W. Mo) ~lcl alle

Wie ändert sich der c jckrrische Widcrsnmd eines Metalls beim Schmelzen?

Mit zunehmender Temperatur steigt der Wid ersta nd (die heilige Tcilchcnbcwcgung brcrn>t die BCI\Cgliehkeil des .J Je ktn.mengases'"l. Beim Schmelzen crfolgr ein sprunghaflcr Ansticg des widerstaudes wegen Zerstiln ll1 g des Kristallgincrs.

Wie erkl:ln das lJ.'tndenuodell Unterschiede zwischen Metallen lind Nichtmetallen?

Bei den Metallen überlappen sich Leitungsbund und v alenzband. sodass Elektronen leicht überwechseln können was die elektrische l cirfähigkcir der Metalle erklärt. Bei Nichtmetallen ist der Abstand 1\1 lschcn l.cuuugs band und Valcnshand so groß. dass Elcktmncn ihn nicht überspringen können. Nichtmetalle sind lsolatorcn.

Ordnen Sie die (jnmdt~pen Je r " ....llIllgiu c r nach a ) Packungsdichte. b) Gkitmöglichleil<.'1l. cl " allfomlharkeit.

a) Pack ua gsdic htc: 1.:11 und hex > kr/ > tetragona l b) kff (..l Ebenen ' 3 Richtungen " 12 Gki tmöglichl.:eilen) > kn (·H= !!)>> htlp ( I·3 - 31

c) Kahfcernbarkcit: kf/ > Lr, »

htlp

11

'I'

I A II\:cmcinc und Anor ganische Chemie

We lchen l. ejticr UnltslH J erw arten Sie fijr:

AI.C" AU I' IAg,. ,. Au ,"Cu. Cu.A u.

('uZoll!. Fel le. Mg!Ah. Rb1S. unlcgicrten Stahl?

• 11I/t'TlI/f/ullisdlf! Ver öindungr n sind stöchiometrisc h

aufgebaut.

l.

H. ('u.Au. Mg)Ah.

• Suh.wiflllivlI.\lI/ilchtri.I/cIlle (.J l'SIC I,l'osungco" ) liegen bei ähnlich großen AlIlrnradicn vor: AgfA u in belie big em Verhältnis ( AU l.,('U . AU" IAg '.I). u -Mcs.s ing (CuZn281. • Einlagcrung.\l1/ischtri.\((jlle liegen bei slart untcrschi..-dliehen Atomradien (ro/r" < 0.-1 11\ ur; r, H. untcgfcrtcr

Stahl (f-'e),C).

• Aluminiumcarbid und Ruhitliumsultid sind SalJ:c. keine Lc ierun cn! Kri\C a llol: nIIfi~_

Welche Struktur hai ein SintI der in Monoklin (P2). ~langc1s Spk11clct'l.'flc oder In' <."niiuIlSLcntrum ist der Stoff cbiral (ltS)mmetrischl gebaut, also optisch

eine m primilhen Git ....r. P2 kri stallisiert ?

aktiv .

W ll'~ "l ufTh rüc"c:nhintlun gc:n

mit welchen

Ug~T1s,,:hill\en

aus'.'

gehen U HI AtOlTll,.'1I

J. '\toniC mit h<.Jh...'f Eld'In>l1<.'1i1ti\iI31 CIlal. O. NI. 2. mit freien E1d..tn>l1<.'fIj'1ai11'l.'fI. 3. mit kleill<,.'11 Alnmratlien. d, hg...ein gcn r.rtl&:nunt~'f· schk'dcn zum 11'' \ 1' )0\

WiII'1Iffisinti die 1I-l\liId...'T1 1""1 IhS . 1'11 , und 1IC1 sch\\lk:t1<.'f als bei II ~). 1'\11,.. IIF?

I . Elektronegati,it3.l: 2. Aromredue:

Wi.: und waru m enl'leh<.'T1 h) drmisi"''f1e Sat/ e?i

Die I.ösung UHI Ionen in Wa'i.'i<.T ~'ffol!!1 durch lIie Wech· der Wassc'rdipo te. lIie lIie 1...11<.'11 \\i.: eine Hülte umgeben.Diese Bintlung.<J..rlIlk ""iS\.il<,:n d...'TI It>l1<.'1I und den Wassc:nfipokn sind so groB. dass ein Teil d...'f so gehund...'fI...'T1 Wasserdipole als 1I) t1Tat" as.se'f in die fc'Sle Phase mit hinübe."....mommc'f1 wird.

N >I'. O >S. F >C1 N < P. O <S. F <("1

scl"irlun~krllfie

WiII'1Im klimmt es bei der Lösung \lHI Sa l/~'f1 in WilSSCr in bestimmten Fällen zu Tcmperarurändcrungcn der Lös ung?

Vera ntwortfleh liir dk' nll'Ssharc T"''11lpl:TaIUI'' ...T.lntlcrung der Lös eng sind die beiden gleich/eilig ahlaufendc'f1 Teil\org3nge d...rr Los lösung von Ionen aus dem loncngiuc r (endothenne Reaktion) und lIer nuchfblgcndcn Il)dratisierung der Ionen [exotherme Reaktion). Die Uill c-rcnz bc\\ irll die Tcrnncra turändcruna de r LösUI1lI.

Wie können \" ,\,-tu:It-W,\\ I .l'i-I..:ritflc erklärt we rden?

Infolge der Elekt"m ...m- und Wä rme be wegung ergeben sich ständige Veränderungen der l.adungsschwcrpuuk tc. Dadurch werden bestimmte Teile der Moleküle vorü bcr gehcnd polarisiert. Es kOI1l111 t zur Anziehung \0 11 eigentlich neutraten Atomen lind Muld ,lliell.

Warum lIe isl WasscrstolTeine sn tiefe Schmelztemporatur au!'!

Die zwischenmolekulare n Kräflc dcr WasserstnJlillolckllle sind sehr gering. Erst bei Ahkühluug auf - 259 "(' nimmt die Teilchenbewegung SO l wei t ub. dass zwischcmnolc kulaTC Kräne die Verfl üssigung bewir ken.

Literatur zur chemischen Hindun und Werkstofftechnik 10

111 II.-J. HARGEI_ G. SCllUIJ.E. lI"erhloffi unde. Springer: Berlin 2008. (Ilo,,;hgcstclltc Ziffer " Aullage) 121 W. HEItGMANN. Wer/,;.l foß it·chnik. 2 Bände. lIanser. München "2008 und ·2009. 131 1"1 151 161 171

11. HLUMENAUI;R. lI"er/,;.' loffpr üfu n1!- Deut sch....,. Verla g rur GrutHJstolli nllustrie: Sunrgart ~ 1 99" .

L M AClll;RAUClI. II.·W. zoc u. PmJail.:um in lI"erh lOffi unde. Vic\\cg+Teubncrr: W i~hadcn ' 12009 . M. MERt.;J:L. K.-II. Tt K1MAS. Tose/um huch der Werb /offe. lIanser: Mllnd l<.'f1 7200 8 . C. W. WI;GST. M. WEGST. Sfahl .f{."hfiis.let. V....,.lag Stehlscbfüsscl: Essen 1' 2006. W . W ElllRAO L W c* stoffi,;tndc und Wcrl.stolTprilfung.. Vi<.'\\ ...-g+TL 'lJm..T. Wi<.'Sbado..'Il. "'2007.

6 Chemische_ Reaktionen Thermochemie_ _ D ___ _ _ und ____ 11 5

6.1 Vom Atom zur chemischen Formel Jetzt geht es ums chem ische Rechnen! Stöchiometrie ist die lehre von der Zusammensetzung chemisc her Verbind ungen und den Massen verhältnissen be i chemischen Reaktionen. I Die Einführung der Analysenwaage begrün dete die modeme Chem ie. Be freit vom Za uber der Alchimie erkannte man Verbrennungen a ls Umsetzung mit Sauerstoff - und Hitze und licht als physika lische Begleiterscheinungen [Energieä nderungen).

6.1.1 C hemische Formeln

chem ische Zeichen aus de m 17. Jah m unde rt:

d

....•

"

Eisen

••

Silber

Öl

Kupfer

0 00

I.u n Wh sc.,.

e

Solll

L>

Fe uer

Die heut igen late inischen Elementsymbole nach BFR7.f UUS (. 3.2) bezeichnen dreierlei:

• ein Atom eines Elementes: • die Stoffmenge. • die molare Masse des Eleme ntes:

Au = Gold n{Au) = I mo l M(Au) = 197 g1mo l

C hemische Ver bind u ngen (Stoffe• • 1.3 ) entstehen durch Synthese aus mehreren Elementen oder Ausgangsstoffe n. Sie könn en Moleküle oder Salze (Ioncnvcrbindungen) sein. Su mme nfor meln (Brutt oformeln) beschre iben den Aufbau der Stoffe nach An und Zusammensetzung (Atom zahlenverhältnis) der Elemente in der Verb indung. Str ukt urfo r meln verdeutlichen die Bindungsan und Verknüpfung de r Atome (.. 5.2. 6.1.] ). Die lief geste llten Ziffern (Illdice.f oder Atommuttiplikatorem hin ter de n Ato msy mbo len ge be n die A nzahl de r g leic ha rtig en Ato me od er Ato mg ruppe n an . Ht'i~/>id.·:

Erle",...'tl durch ~ k..scn! 16-12 J. JUNG IUS (1587- 1657) erkennt d ie Bedeutung der Waage filr die C1l<:mie. 16-IS J. U. VAN IIEL MONT ... Sut:o:.talllt.'Thaltung bei

ch emischen Umsetzungen. 1732 11. IloERuAAVE ur ucrscheidei chcmiscbe Vc.-mind ungcn und Sto lTgt.-miSl;hc.

Chemische Form eln so llen Stoffe "ur: und eindeutig kennzeichnen. Ein alchimistisches Symbol überdauerte bei der Angabe der w asseroberfläcbe auf techn ischen Zeichnungen. ~ Einige

Im t -l50 CUSAl'US ( H OI- I-I6-I) belebt die Lehre des PYTl IAGORAS (u m 530 v. ("hr.):

Stall NII IIII M:hreiht man Stau OFeO Fl.:O FcO schn: iht ma n Stall 1I0("aO lt schre iht man

NIl.>. Fe ,Q •.

("atOll!!.

17-18 xt. W . L OMONOS..V)W: _GeJet: \'VI/ der Erh<1ltunl! des Stoffes- (\or l.a voisie r 177-1 ). das er 1756158 du rch [ rflith 'tl \011 Hlc i in l .u l1 im

z ugcsc hmolzcncn Glasge fäß best ätigte. lUHIt'" we rden Gase in Reak tione n vern achlässigt. t 767 11. CAVENUISU: KalI.. und Kaliumcarbonal er fordern zur Ne utralisanon d ie gleiche ..1Iquh ale nte·· Säuremenge. t 77-1 A. I.. L\ VOtSU' R (I 7U-179-') bestätigt d ie stass...,wrhtl//l"'I!. Be i der ( h; ida lion von Oucc ksilbcr mit Lull in einem geschlossenen Ge r.tß bleih t die Waage im Gleichge lliehl. 17'J2 J. n. Rln rrFR (1762-1 807) begrün det die Sf{)(:hiomt'frie. Sauren und Hase n ncutralis i...rcn e inande r in ga nl besti mmt en Massenvcr häluusscn. den .Ji qu i\alentge l\ k hten··. 17'J'1 J. I.. I' ROUST ( 175-'- 1826): Gese tz der kOIl .I{lI/l/ (' 1I I'roportlonen. Die Zusanuncnsctzung che mischer v crhirnhmgcn is l konstant. IH1l3 J. I> ALH )N (17M...-1 11-'-'): In chemischen Verbindungen liegeil die Atome in einfachen Zuhlcuvc r hähnisscn vor . I HOH(j AY·l .USSAC ••Gesetz der ~(/II::::(/hli~en I'ropOr/ imU'I'" für Ga.;.: und ihre Verbrennungspr od ukrc (ch em isches Vohuncngcsctz]. I KU J. J. UFR7 EI.I US (177'1- 111-'11 ): Beweis des Gesc'!/ es de r konstanten Propor tionen mit ers tma ls bestim mten gcnuuc n Atommassen. 1'0-1 L lI 'ßIG und I'f.XJ< ,ENIX)RFF Ilthrcn lief· I . 1'- beim Wa, scr 11;<). gcscvtc lediccs lm 11«11 Real.tionsg1eichungen mit Alum sy mbolc n.

cm.

t 8S~

I.E CiIATEI.I ER: Yrin;ip

m m liIein_~len

Zw·ang" . 19tJ~ I.ANIX)(.T und VON EÖTVOS (I <)()9) bestätigen das ~l a,---;c ....Tha ltungsgt.'S<.V lGen auigkeil I : 10 ~l io. jvw . 1 : 100 Miol.

116

1 AIIl:cmcinc umt Allllrltalli",hc Chcmic

6.1.2 Wl,.·rligkl'ihhc:griffe Die Äq uh 'a lenI1.ah l oder stöchiometrische Wert igkeit sagt. • mit wievielen einwe rtige n Atomen sich ein Atom eines Elemen tes verbindet, • wiev iele Wassersto ffatome ei n Ato m eines Elemen tes binden oder ersetzen kann .

Der tkgri IT Wertigkeit ~ in~ um 1850 in die Chemie ein und wurde später von der StÖo chkanctric auf die Valenztheorie ausgcdchm. l'rlll iscr sind die Ik griITe Äqui\ akllv.ahl und
Die 1 0n en" f'r1i ~kei l gibt die positive oder negative Ladung e ines Ions an ( .. 5.1.1).

Sticl.:stolT

Die Uind i~ke if (Bind ungswe rtigkeit ) nenn t die zahl der AIombindungen (geme insa me Elektrooenp aare ) zu den Nachbaratomen im Molekü l. Man zähle die Bindungsstriche ab! Die (hida fionsu hl (O xidationsstufe) beschreibt den Bindungszu stand der Atome in Molek ülen und Kompl exionen. Die Elektronen einer Atombindung werden ganz dem elektrone gat iveren Bindun gspartner zugeordnet. Die Summe der Oxidationszahlen aller Atome in einer ungeladenen Verbindun g ist Null. " 9. 1 Fo r ma le La d ungen sind in Molekü lstrukturen wichtig. Die Elektronen einer Atombindung we rden auf be ide Bindun gspartner aufgeteilt. Stickstoff ist fiintbindi g. Im Ammon ium ( N H~r trägt das N-Atom die formale Ladun g (+). weil von fün f Valen zelek tronen nur vier geb unden sind. Formale Ladung - Valenzelektronen - bindende Elektronen Nich t rnit Partialladungen (0+ und 0--) verwechseln!

SauerstoIT in



ist d n: ihindi~. ist nl cittindilt.

Chlor; n

19 -91

iot cinhindig.

INaN!

"' ohk'TlsloIT im 1( '"I!01

ist dn:ittindi{t.aber zweiwertig. ist \ iI.-rbindig und \ lcn\l'l"1ig.

O\idationv.ahl Fn:ic I:kmcntc ' .... tb): Null IOI'K.'Tl(Na ' . SaucrsloIT:

er. sot):

\\ ·as..sc'1'stolT:

lon'.'T111enigLeit

- 11 t Pl'l"O\ide - 11 +1 (1I)dride - I)

In Schw ef efsiiure wird tlie OLtclln,..gcl \ lTlctzt. wenn \ um S-Atom scchs nindung....~ riehc . ausgeh..'T1 . Feemale Ladungen sind notwendig .

o

101"

110-5 -011

lIo-eS· -o1l

o

l2Je

11

11

11

11

Rezept: A u fstellen von S um men for meln 1.

2. 3.

Anschreiben der beteiligten Elemente und der Oxidationsstufen (Wertigkeitcn) der Elemente. Be i Komplexionen d ie Ladu ngszahl best immen! Kle instes gemeinsa mes Vielfaches (kgV) al ler Ox idatio nsstufen bilden. Berechnen des Atommultiplikators (tiefgeste llte Ziffer ) für jedes Element: 11 = kgv /Oxlda tionsstufe. Atommu ltiplikatoren ge lten für das Atom. hinter dessen Symbo l sie stehen. Um Atomgruppier ungen we rden Klammem gesetzt. Bei binären Verbindungen darf man formal d ie Wertigk eiten austauschen und in den Index se tzen.

Rezept: Benen nung chemischer verblnd ung en

Diphospl!orpt'lI!,uM I. Uxidationsstutcn: P ( +V ). () (- 11) 2. LgV - [0 3. FOnT1cl: I'.O~

J,a fi

11mpe

mulfI~<1/UI/

I. Ox itlatinnsSlutCn: ... (+ 1). Mn (+V III. () (- li )

Pcrmeugunut: '\lnO ,- (Luduug - I ) 2. LgV - I 3. Formel: K \ lnO, f) i<11I1'" "'li 111/1.\ 'll lfil/

1. A mmonium: N (+111 ). 11 (- I) . Nli/ (+ I)

Sulla t: S ( +V I). 0 (- li ). SO/ - (- 2) 2. kgV = 2 3. Formel: r lill. llSO.

Das wt'tlixt'r elektronegative Element (Metall oder Nichtmetall) steht voran. ge folgt vom elektronegativere n Element mit der Endun g -Id . (Kornplexanio nen : - at. ~ 5.-1).

Elcrncm elektroelektroJlositi\ nc tativ

Zahlwörter lauten: I .. mo no. 2 = d l. 3 = tri. 4 = tetra. 5 -penta. 6 ., hexa . 7 .. hepta, 8 = octa . 9 =nona.

Na Fe}

Bei Element en mit mehreren Oxidat ionsstuf en steht diese in römi schen Ziffern h inter dem Elementname n.

I

c

AI FdJ 1'",..0 )

s .. Cl C ...

Bcncnnun --lo

Verbindung

"'oh lenstolTJ isultitl Natriumchlorid I riciscncerbid Aluminiumnitritl

Eise n( 11 )·O\itl Eiscn{ III)-~))I.id

6 Chemisc he Reaktionen und Thermochemie

117

6. 1.3 C he misc he (; Il'ich ungl' n Bei chemischen Reakt ionen (Vorgängen ) entstehen neue Stoffe: jedoch keine ncucn Element e!

Näheres Ober chemische Gleichungen ... 1.1l. 6.1.3. 6.&

Au sgan gsstoffe (Edukte ) - Reaktionsprodukle Chemisch e Reakti onen sind stets von physikalisch en v orgä ngen beg leitet (Ene rgiea bgabe oder -a ufnahme. Phase nübe rgänge. Volumenänderungen. Farbänderun gen etc .). G t"!ot'IL d e r kon st ant en Proporetonen

( PROU~T)

Die Zusammensetzung chemischer Verbindungen - nicht aber von Ge mischen - ist konstant. Elemente verbi nden sich in festen Massenverhältnissen (konstant en Proportionen ). Das üassenvemalmis im Kochsall ist immer

m(CI) = 23.0 : 35..15 = I : 1.5-t2. Bei der Ekktrol~ se \ on wassc r entste he n wasscrsto n und SauerSlotTim mer im M assenverbaunis m(11): m(0 ) = 2.02 : 16.00 = 1 : 7.9-t. m( ~a) :

Ge se tz d er mulliplen P roportionen (DALTON)

fkn/WI: r.;.onstantc l .usamlTh.'l1Sl.'Vung

In den Ox tdcn des St ic:kstolf .. verbinden sich l-t g Sncksioff mit B. 16. 24. 32 od er -10 g Saucrstoff so mit im At um zahlenv erbältnis N : O = I : 2: 3: -t: 5: N ~O. M). NO~. N ~O" xo, N ~O~ . I n den Schwefeloxiden verhalten sich die M assen: im SO~ : m{S) : m(O) = 32 : (2·16 ) = I : I im SO]: m(S ) : m(O) = 32 : (3·16) = 2 : 3

, " c

t\ lom\ crhahnis: !I,1as-se'11\\.'Th1hnis:

Wasse r lI i ) besteht aus de n Elementen Wasserstoff und Saue rs1\111' im Atomzahlvernähnts (V crhähn is der molaren Massen)

11 : 0 - 2 : 1. Zwe i Aromc 11und e in Atom 0 bilden das Wassermolekül.

Kristallgitter von Korund

besteht au s Aluminiumkationen und Ox idione n im Verhältnis Al l >: 0 2- = 2 : 3. I h~

AI ~O,

Die Äquivulentmasse gibt an, w ie viele Gramm ei nes Stoffes sich mit I g w asserstoffum setzen oder 1 g Wasserstoff in einer Verb indung ersetzen können. Chlol'\l asscrslolf I ICI Be~ lIiu mh~ drid nell~

Kochsall

NaCI

11 : Cl = 1 : 35.5 = l molrLmol 2 11 : Ik = 2 : 9.0 =2 mol :lmol Na : C1 = 23: 35.5 = I mol: I mol

Für das stöc hiometrisc he Rechnen w ird heute die molare stasse M (in gl mol) verwe ndet .

CI

1

J

I

106

" 1.8

lki.l/wle · Formeln llir Moleküle

"*"

S um mC' nro r mC'1

S lruL.l urr"mlC'1

" "0 " "

Benzol

C~I L,

Was.o;o.T

11..0

Methan

C11.

H - C-H

Butan

C. ll m

CII) - CU2- CU2 - CH)

Essigsäure

Cl lI..o, C II )-~

,(\ 11 1 1 11

G esetz d er Äq u lvale nunassen Zwei Elemente verbinden sich im Verhält nis ihrer Äquivalentmassen oder - j e nach Wert igke it des Elementes ganzzahligc r Viel facher davon.

11

MassenanIeli • AltJrTl \ cmllhnis ' mo lare M esse

In chemischen Verbindun gen stehen die (molaren) Massen

der Eleme nte im Verh ä ltnis kleiner ganzer zahlen.

r:.. un ,

Trichlorelht.'l1

.0 Oll

Elek tron enformeln Plll·h I.n\ l ~ Na·t · !:::I : -N.· : Q :·

11 · t

.q. t

SO~ -,

I

·11 - H;Q:H

PO: -, NOj.OW

I

I

L~'d"";"";rur,,, Ilral-Groppc

__ _ _ _ _ _ _

Phos phat-Gruppe

Sul ral.Groppc

Relali\ e t\ lllfllma~sc (ohne: J:inht:il). absolute t\ lllfllma~se (i n u oder kgj und molare ~1 asse (in glmllll eines Elementes haben lknselho,.'l1 lahkn " crt.

'18

I Allge meine uml Allllrltalli",hc C hemie

Gesetz vo n der Er ha ltung de r Masse Bei einer chem ischen Reaktion ist die Summe der Massen der Reaktionsprod ukte gleic h der Su mme der Massen der Au sga ngsstolTe. Die Gesamtmasse der beteiligten StotTe ist konstan t. Anzah l und Masse der ein zelnen Atome ände rn sich bei e iner chemischen Reaktion nicht: allein die Atome kombi nieren zu neuen Stoffen. Folgli ch steht links und rech ts des Reaktionspfeils dies elbe Mass e, Es ist nich l _I + J = J- . wenn aus einem Atom A und e inem Atom B ein Mo lekül AB ent steht; A und B sind ohne Verlust in AB enthalte n. A + B -e Aß Bei Kernreaktionen gilt das Gesetz wegen des Massendefektes n icht (E SI nu? ... .U )! Der Energieum satz bei chemisc hen Reaktionen zieht ke ine tech nisch wägbare Massenänderu ng nach sich: I kJ /mol =- 1.8-18' J0.31 kg !

Massenerhaltu ng bei der Ve rbrennung von Erdgas

Hl' i~l'id:

Die Rcaktioespartncr stehen im vcrt anms d..,. relativen Molck tllma.....scn ,\ 1, (ohne Einheit) lvw . molaren Mas."-"ll .11(in glmo l " kgllnml ). Für d ie absolute Massc dürfen wir dahe r eine gcm..-tune [inheil "llhk"ll tu, J.Ig.. g, kg ~d.,. I).

.11, m

201

n l. +

'6 '6. 16Lg

,

J.J2

2-32 u

•

2·32 kg,

""""

( 'Ol

+ 2 11 10

" ". -IHg

2·111

2·18 u 2'IHg

'------.,------

80 kf:

.11, berechnen "ir a ls Summe der relativen Atommassen, wie s ie im I'SI: tabelli..'rt sind.

.\1,((11,)" 12+ -1 ' 1 "" 16

RC t'pl : A urslel len ehe mice he r G tetc h u ngen I. An schreiben der Ausg ang s- und Endstoffe (Summenoder Strukturformeln) beid erse its des Reaktionspfeiles. _ irreversible Reakti on (nicht umkehrbar)• ... reversible Reaktion (Gl ekhgewichtsreaktion ).

c hiometriekoeffiziemen. 2. Au sgleich durch St ö Chemische Gleichungen sind wie mathematische G leichungen zu behandeln! Links und rechts des Reaktionspfeiles stehen gleich viele Atome eines Elemen tes! Die Koeffizienten (.. die Ziffern vor einer che mischen Formel) beliehen sich stets auf die gesam te Formel.

6.2 Chemische Men enh

Amm...niak rea gjcrt mil SalII.'r->lufT zu SticksltJlTmuno\ id (OST\\.'AI.t>V crlahrcn). -I

:"I i) + !i 0 l ' - -1 ;\0

+b

ill e)

Links ste hen -l N. 12 11. 10 O. rec hts ebenso.

Zwei Mole küle Wassc",tofT und ei n Molek ül Saucrstoff reag ieren zu Wa",,,-'1". 2 I1l + 0 : _2 11:0 Ein Molek ül Sliek slolTuoo dre i Mo leküle Wasscrstotf reagicrcn zu t\mm.H lial.

:"0 1+ J II 1"' 2 ;\ lI j

riffe

Wegen der unhandlichen G rößenordnu ng de r abso luten Te ilchenmasse (10.27 bis 1O.2~ kg ) we rden in der C hemie relati ve .\!olekiilmu.u ell (o hne Einheit) oder molare Massen (in g/ mo l) verwe ndet. Um chemische Reakt ionen quantitativ auszuwe rten. wurde 1971 d ie Sto ffmenge n als Basisgrößenart des Internationa len Einheitensystems (S I) eingeführt. S I-Einheit ist das Mo l.

Mi! d er Stoffincnge isl die Art der ..Te ilchen" anzug eben. Stall expone ntielle r Zahlenangaben sind SI· Vnrs~ll /e praktisch . II(C" I+) = 3 mmol '" U.003 11101 II( K ~' rl( h ) " 6 1 ~lllltll " (,. 1,1() 7mol II( Strychnin] '" (J.2-1 LnHlI .. 2-10 mol I/({l-Tei lchen) " 12 nmol - 12·\0 ~ mul

Ein mol ist die Stoffmenge eines Syste ms bestimmter Zusammensetzung mit ebe nso vielen Te ilchen - z. B. Atome. Ionen. Mole k üle. Elektronen. Protonen. Neutronen. Photonen. Ladun gen. ele men tare Objekte - w ie Atome in 12 g = 0.0 12 kg des Kohlenstoffi so tops IlC en thalten sind.

In che misc hen Gleichungen SIcht das EIemenls)mhol oder die Formel für e in Mol die ses Elemen tes b/w. ein er chemischen v erbindung.

1 mol ein es beliebigen Stoffes emhält etw a 6' IOD Teilchen.

I 1110111 enrhän .\'.4, Teilchcn im Lit eer. I mul/g eJltMlI.\".4, Teileben in eine m ('.ram m .

A VOGAI>RO..Kon st ante

I"'.,

=

ll

6.022 1-12 ' lO mo r ' l

6 Chemisc he Reaktionen und Thermochemie

119

.I)h~' sikali sch - ch ('mi sch ('

S toff- und Mcn J!:cnJ!:riiOcn

Abso lute Atommasse " relative Atommasse "Atomare

Rdal i\ c A lomm a~se '"'

kg

m = A, ' u

M a.~~'1lei n hdt

Abs<.llute Atom ma.~se Atomare Ma.~SCTleinhcit

,

Rrl ali u .\ lolr kül ma, "C' . Summe o cr Atommassen

.11, "

LI. .., ..J.

f AIOmmulliphl..alor X~ A \ ( )G ..

Ma, se Sloffmrn z:r .. --""":0.molare Masse

t)fl.o- KOIl"tanlc

X Teilch<.wahl

mol

~1TlO1 = kg /kmol

Dio:hle ..

m

Masse molare Mibse '"' Volumen mo lares vofurnen

)\ qui\ alt.'1llmcngc . Sloffm"'1lge . Äqui\a knvahl -

.

molare Masse Aqui\ alenvahl ( W cn igkcill

Aquivalcntma-..sc ",.~-"""""-'7."',.,cc.,

.

mol

. 2!.. :!!!..

I1 :

Die molare l\l.asse ("Molmasse" ) ist als stoffmengenbezogene Masse M .. m/n definiert. Für das praktische chemische Rec hnen addiert man die im Periodensystem tabe llierten Atomma ssen für alle Atome einer Verbindung au f. Molare Masse M (in glmol) und relative Molekülmasse M r (dimensionslos) - bei Salzen auch relat ive Formelmasse genannt - haben de nselben Zah lenwert. Molare Massen werden mit physikalisch-chemischen Methoden bestimmt. • Massenspektrometr ie • Dampfdruckcm icdrigung in Lösungen • Dampfdichtebcstimmung Ein A'q ui\ 'u/t'nI ist de finiert als Bruchteil e ines Teilchens, einer Atomart. eines Ions ode r Molek üls" ..

.11

p =- : I " I ".

I

I Aquivalent .. :- Teilchen Die Äq uh a lenll.ahl =ersetzt den Begriff .wertigkeir.." • Netarulisationsaquivalent: bei Säure-Base-Reaktionen die Zahl der H" in Säuren bzw, Ol l " in Basen • tonenaquivatem: Ladung von Kationen ode r Anionen • Redoxiiqui\'alt' n/ : Zahl der ausgetauschten Elektrone n bei Redox reaküonen. Änderung der Oxidationszahl

:

gfmol

:n

fh!ispi<'!"

\011 S..:hwc lclsllure: .11i11)SO,) :: 2,I + 32 + ~ . 16 g/mcl .. 9R glmol

' lol;l ~ '\l a '~t

Sloll" ,\ t, IbO IR CI)I !:l0 11 3~2 AbO., 102

m

IR "

.\1

IR glmlll

g!mol

3~2 u

3~2

10 2 u

102 g/mol

1 Atom Eisen wiegt 5(, u _ 11.3-10"10 kg. 1 11101 Eisen wiegt 56 !! und ..: nlhU lt (,.()22· IO]) Atome.

Stofflncngc

Tcilchen II(Xj

molare Masse

.It(X)

Kon zentration

c(X)

'i, 1 IhSO . ) - 1 ßlotll

e)

Äljui\'alenl 7"(7 X ) : " .lt( 7 X1

7c(7X ) 'i, 1!:S().) - 0.5 mollt

Der Begriff ..GrClmmilqu;nl/l'nr und die Einhcil _\al- (- 1/. mol) sind , c-rahet!

120

I Allgemeine uml AllllrltUlli",hc Chemie

6.3 Volumenverhältnisse bei chemischen Reaktionen Die Masse bleibt bei chem ischen Reak tionen erha lten. abe r das Vo lumen und die Tei1chen zah l kö nnen sich ändern ! C hem isches Volu mt'nJ!;t'setz (G Ay- LusSAC. 1808): Bei chem isc hen Reaktionen stehen d ie v olu mlna de r beteiligten Gase in ganuahligen Verhä ltnissen zueinand er. Das Volumengesetz führte zu der Erkenntnis. dass d ie elemen tare n Gase a ls zweiato mige Moleküle auftreten. also:

H2• 0 ;. N2• C12• F2• Br2. 12.

..

J.3. 5.2.2

Bei der Reaktion von wesscrston und Ch lor zu C hlorwa.-;s.:rstoIT an . k rt sich das Gesamtvolumen nicht. Die Reaktion von Schwercl dioxid mit Sauo:rstolT ' crlault unter Vohjmcmcrmindcrun g. 11:

+

2 11n

2 SO.

0;

1 mol

1 mol

<:1:

2 mol

2 mol

1 mol

2 SO, 2 mol

2.01S g

2 ' 3SAS g

22..4 (

22..4 (

72.91 g -I-I.K (

2- 6." 06 g -1-1.8 (

32.0 g 22..4 (

2·l«)J16g -I-U I

G leiche Volu rnlna aller Gase en thalten unter gleic hen äußeren Bed ingungen (Temperatur. Druc k) d ie g leiche Anza hl Molek üle (AvOGADRO 1811).

1 mole 6,022'1023 Moleküle ei nes idealen Gases neh men unter Normbedingungen (0 "C. 101325 Pa) das mola re Nerm vo lume n

"ma- 22.-1 1-1 tlmo l

e in.

Die Anzah l der Mo leküle in einem Kubikmet er Gas bei Nonn bed ingu nge n beträgt: NL = 2.687· 1O·!~ m". Vo lume n I' und Masse m eines Gases sind proportio nal. Mit ste igender Temperatur deh nt sich das Gas volumen aus ( I ' - Tbei P =konst.) oder der Druck steigt (p - T bei r =kon st.).

Im 16tH' O. V. GUERl('Kl: cxpcrimcmicn mit Vakuum und Ausdehnungsthermometern.

16-13 TORRICfl.L1 1160R- I(47 ): Qucckailbcrbaromerer. Ein Gefäß, in das man 1.uft presst, \\ ird schwerer 0 . REY. t (6-IS). 16-13 VAN H EU ,KINT n~T1nl l uft l"'rTll i~c K ör Jl<.T _Gas" l\ on Chal») . IMi n" R. BoYU:: ( 1627_ 16" 1) und R. TO.....NL EY linden durch Experimente das ..R0.l'le· .\lwio/l1.' 'seM Gesetr: lP r = coo stj . (Ja) le vermutet, da...... der Gasdrocl durch

der Ga~tei lcht.'l1 zustande kom mt. 1702 G. AMONTONS ( l666- t 705): Alle Gase dehnen sich bei gleicher Tcmp..'nuuränlk.'fUn~ im selben Maße aus. Vennutet die E\ist<."fI.l eircs a"solul<.'l1 :-
Partiatdm ck", 111 11 A. A VOGADRO: _.,,"' o!cl ll1c- als die

kleinsten Teilchen der Oa'iC. Zusammenhang Gusdichrc und Molel lllma....-;c. 11126 DUMAS bes nmmt Molel lllma...sen nach der Dampfd jchtcmcthod c. In e inem idea len Gas s ind d ie Wechse lwirkungen zwischen 1R I'1 I'. I.. U UI.ONG (I 7RS- l R3R). und A. r u den Ga smo lekü len vernachlässigbar ( "'5.5). Volumen. l' ETrT ( 17'H -IR 20 ): Die Attlll1\\änlie : das Prod ukt aus spezifischer wärme und molarer Druck und Temperatu r befolge n das •.ideale Gasgesetz'' : Masse. ist Illr viele l~sle !Jemenle konstant pr pr polo ( früher: C~ . 6,2 cal!"C mol). : l un, t = - - : nR T T To IR2-1 S. CARNOT (17<)6- 11132): Thcurie der idealen Wänuckrulhnuschinc. • Gase mit sehr niedr iger Kondensation stemperatur - wie l lll,n J. c, MAXWU,L (11t31- IR7'J) lind L E. He. H1• N J , Ar. 0 1 - sind nahezu ideale Gase. Für Luf HOI..Tl MANN ( IRH - l')()()): (;"Idlll'indi~keif.\'­ wird gemess en: "m n= 22,468 Vmol. Dich te Po = 1.293 g/e. verteihmg in Gasen [kinetische Ciastlll.'orie). • Le icht kondcnslerbare Gase - wie C0 1• NHJ • C f - haben UU"'/~ 1. LOSClIMIDT (1 H21-1 R'J5. "·/ ien): e in etwas geringeres ••Mo lvolu men" Vn,no n ähern sich dem Ein el1l \ eines Gases bei 0 0(' und Normaldruck enthalt 2, 7' 1 0 1 ~ Teilchen. idealen Ga s aber > 500 "C und bei kleine n Drücken an. IHM, BOI.TI.MANN führt die Entrop ie ein. Für rea le Gase und Dämpfe berück sichtigt di e VAN-D[R- IK7H V. MEYfR (l R-I R- IRIJ7. Nobelpreis WAALs-G leichung das Eige nvo lumen und d ie Anzieh ungs- IR7R) misst Motck ühnasscn durch "Dampfdichtcbcstimmuüg". kräfte der Mo leküle . Durch Komprimie re n oder Abk üh len 1Hll-l r . M. RAOULT O R30--1'J(1) : Molel ll]· kann man Ga se verfl üssigen. Oberh alb der kritischen Tem - lIIa...scnbcstimmung durch Dampfdruck•• G(." peratur T~ läss t sich ein Gas auch bei höch sten Drücken fricrpunktscrnicdr igung, Sk<Jcpunlt'iCmllhung nicht mehr verflüssigen. Ebenso b lei bt es unterhalb des in LlNlngen; R ao.M.Jl t' selll."S ('I(.~ \l1 86R . 19tJ'1 J. I'f.RRlN ( IR70--19·H) ~Tl:lärt die kri tisch en Druckes f1L auch in äußerster Kälte gasförm ig. BI\l\\n 'sche \ 101clulamc" egung in FIQ'isigÜberkritische s C01 (T~ = 31.05 °C. PL = 77.8 bar) d ient a ls lei ten mit der l inetischen Ga~tht.'urie und flüssigke itsäh nliches Lösungsm ittel für Koh lenw asse rstoffe bestimmt die An>gadn... Kon stan te mit aufgeschlämmten Harz-Kügelchen . und Este r. z: ß . be im Reinigen von Hopfen und Kaffee.

=

Hlll

6 Chemische Reaktion en und Thermochemie

121

Y Eleßle nta re Kon stanten, StofT- und J\1engengrößen für G ase

r .\" r. = -= -' n .v,

\I ulllr r \ \ 'o tum C'n = Volumen

Stoffmenge

\I ola rC'\ .' ur nl\ ulumr n '"

C;lI'odkh lr "

Nonn\ ol um~'f1

Stoffmenge

m '/mol :'
r _ =RT = 22A I-I -10" m'/mol

f ~ " O QC " 2 73. 1 5 K

Po

f~' =

Gasma\so:

1013251'3

19lm1

Gas\ olum.:n

. -

.

", .\1 P Po ='j:""=-,' -= R T

Gasmasse t'0llll\ '01UITll.'f1

Spr-LirN'h n \"olumrn " Kehl"\\l.'" 0...,. Dich te

I

I

I"

P

",

.\1

kglm'

I . =-=-=~

Iduln ( ;. 'll.twIL: Zll:>taOdsglci chun [l. fIlr idea le GiN:

"0Normvolumen

tlxi puund To )

p=c R T =p Ra T

Mit C = "WbA\ . P " ", /"

1'3 = 10" bar

J ; 8.31-15 - mclK

.\ Inla re C;a,L." n'laßlr

.. Differenz o..-r mulal\.'t1 WlInnd.. apat ilälen R SpeLifN:h r GlI,l.on\ llInlr RB : - = Differenz o..-r spcli thc!k.'t1 W:lrmcl apat itllten .\l B

J l{1 K·1 t idea!...-s Gas B)

~ =-p ' -= -P : c, - c,

T

t1lrid...-alc Gase

pT

fOr e in volurncn bei

Normbedingungen

,\ \ (X; ,\

Teilehenzahl

S" :

1)I(O-Kon\ llInIr .. -"""""""'" SllIlline nge

" k =.!!.- =1.3807 .10 -

1

HOl.TZ"-\'" "'-Kun ,llInlr

S"

\A., -m:I(-\\ ,\. \I .s-( ; leie hun ~ : Zus tandsgle ichu ng lUr reale Gusc (a , b VA N· I>I'R· Wi\Al.s · Kunslanlen )

I

( P+

I\lr eine Slollhlengc n

~ = 6.022 1-12 , 10" mo l -I )

JfK

lUr ein Mo lekül

1I; 1J,(I'- nb): " Rf

Z, 11, lllr C0 1 : 3,656 ~'ha r/m(ll' h = 0,0-1282 tl mnl

11 =

I

"Y Molares Volumen I'n. feuchter und trockener idealer Gasl' H/mul f \'II(h l e \ (;11\

T JOC : 0

..,,.

pj ll ,
s

111

8 ,12

12.2\1 17,05

mbar

"'3 1133

'" "'" on "" "'"

IOIJ

10!b

'"'"

2(0. 15 26 .12 ~5 .22 25 ,76 !t>.32 24,85 25.<14 24,4<15 25,0 1 25 5t> 24. 15 24,M 25.20 ~3 .8 1 24.31 ~4.84 23.48 23. \lII 24. 50 n .te 23 .b~ 24.16 22.85 23.3 3 23 ,84 22.5 5 23.02 23. 52 22.2 5 5 22 ,12 23 'I 21,111 22, 43 22,<1 1 25./>0

"•

"

"

21,3 4

20

as

23 ,3M

36,67

Jll

"

,

t roe !..e lll' \

0

4 2,45 5/>,23 u

(; 1"

'"

ts

u

c

~5. l!
~6.355

2(0.821 2t>.426

limol)

2<1,/>2 30 ,61 ~5 ,4~4 ~(o .1I3 27 .(0() 2M.33 2\1.17 30.13 25.os 1 26.53 5 2 7lQ 27 ,111 28.12 ~./>l'I ~ 4 , 1>lI 7 20 ,15 26 'N 27.50 28.2<1 ~.21 '4.33~ 25 ,77 26 ,-'0 27 ,0<1 27,88 28.7 8 ~3 .QQ2 25.4 1 26 ,025 26 ,705 27,47 28.3~ 23MIl 26,33 27,08 27.94 ~3.335 25.055 25,/>l'I 24,71 25.JQ 25,<,16 26 .70 27.5-4 23.0111 24375 24.<,16 25.60 26 .32 27, 15 ~2 ,712 2~ ,~ 24.05 24.6 2 25. % !b,77 2 2,.4136 23.73 24.30 24 .\12 25 .6 1 21>.40 22 . 123 23.4 2 23.118 24 .~ 25.2 7 2b .OS 21.8311 ~ 8.ü2

~ 8.11

III

11

II

"

22.~27

~)!"32

l3

"

2:',.2J'l :'2.1l38 23,oJ'l

311 11

"

11

llnlol

25 ,50<1 25 ,~ 25.1 3\1 ~5 5<1 1 ~6043 24,7110 25.221> 25,1>7 1 24.43 1 24 .870 25.310 2 4 ,O
n.ec

as

11

27'1\(0 ~ 7 .75 1 28 ,217 26 .1lS4 27,34 3 27. 1IO~ ~0 4Q5 ~(o 5t>2 27 007 25,14<1 2t> Ul8 26.617 25.3\11 25.824 26 .2S7 25 .043 25 .470 25 ,lMI 24,70 5 25 .126 25.5-411 24.3 1 5 24.'N 1 25 .207 24.0 55 ~ 4 .... ~ 24.875 23 74~ 24. 147 24.552 23.4 33 23.8 38 24 .237

~ 8 .1>lI2

2 M.260 2U5 1 27 .45 3 27.0l'>t> 26,I>\lO 26.325 25.
24.637

122

I Allgemeine uml Allllrltalli",hc Chemie

6.4 So elin en stöchiometr ische Berechnun en! In der ch em ischen Analytik und Chem ietechnik möch te

G lcifht StulTmt nl:to ,i od d Oll ntltr ilq un llk-nL

man wissen. welche Men ge eines Produktes durch chemische Reaktion aus einem Edukt entsteht und welcher Ein-

a ) b l ei Stnlre g jcichcr Wen igke it (Äqui\'alenvah l) reagieren miteinander in gleichen Sto ffmengen. d . h. im Verh,'lhn is ihrer mo la ren Massen ,\ f.

satz an Reagen tie n au sreicht. Stöch iometrische Berechnun-

gen basieren auf dem Gesetz von der Erhaltung der Masse

n

_ c

und dem Gesetz der konstan ten Massenve rhältn isse - wobei man vere infacht davon ausg eht. da ss die chemischen Reaktione n Wl/lMiinJiK verlau fen.

.\ + I Tci lchc.'Tl I mo l

RI!: t:I" : Slöchionu:l rhche Berechnungen

b) Stoffe \1.."ßChH.·,Jcnl:' WI..'f1igkcit (Äqui u k'Tl v.ah11 reagieren in Stoffmcngl..'Tl. d ie ihren .iquimfen::/ol. lortn 1/: Cnl~'11 - das s ind die Kebrwen c der Wcn igkdt : eines Stoffes Iür eine bI:stimmte R.:aktion . ßeisp id : ~hlldelsllure reagjcn mi t Natronlauge J'U Natriumsulfat.

Reakt ionsgleichung aufstellen : a A ... - b B Molare Masse n Mund Sto fTmengen n ermitteln D ie ges uchte Mas se aus dem Stoffmengenve rh ältnis berech nen . M it vier gü ltigen Ste llen rec hne n unbekannte Kompon ente

mA _

n.....\1... _ 0 0101·.\1.,

= n AJ'.... = a mo l· 22.4 14

t mol

~I I 11

.lfc=( ,\f~ +.\fB )

I mo t

t moI

I mol

In d...T pra ktiscbcn Rechnung iSl de r Umgang m it d em Pnxlul.. aus Stoß'menge ma l molarer Mas.sc ein fadlI..... als der Ällui,alerubl:grilT.

Umrec hnung in den Nonnzustand: r; = p ,I ', . 273.1 5 t.;: (I

,\f ll kg

+ 2 xsou - ' alSO. + 2 II l0 t II:SO. + NilO ll 1 N a; SO~ + 11;0 1 Aqur.akIII t A""",.~ I A""",.~ • Aq""alcnl

Ideale G ase bei Nonnbed ingungen (O°C, 101 325 Pa):

1"0,4,

I Teilc bcn 1 mtll

I hSO~

;;;- ~- bmol ·,\ f B

bekannte K ornponene

u, kg

I Teilc hcn I mol

10 1325 Pa

Beispiel: Wieviel A lum iniumpulver und Magnetit Fe:;O . brauch t man. um 250 kg Eisen herzustellen? I

l

T iJlP: n ie gegebenen und gesucht..'Tl Ma.sscn übe r die Reaktio nsg leichung schre iben. Da.s 1'n.x1ul.t aus Stoffmenge und mo larer Masse unter d ie G leichung schreiben. m(AI )

_

HA I 11 mol '26.98 glmo l

n .1/ '"

250 l.g

9ft

I)

+

rnol- 55.85 glmtll

Mil Blick au f d ie Reaktionsgleichu ng d ie Äqui val ente hinsch reiben und Gjcic hung lösen.

=

m( Al)

11 I1ln l-.lf (A I)

I)

II/(Fe) mo l·M( Fe )

~

m(A I) = 250 k g . 8 11)01 ·2(,.911 gfnm l = 107.4 kg I) mnl ·55.8 5 g/r nol

ßl'i.\pir.:/: W iev iel Magnetit Fe_1 0~ braucht man. um 250 kg Eisen herzustellen?

,,

250 kg

tII ( Fc,' O, )

n ,11 "

_

3 F{"J ()~ + 8 AI J 1I1,,1·2J I.55 g/mcl

=

III ( Fc :;() ~ )

3 nml-.\ f ( rc .l 0 ~ I

9 Fe I)

m( Fe ) I)moJ..\f (Fe)

+

mol- 55.115 glnm l

m(Fe j 0) .. = _ '50 ' 'go

~

3 nllll·2J 15 5 gJllllll = 3455 . 9 ßllll·55.115 glmlll

' 'g

Bei.\pid : Wieviel A lumin iumoxid entsteh t als Nebenprod ukt? I

250 kg

1

+

HAI

-

n .If "

m(A l~h )

+

9 Fe

9 mol- 55.8 5 glmo l m(Fe) 9 mlll· .I{( Fe )

= ~~m~'~A~,,~(~ » ~I~ .I mlll· .\f tAI20 j )

~

",(A I 0 2

j

.. AI20J .. mo l ,101.% g/mol

) =250 k • . " mo J.1 0 1.% gJnml = 202 8 k g 9 mlll.55.85 g1ml,1 • g

6 Chemische Reaktionen undThermochemie

123

Bd.l'flid:

a ) W ieviel Kohlend ioxid entsteht bei der Verbren nu ng vo n sie ben Tonnen Met han ? b) W ieviel Sa uersto lTw ird benöt igt? c) Wie groß ist da s be nötigte Sa uersto ffvolu men be i Normbedingungen? d) W ie ist da s Oj-volumen auf dem Montblanc bei - 11 °C und 616 mbar Luftdruck? e) We lchen Druck braucht man . um da s CO! be i 20 °C au f 20 m' zus ammenz upress en?

a)

7000 kg

'

1

hlmlO!)

+

C II~

n .11- I mol 16.00 g./nml

m({'II,)

10101·.11({'''~)

=

m({"H~)

b) ,

alm(CCU

20:

2 mol,32.00 gzmol

mlC021 I mol..II(CO:) m(02)

1mol._IIKII 4 )

CO:

-+

2 mol·.II(O:)

==-

+

I 0101·.....00 glmol

2 11 2()

m(C O) = 7000 ka - 1mol ·.....oo ~mol = 192:\0 k

2

-

I moJ.l6.00 glmol

g

m( O.,) = 7000 kg . 2mo[·32.00 gllJ)ol = 28000kg ~ I mol.16.00 glnMll -

n(O.,) = mt( 2) = 28000kg = 28000kg = 875000 mol .\/10:) 32glmol 32·10') kgrmol

c)

" 0(02 ) = 11(0 2) ' r _ = 875000 mol - 22 .4 14 f/mol = 19.6 14,10 6

dl

_No =- ,. -Pi'Ti i --o

e)

n(CO ) = mK O: ) = 19250kg = .... g1mol

.1I(C0 2 )

19250 kg

.....10·' kglmol

Po' o

"""'Ti = T

=-

PI

(CO ,) = ~ .2!. . -

1"1 To Po

9806mJ~273.IS+20) K 20m 3· 273.IS K

10 kg

CaCI:

+

m(l"Il('[: )

1"0 (11('1)

1 l1lu[· .I1(l"1l{'\ 2 )

2 nml·' .... n

~~~...,=

Bl!i.\l'id :

,,

-- ..I"09"Q-Im ,

( =

9806 m' (0 "C)

· 1.023 bar = 538 ba r

100% ,\1 = I

IWI[

-+

-!01.[ g./l11l1[

I Ca

=> V (CO !) = IOOOOg . 2 ",0[·22,4[.. (lmol = 4039 f ::: 4

o

I rllul·II I,O glmol

01'

\t'IN)

+

2N

=-

100'%

Bei.\'pid:

' 6(11(' 11

2 II CI n '--' '' 21lI,,[·22,41" I/mol

Welc her Massena nteil SticksloITw(N) in % ist in Calciumnitrat en thalten?

C a(I\OJ)l

/I

+

CaSO~

-+

n ,II - l mol -I I[.Oglmo[

+

60

2 I1ltl[· I" .!)O g/mul

w(N) = 100% . 2 1110[,1".00 g1rnll[ = 17.06% I l11u[·IOI.I g111111[

Etemcnraranah se. Eine Verbindun g ist aus 18.25 % Kohlenstoff 0.77 % w asserstoffund 80.98 % Chlor zusa mmengesetzt. Wie lautet di e Summenformel? uC

x( ... ) -

rn'

10 kg Calci umchlorid werd en mit einem Übersc huss an Sch wefel säure umgesetzt . Welches Volum en an C hlorwassersto ff entsteht unter Norm bedingungen?

,,

r

=

J

= 4 37 500 mol

l'o
= 196 14

_ Po 1j , . _ 1.01325bar'(273. 15- I I ) K,I96I" m t - _ . _. 0 Pi To 0.616bar ·2 73.J5K

T

2

(

+b H

+cCI

- C. H~C t-

O.l82S112.00 = 0.33' : .r(l l)= 0.0077/ UXJ8 = 0. '6' -• x (... " I) = 0.80911 f 3S,4S = 0' . \4'; /.\1; . ()(J: .TI= 0.04566 0.04566 0.0"566 !:( 'I'; 1.11i J So mit ist d ie Summen fonnel Co.m HQ 16 -;Do..soo und nach Teilen durch 0. 167 : C l UCIJ .

124

6.5

I AII\:cmc inc und Anurganisehc Ch em ie

Ene

ieändernn en bei chemischen Reaktionen

6.5. 1 Exother me und ende therm e Reaktion en

Hl' i~l'ide: Reakt ionen mi t Energ ieu m sa lz

Bei der Verbrennung w ird Wärm e frei . Man spricht vo n einer exothermen Reak tion! . CO !. Wasser und Ruß sind energieärmer a ls die Ausgangsstoffe (Erdgas. Ö l. Ho lz).

• Vemn:nnun g von Koh le :

Jede chemische Rea kt ion ist m it eine r Änderung des Energ iei nha lts zwischen den Ausg ang sstofTen (Edukten) und den Reakt ionsprodukten verbunden. Den Energieinhalt eines Stoffes ne nnt man se ine innere Energie U (bei kon stantem Vo lumen ) od er - für chemische Reaktionen praktikabler - sei ne Emhalpie H (bei kon stan tem Druck). In technisch-chem ischen Prozes sen interes sieren Energieänderungen .

C + ° 1 -10 CO: + Wllml e

°

• Verhn:nnun g von Erdgas ( Me than ):

C11, + 2

1 -10 CO: +2 11:0 -+ Wärm e

• Na trium reegicn m it

2 Na + 2 11:0 -10 2

W lISSt-'f':

~aOIl

-+ 11: -+ Fnergi e

• Zerfall vo n Que"d.siI1ll.To,id: 2 II g0 + W3rm e .... 2 IIg + 0 1 • FOIOS)nthcsc in pnan/ e'Il:

6 ('( )1 -+ 6 11:0 -+ f no.,,!-ic -10 C. II I1O. -+ 6 0 : • Ern3mlung und Sclhsl"'IlUOndung \on Kornpo.Nhaur\.'Il und f..'UChkm 1"-'11

Die Änderung der Energie bei chemischen Reaktionen nennt man Reaktionsenthalpie M IR. Bei einer exother men Reakt ion (J.H R < 0) w ird w ärme frei und der Energieinhalt des Sy stems nimmt ab. Bei einer endothe rmen Reakt ion (/i HR > 0) w ird wärme zugeführt und dI.-r Energieinhalt des System s wächst . Reaktionsenthalpie MIR(bei kon stantem Druck) und Reaktionsenergie J.U R (bei ko nstan tem Vo lumen) sind durch den I. Hauptsatz der n Iermodyllumik verbun den.

IMI, - ,W, - p-" I' I

Das Produ kt ",/ir he ißt Volu menänderungsarbeit. Das bedeu tet: D ie ch em ische Reakt ion ka nn Arbe it verrichten. zu m Beisp iel du rch Ex plosion eines Benzin-Luft-Gem isches de n Ko lbe n einer Verbrennungsma sch ine bewegen.

Edukte -

MIRpos ith ':

Produkte Z Ii.HR

+

t ntlul ht nnt R uJ.liu n

waenc w ied zugeführt.

M IR in kJ/mol

'"

(' + °2-10 ('°2 S+ 02-1oS02

- 297.5

11:0.. . + (' -10 111+ ('0 Fe p . + CO -10 3 h "O -+ ('0 :

+ 131.5 +22.11

Mechanische Arbeit : 1l' ''' F lis = pM' Die Ände ru ng der Innere n Ene rg ie entsp richt imm er de r mit der Umgebung ausgetauschten A rbeit und w ärme. Damit ve rb ietet sich ein Perpeuaen mobile. eine Masc hine. die durch e ine n Kreisprozess Energ ie aus dem Nich ts sc hallt

Enrhalpicn ge lte n Itlr konstanten Dru ck.

Innere EnCryio.11 gelten für konstantes Volumen.

6.5.2 Freie Entha lpie Bei che m ischen Reakt ionen mu ss Energ ie nicht zwa ngs läufig durch Erw ärmen ode r Abkühlen zu- oder abgeführt werde n. Bei fotoc he misc hen Reaktionen wird Lichtenerg ie einode r ab ge strah lt. Batt erien und Korro sionsvorgänge liefern elektrische Energie . Die Gm us'sc he Freie Em ha fpie erfasst d ie Gesamtheit der Energieäuße ru ngen und be rüc ksichtigt d ie En tropieän de run g (U nordnun g) des Sy ste ms.

I"G,

MI, -

r·M,

I

Eduk te -

Prod ukte Z /i GR

Frei l" Rl"al. tinnw nt hllill il" ~ ( I:llschlich : ..Freie Energie") ~GR

negati v:

e\e rxuni wh e R ukl ion .

~GR

po.lSi th':

t nde r lt" n i"" he Rea klion Ene rgie wird zugeführt.

Energi ewird frei!

Tt hermo"!) namiscbc Temrcratur (K). 11 Enthalpie . S En trepie

Ein nq~ati \ c'S Yorvcicbcn bede utet: Freisatz. Ein pt lSith ..-s Vorl e ichen bctleut..'1: Auf\\and.

•

Zusam rnenhanl!- mit &.T Gjcicbg..... victaskonstarnen. .. 6.5...1

- griec h, eXQ - au6crh.alh. herau s; ..ndon - drinlk.'I1. therme · wärme.

6 Chemische Rcakuoncn und Thermochemie

6.5.3 Thermechemische Ge setze Thermodynamische Berec hnungen nutzen d ie Energ ie änderung, wenn d ie Elem ente zu ei ner Verb indung zusa mmen meten oder Atome in wä ssrige r Lösung Ionen bilden . D ie Ui ldun ~s~nth a lpi~ !i.Ha ist d ie Reaktionsw ärme, d ie bei der B ildung einer Verbindu ng ode r e ines Ions aus den Elementen freigese tzt w ird und zur Zersetzu ng des Sto ffes w ieder aufzuwenden ist. Bild ungsenthal pien werd en mit ei nem Kalorimeter gemesse n ode-r mit dem Has s-satz berec hne t. Bei Bildung und Zer legu ng einer Verbindung wird derselbe w ärmcbe...rag freigesetzt bzw. au fgewendet (I. Thermoehemiselies Gesct: nac h LAVOISIER). Wen n sich Wassersto ff und Sa uerstoffatom zum Wassermolekül vere inigen. w ird die •.Bildungswärme" frei . Diese Energie ist wieder aufzuwenden. um Wasser zu spalten. • Beifl üssixen Wasser: MI8 = - 286.6 Id/mo l • Be i Wasserrlumpf M IB = - 242,2 Id /mo l Das s ind j e w essermolekül-t.g-lü" J bzw. ".0 . 10. 19 J. D ie l 'erdumpfil1lg~enlhulpie von .... ,4 kl /mol tren nt die beiden w erte. Geh l Wasser heim Erw ärmen vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übe r. ist sie aufzuwenden. Bei der Kondensation gasförmig - flüssig wird derse lbe Wärmebetrag als Kondemalion~wärme fre i. Rea ktlonsenrhaf plen berec hnen sich als Differenz de Bildungsentha lpien {für Elemente de finitionsg emäß Null).

!i.f{" = :LM / IIl Prod ....,. ,

-

:Li1H 81 u....,

Iki.'l'it'1: Welche Reaktionswär me liefert ..He folgende Reduktion?

Fep .l + 2 AI

~

AIlO., + 2 Fe

M I/< '" I M/~( J\ I , O,, ) +2 <1/MFe)l - ...IIs( l'e 10 J) +2 ...II s(AIl] =

(- I6·.\7,'>1 + 2'0) U /mul

- (-ll I7.8 + 2,0) kl/mcl =

- ll3(l ld /mul. Die Reaktion ist e xothe rm.

H.·i.l/,i<'1: Verbrennung von Kohle in IIl ci Tcilrcaklionen

+1 02 ~ CO

C

(2)

CO + t 0 2 --. C02

MI R =- 110.6 U lmol MI R = - 283.2 U lmol MI R

Dem d...urschen Schrifuum stehen ir ucmarionale ßczciclmungcn gegenüber. Deutsch Inlemaliullal Reaktion swärme <111/< "',/1 (r - reoc/ion )

Bildungswärme (f · 10m/tl/ion ) V..-rbrennungswärme (c " rumbu5tionl

Der .VIlI!&.,rJ: lIsfm,J bei 1' . 25 "C .. 2'>111 K ullli p" = 10 1325 Pa - \.01325 bar wird durch eine htlChgl.'Slellle ~ ull gekennzeichnet. lki"pid : StaotlanJoiklung.'it......thalpic: M I"

Beachte die lic fg~"Slo:lho: Null filr T. '" 0 oe in ocr l ustantlsglcichung jdcalcr Gase! Den 1k.'T1

StofTc"fI kenrveichticfges relhc Klammera usdrücke. ,~ R.

"-lggre~I;IIS/(Ind \ On

1I!> 'fl - 11,.1:)"" - Il.,(>'u 1),.-UlsCh Inl,:matiooal (I) (sI fl."SI. solid

«u (gi

393.8 U /mol

Die Reaktiull und ihre Teifreaktioncn verlaufen exotherm.

(I)

nass ig.. liquiJ

(gi

ga.\ IOnnig..~.wolI5

l' ' Iula n: und "pel. irr.t:hc C; rii Bc n

In der Chemie sind molare '" slo l1incn gcnbc-

vogcne Größt.-n üblich. I>t..T Indc, m filr _molar- wird meist fortgelassen. Die technische Thermody namik bevorzugt spezifische - mussenbcvogcnc Grü ßen (in Kleinbuchstaben ) Größe molar

Ih :ss- Sllt7. (2 . the rmochemisches Ge set z• •.Ge setz der konstanten w är mcsurnmen'') : Die bei e iner chemischen Reaktion auftretende w ärme ist gle ich der Summe der w ärm en aller Tellreaktionen. die von den g leichen Edukten ausgehen und zu denselben Prod ukten führen. Die Reak tion senthalp ie hängt nur vom Anfangs- und Endzustand einer Reaktion ab. nicht abe r vom Rea ktio nsweg. !i.II R = I1I1R. 1 + i1HR .) + i1HR.3 + ...

(I )

l' Inll il-u n1r lIie A rt der Rea "'liun

I k/ ll '~

Stumnenge

spel iliw h Masse

11

Einheit J

IIm - II n

Jzmol

h - 11m

JAg

' röllt: ßcispicl

Si-Einheit der Energie ist das Joule (}). In der Energietechnik wird die Kilowanstuudc (kWh) verwendet. Die in der Ernährungslehre \ crbreite ..Kllokalor lc- isl \ cratrcu Aueh die _Tonne Sleinkohll."Cinhei'" (t SKE) dar f seit Ende 1'>177 nicht mehr \l.T\l en,kt werden. _Giga" G - I O~. I J = I WS " 1/_. Wh " I Nm _ I kg m1 s~l I kWh - IOOOWb - 3.6· l o" J i rw, _ ll.76· I0 I1 kWh • 3. IH 0 10 J 1 kcal '" ~ IK6.Kl - 1.163 Wh 1 1SKf. '" 2'1.3076 GI · IU ·.. kWh

126

1 AII\:c mcinc und Anurganisehc Chem ie

L.

.J

..:.:..I/l;:~·'~,~,~,",~I~},~ lf.i n i t i o n e n th erm odyn amls ch er; Griißcn!..

Unbezogene Größen ( im ßhuehstah..'11 1. spe=!fi,{che Großen (Kl einbuchstaben ), molare Große n (m it Inde' Oll. Das lIhl:C"\.t: h lu" l'n(' S, , t(,01- o hne Sto lT· und Energieausrausch mit de r Umgebung, l. B. Th ermoskanne - leistet nur l"C\ersible volumenarten. warm e und Arbeit s ind kein e Zu standsg rößen, so nde rn \\egabh:lngige Prozessgrü ßen . • Das lldill hll t i~ hl' S, sl rm tauscht [n~~ie in Form von Arbei t - nicht Wllnne und Materie _ mit de r Umgcbu ag aus; I . B, KtlfllPI\:s s io n im Gasmotor. Das orT('nr S, ,t('nl lau scht Energ ie und Materie mi t de r Umgebung aus; ,~ 1\. Küh lschrank . Ilcißlut\mot or. Heizeng.

O. 11.",,"" 11. d ..r Th..nJlod , n.mik Die Te mpo..'n llu r Ti m G le ichg<.,""ichISS'SI,'Ol ist ".. nstonl. I . lI a u,," a IL d r r Th(,nJlod, nami" (EIl<."'"fl!icemah ung ): Im abgeschlossenen S) stcm steigt bei Wltrmeru fuhr Q die innere I::~ie und Vol um<:TIl!nlJerun~'i3rbcit 11 ' " im \ <.m eh tc!.

Enth alp ie-

WlIrmcinhall eines S,stems bei p " konst . Innere [n tr=it

Wllnnc inhalt tks S,st<.'II1S bei l" " "onst.

11

- U +p "

,JU

U1 - V, -

dJ1(p.n

- TdS + " dp

dL"(V.])

- Td\' - pdV

= Cp d T+~; J,dP

Q ll -

= C r ar +

W ll

~~ ! ar

.. m c, d T ,. n C,._ d T @lI ( p, T,n) = TdS + I'dp + ~ ~.dn.

,

Volu me narbcil (;t "'J1·" ~h ..

. -rr ir Enlh alpir

,

1

~U(l".T, n) -

a

- 1f- T S - V + p "+ T S - - S dr + rdp

dGlp.])

Mi · 0 .:\G < 0 Freie Rc uktiousenthal pie

Ih:DU101.TJ.Nuvarbcil des Sysrcm s bei I" = " unsI. FrrH: Entha l"ir F - U- T S dfW. 7)

-S dT+ I· d{, + r ~. dn, 1

@G( p, T,n )

l

" chcmi,;.chcs Potcnlial n SIOßincngc Jt.'T ,",o,"",>I1("nl.: i

";1=-J,pd " =-mJ, pd\' Nuearbcir eecs System s be i p = kon st.

Td " - p dr + r~.dn,

--S d T- l"dp

@F(I' , T,n ) oe< - S d T - p d/" + r~, dll,

t h<.'ml.Jd~ n. Gtcichgcw ichl spo ntane r Vorgang

.:\1-" · 0

.:\F < 0

1

Glckhge"ieh t spon taner Vorgang

- -R f ln 1\ 2, ll au l' b a l;l lIf r Th ermed yn amik- Die Entropie im ilhKt!sdl/oss"nnl (bI W. ildiaht.lI;sc!u.'II) Sysl"/11 nim mt n iem als (fn: i\\i llig ) ab. im Gleic hge wicht ist sie max imal. Wärme zufuhr c rhölu. Wänucabga bc sen kt d ic Entropie . Fläche unter dcr SI 7)·Z ustandsk un c - reversibel übertragene w ärme Q.... . iX! rc\'

,JS
T

} = 0 adiabatisch - revers ibel (iscnt rop ). Glei chgew icht

>0 ndiabarisch-irrcvcrsibcl.spontane Reaktion. verlustbehaftet

lÖS]

- ...LJT c + dp T i'p r

Idea les ( ;as

.:\S

- 11/

[c, lnT :- Rlnl2.) 7, p,

~ dr +(2li..) d! '

t :nt rn pir

dS

..

ldcalcs Gas

.:\S

- m((',- IIlll.. - R ln~] Ti I',

T

LW

1

Beim idea !..'Il G,,-~ im abgeschlossenen S, stem ist die UiIT<.'f<.'Il1 der spe zifisc hen Wlinn e kaf'lll itälen bei kon stan tem Druck bzw. konstantem Vo lume n gleichder spezifischen (ia,"ostante; c p - e r - Ru

. ~.( Ch) = T( er ~')t, m iJT ,

" 'i m lf l.llll
C, ( iJT '''),. "' T ( e"T" ) "' -;-=

J. lI a u pt sa l' d er lh enJI ltd, Dami l,;; Am absoluten Nullpenkt Iü 1' 1gehen Entn>"icllndcru ngen. spc' ifiSl;:be wärmen . Wärme kapazitäten und d ie Entropie So\on IJcall..ristallen gegen Nu ll.

6 Chemische Rcakuoncn und Thermochemie

127

6.5.-1 Verbrennun gswärme Verbrennungen - chemische Reaktionen zwischen Brennsto ffen und Sauerstoff (O xidationen) - setzen w ärme frei. Wasser in den Verbrennungsgasen kann bei Umgebungstemperatur flüssig oder dampfförm jg auftreten. Die verbren n uogsc n tha tple !i /fR ode r der Bren nwert H", früher o herer Heizwert, ist die Reaküo nseruhaipie bei v 011ständiger Umsetzung eines Stoffes mit Sauerstoff (bei konstantem Atmosphärendruck ). Produkte und Edukte sind auf den abgekühlten Aggregatzustand be i 25 "C bezogen. also Brennstofffeuchte und Produktw asser im fltiss igen Zustand. • Verbrennun gsenthalpie eines Elementes: die Bildungsenthalpie des Oxides mit Rücksicht auf den Atommult iplikator in der Summen fonn el (Beispie l rechts) • Verbrenn ungsenthalp ie einer Verbindung: d ie Reaktionsentha lpie mit Rücksicht auf den Stöchiometriekoe ffizienten in der Reaktion sgleic hung Die molare Verbren nungsent halpie trägt d ie Einheil kJ/mol. d ie spezifische Verbrennungsenthalpie kJIkg. für Brenng ase auch kJ/m ~ (bezogen auf das Volumen bei O°C. 101325 Pa ).

verbren nungskajo rfmeter messen die Verbr ennungsenergie !1UR ( für konstantes Volumen ). Jedoch ist die Volumenarbeit be i festen und flüssige n Sto ffen vernachlässig bar. also !i HR;:;; JiUR . Für gasförmige Komponenten g ilt: Volumenarbeit

tJ./fR - !i UR"' !in R T.

Der HeiL"C" H~ - früher ••unterer Heizwert.. genannt umfasst d ie nutzbare Verbrennungswärme eines Brermstoffes bei der Verbrennung zu gaJ[tjrmigen Endproduk ten und Wasserdamp f. Es fehlt der Teil der Reaktionsenthalpie, der zum Verdampfen der Reakti onsprodukte verbraucht wird.

Heizwert - Brennwert - Verdampfungswänn e des Wassers

' ·f rh l"t'nn u n ~"",nlh Mlll i ... \lI n .\ Ium in iu m aus der ßikl ungscnth alpic von A bO _,:

- 1676 U /mol 2 - - 838 1J1mo l Weil Al,(h zwe i AI·Alom e en thält. mu ss durch 2 i!eleill werde n, den n das Ergebnis bezieht sic h auf I mol A luminium . " frh l'C'nllunR'>C'nlh lllpif \ o n . \ ed~ Ico ll als Reak tiooscmhalpic der Reaktion : 2 C1 1E{' I II , I + S O~ g l -

1111.. =

4 l"()i gl + 2 11:l:>t 1l 1

f4 MloK O!) + 2 1111114 11:011f2 MIII4 C!I!:1 + 5 11111140!)J

"" IH - 39 31 + 2·(- 28511-

12'227 +5

00

1U

• - 25% lJ /j2 n1
1298 U lmo l

Hn."Iln"l'Tt:

11., = .. 1298 U /mol

Bleibt Wa~scr als IIcU$('rJ(/mpfim A ~as. g ilt der Hei/\Ol ert 11. als r.::l"llngrö ße eines Brennsicücs, der de n Wirku ng...gred einer Fcucrungsanla ge bestimmt. Es werd en L U. schwcfclh altig e Brenns to ffe un\ollstlln<Jig gen uUL um niehl flüssige seh\\ e lligl'" SlIure im Kamin I U bilden: IbO ,ft , + S( )!'II- I IIS0-" ft ~ Der Hn'nn\Olfrt 110 wird angegeben, wenn d ie Ab gase e iner Feuerungsan lage so abgek ühl t we rden. ,jas.~ j!ii.i.tiKfS lI"a.T.
(44.01f> IJ/nltll = 2442 Idlkgl

"Verbrcnnungswärme von Hrennsto ücn Brennwen und Heizwert hallen pos itives Vor/ eiche n: tt, » - Allv. 1 k.l/kg = 11/g = I M J/t = I/ !'< "() kWhlkg St"fT l\ ohlclH1l<-lllll\ i,j Wa~scrs l()tr

A mmonie k Methan ACCI) lcn Propa n Huta n

Braunkohle 1/o11 ~ lclhanol

Stein kohle Dksclöl Bell/ in

Forme l

CO 11,

Nil ,

CIl , Cllh ( \1/. C,II ,,,

kJlmo l 283.6 2 ~602

311 1

RO'

1 310 2222 2 8110

Hrenn wert 11" U lk" 10 132 14 1 974 22 358 55 600 50367 50 409 49 572

,

kJ/m

"

12 .... 769 17 250 39 838 S8992 101 823 134 019

U lu,,,l 28M

141.1 313

soe

1 265 2 Oll 2655

lI e i/\Ollo.1 11" U lko 10 132 11 9 6 16 111422 49 9411 48 6S1 46348 45 720 %00

' 4600

cuon

19 510

31 ~

"" 00 46'00

41 b-IO 42 500

" ....

kJ/m'

10760 14 193 35 979 S6 ~0

93574 123 522

I

128

1 AII\:cmcinc und Anurganisehc Chemie

6.5.5 Aktivier ungs- und Z ündene rgfc C hemische Reaktionen laufen se lten freiwillig ab. selbst wenn sie exo therm sind , S ie sind •kinet isch gehemmr' und benöt igen zum Ansehub d ie Akrivicrun gsenergie. Diese ••Startenergie- bildet ei ne natürli che Barr iere. um geherumte Reakt ion anzustoßen . dam it das Zusa mmentreffen be liebiger Stoffe nicht sofort in einem Infemo endet. Unter A kl i\ lerun g..(" nt"~it" versteht man die Energie zur Oherwinclune einer Reakti onsh emmung .

lJl'i.I'I'id ., h:n ~IIl:~ \t\ p I"\j ,,tl: n ie exotherme Verbrennung von Wa,\ sc rs!lllT winl d urc h ei ne n f Ond funken ode r eine e1cklrl,ls lalische Entladung ei ngcl eik"l, Platin katalysiert d ie Reaktion auch ohn e Wärmezufuhr. 2 11: + 0 1 ~ 2 11:0 + 286 U /nml

• Sto ffe. d ie für best immte Reakt ionen ho he Akti vierungsenerg ien benöt igen. sind reaktionstrage. S ie befinden sich in einem stabilen Energiezustand. • Reali.1iol1ifrelldige Stoffe benötigen geringe Akti vierungsenerglen. um ihre energetisch hohen. aber wen ig stab ilen Energiezustände zu ver lasse n, Bei excubermen Reaktionen wird Energ ie frei. Die Reaktionsprodukre sind energieärmer a ls die Ausgangsstoffe. Be i endothermen Reakt ione n wird Energie verb raucht. Die Reaktion sprod ukte sind energiere icher als die Edukte. Katatysatoren ( .. b.7) erhö hen d ie Reakti onsgeschwindigkeit. indem s ie d ie Aktivierungsenergie sen ken,

10n Slid...\ loff. Die Real.lion Stickstoff mit S3ucl'!>toiT zu Sticksloff, monosid. l . B. in Verbrennungsmotoren , ist ein endot hermer VlHf-an g, N: + 0 1 + 90A kj lmol ~ 2 !'\(l \"c:rt>fI'nnun~ \tXl

verbrenne nge n sind komplizierte Kettenreaktionen mit kurzlebigen Spaltprodukten (Radikale). die explosion sartig ab laufen können . Eine Verbrennung erfo rdert dreierlei: • Brennstoff (Ga s. Damp f. Stä ube. organische Stoffe] • Sa /lerslOffoder ein anderes Oxidationsm itte l

I

• ZÜlIJq /1t41e (heiße Oberflächen. Funken. offene Flammen. elektrostatische A ufl adungen. ionisierende Strahlen )

Heizö l lässt sich in der Kälte mit einem Streichholz nicht entzünden. Erst ober ha lb 55 "C entflam men d ie aufsteige nden Heizöldämpfe (Gefahrenk lasse A 111 ). Die Aktivierungsenergle nimm t mit ste igender Temperatur ab . Der Flam mpu nkt ist d ie niedrigste Temperatur, bei der bre nnbare Dämpfe - z. II über dem Flüssigkeitsspiege l von Lösungsmitteln - mit der umgebenden Luft durch Zünd ung entflammt werden können. Die Z ündtempera tur ist d ie n iedrigste Temperatur. bei der sich das zündwill igste Brennsto ff-Luft-Gemisch gerade noch sel bst entzündet und verb rennt (oh ne Fremdz ündung). Explcslonsg re nze n ode r Zündbereich heißen d ie obere und untere Konzentrat ion von explosiven Gemischen in Luft. Die .\ Iind estd indenergie beschreibt die Aktivierungsenergie zur Verbrennung des zündwilli gsten Gemisches mit Luft oder Sauerstoff bei 20 0(: und 1.0 13 bar. Die Mindestzündene rgie von Wasserstoff in reinem Sauerstoff beträgt nur ein Zehntel von der im Wasserstoff-Luft-Gemisch.

Ein Stn: ich h" lz brennt bei Raumtemperatur nicht vo n seihst. Erst heim Anreilk.'l au f de r Rcibüächc ~'lhlelll durc h e ine chemische Real, tion \Oll l'hos...hor und Salll'l'Stlln ' die Iltltm..mdigc Vemr'l.,uHlng~\\ :inl1 e zur Entzündung ,10.:$ Strcichholzkopfcs , Die Reakti( ~l wsrd ..aktiviert".

"7.üntltem lerllln r 0( ' : ( ;1I"'C und Hiim fe Aecl) ICIl 305 (jCllCralurga-. 600 Ether 170 Ilei/ ol 220 rth;ult'l 425 Kohlcnmllnos id 605 Allllllllnial 630 Mcthan 595 Teo;tbcll/in 240 IT"pan 470 BCIl/ ,,1 555 IVin>lchlurid 415 flutan 3M " \ li ll d e\l/ ü nd C'n e~iC' I m1 '" O.OOt 1)

in reinem 0 : in r.cn in NO

u,

+01 1r, + I.uft 11. + 1'0 0

1°,0012 mJ 0,01 1 mJ 8,7

mJ

129

6 Chemische Rcakuoncn und Thermochemie

6.6

Chemisches Gleich ewicht: Nichts Stabiles!

Chemisc he Reakt ionen sind meist Gleic hgewichtsreaktionen. Die Edukte w erden nicht 100% ig umgewandelt und

d ie Produk te können zurück reagieren. Wird pro Zeitei nhe it genauso vie l Prod ukt gebi ldet. wie durch Rückreaktion wieder zerfä llt. ist das dynamische Gleic hgewicht erreich t Ausga ngsstoffe ~ Reaktionsprodukte Im chemisc hen Gleichgewicht ist die Reaktionsgeschwindigkeit de r Hin- und Rückreaktion gleich. Die Ausgangs. stoffe we rden unvo llst ändig umgese tzt und die Produkte sind mit den Ausgangsstoffen veru nreinigt!

6.6.1 Reaktinn sgcschw indi gk eit Die Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt die pro Zeiteinheit umgesetzte Stoffmenge . Sie steigt mit der zahl der Zusammenstöße zwischen den reagierenden Teilchen hängt folglich von der Konzenmuion c sowie vom Zer/eiIungsgrud der reagierenden Stoffteilchen ab .

indi19k.en ' r = c·=~ =·~~,~r"' ~'~"""" =·~
RtlIl.tion )

Produkt e A ..... Produkte A-

I

Zeitintervall

I

~',

r = -"dI= fc ·c"

dJ

T lm kehrhare

( bCOl i~(hc

Rellktion rn

TnK'l.nun g\OliUrl wie Magnl.-siumsulfal und andere Saite geben bcfm I:rn iv e n ihr stallw asscr ab und nehmen nach dem AhkOhlen wledcT WasS<,.T auf.

"'ri-

M ~ SO.· 711 ~ ) "'"

MgSO. + 7 Ih O

Der B1ri ll"l.umu lliC ur (Autobancrrie. "' 9.5) liefen Strom. ind...en s ich an ..jcn Elektroden IJleisulfa t bildei. ßerm Laden crcncn s ieh die l' lektruoc n\ 0 ll!lInge um . Enlladtn

Pb + PbO) + II:S0 .

~ 2 1'bSO.

I....,

+ 2 11:0

T brrOlN-hr ZC'1"oC1Lung ven loo" II\\C'nroJr in einem gc-schlos.'
(t l hin. k. 1 rüc k)

Reaktion 2. Ordnung

HJ. Z..-Illli

( b imold , u llirr RtlIl.ri"n )

2 A - Produkte A+ß -

Prod ukte

r = _ dc,.. = _ dcB : k . c ... c u df

dl

Die Geschwindigkehskonstar ue k hängt von der Aktivierungsenergie E" ( .6.5.5 ) de r Reaktion ab. Die irreversible Reaktion I. Ordnu ng wird mathematisch wie der radioaktive Zerfa ll behandelt (.4.6). Nach der Hat öwenszeit T ist d ie Hälfte der Ausgangskonzentration CA.O umgesetzt. ARIU1ENIUS.Gldchung Reaktion 1. Ordnung A - Produkte

Ik = A . e -' .... I I R{

A A rrhcniusFaktor

k = l n 2 =~ . l n cA'" T

t

'. Te mperatur

"e

2&0 "'0

5211 I 022

Y(llume n·%

111 112.2 711.l 75.5 67.1

l h, 11 ' ,9 10.95 12.25 16,45

Gleichgewichtskonstante }.; 323 164 97 26

C"

Mit steigender Temperatur nimmt die Te ilchenbewegu ng und d ie zahl der Kollisionen pro Zeite inheit zu. d. h. die Reaktionsgeschwindigkeit steigt. so fern das chemische Gleichgew icht nic ht verschoben wird.

\".\,', Hm r -ReJ:e1: Temperaturerh öhung um I'J.T - 10 K verdoppelt (bi s verdreifacht) die Reaktionsgeschwind igkeit.

\lod rll d e r IIrh..-l" lIl1t:r . Die Länge der gege nüberliegenden Hebela rme entsprich t den Massenanteilen \1111 Ausgangsstoffen (links ) und Produkten II\.'Chts l.

l agc des (jleichgc" , ichls

130

6.6.2

I AII\:cmcinc und Anurganischc Chemie

Massenwirkungsgesetz (1\1\\'(;)

T Definiliun der .\ l.th itill

• In konzcnmcn cu Lösungen c > 0.1 molfl

GUI.DIIERG und W AAGE 186 7:

muss mit Aktivitäten gerechnet werden. Bei Gasdrücken I' > 10 00r ist mit realen Drücken (Fugv illlll.'D)!- '9 p I U rec hnen. f ür Fes tkörper ist definiert: o » I.

Das Verh ältni s der Gleichgewic htsko nzentrat ionen c aller Produkte und Edukte ist konstant. Die G le ichgewichtskon sl:anle Ä c erg ibt sich als Verhä ltnis der Gesch windigkeitskonstanten der Hin- und Rückreaktion
e eben Mclcnbeueh

=

TI

• Rückreaktion .

T" I

_..!. dc" adt

=

_..!. dc ll bdl

Konll.'ntml km C', . ".." Pan ialdrnek

= k,c~c:

P,

=r,· .l,

/./, ; -

0

d dr

• Im G leichgewicht: G leichgewich tskonstanle (MWG )

_

,- 101325 Pa

· x, ·An

., Fugvit:l1skoeffi/ient (I)iml.'DsiOll I )

Im Zähler der G leichgewic htskonsta nten stehe n d ie multiplizierten Gleichgew ichtskonzentrationen - nicht A usgan gskonzen rrarionen ! - der Reaktio nsprod ukte. im Nenner die der Edukte. Die Koeffizienten der Reaktionsgle ichung stehen im

.L

_\ l o l/ll h l ii nde ru n ~ .. UiITl.-n:rIL der Stöchiomctrickocül zicntcn in der Keal..lionsglek h ung

,

an "" L n"Pr....... -

Exponenten.

'-1

n•.UItI;..

. _.

KOIlIl.'Tltmlim sh :.111g1:OC ( ik.'-"iIgl."\\idIl..JounstilllC

Gleichgewichskonstante: K > I (g roß) =:) Glei chgewichtliegt rechts (produktse itig ). K < I (klein) =:) G leichgewicht liegt links (eduk tseitig).

K._; ~ = Kr .c:ll< '" (R n ....

,\ l.liv iläMlCl'>J:eoe ( ;ldch l:c" kh""oo'tlln te

für die Reaktion AB ~

""'" ---'" .

(/" , (111-

".

+ n-

.

~ ~

+

ß

~

5-x

+

C .r

x 2 - 8.5x+ 7.1 =0

Gleichgew ichtskonlentrationen :

c( A) = I - x = 0 .06 mo l/( c( B) = 5 - x = 4.06 molzt c(C ) = c( D) = x = 0.94 mo l/( c(A I(l

•

A und

n

2

Lösen de r quadr atischen G leichung:

U ( A)= c(A )(l -c(A )

l1lol/ ~

.v

K - c( C) ' c( D) _

Umsa tztgrad j

•

M; ~ '" - Rn n 1\"

Gle ichgewichtskonstante:

, - c( A )'c{ B) -

; "1'",-

YAlt CAII ( ; nms 'sl' hc Frei e I{clt"l i"oWnlh lllpie IIAII

R('dlellhd sJl id : ln einer bimolek ularen Gleichgewic htsreaktion (K e = 3.4 ) we rden I 5 moll e B vorgelegt Wie groß s ind Gleichgew ichtskonzent rat ionen und der Umsatz? A I- x

Ä"

1\,

Ohnc !\.1ul/ah I3ndernnl!-; I"KC,-_-'-K c-,-_- AC·'. 1

Das MWG g ilt für verdü nnte Lösungen und Gase. Für Gase werde n auf den Nonn druc k Po bezogene Part ia ldrücke plPo eingesetzt In konzentrierten Med ien müssen Aknvtt ätc n Cl statt Konzentrat ionen und Drücken eingesetzt we rden . um d ie Wechselwirkungen der reagiere nden Teilchen zu berücksichtigen. In der Praxis kennt man d ie Aklil·itiJakoejjiztemen meistens nicht und rechnet daher näherungswei se mit Konzentrationen in stark verdünnten Lösungen.

Reaktio nsg lclchung: Konzcntratlon sändcrung r :

t ,- -c,-

I mnVt '9,' p,

.r, .lIo/t " brud r: StnITmcnge n, tmol) einer Komronnenlt: l. tJc/O~l.'D auf die Stoffmenge aller in d..... Lösung ent hahcncn Stntre " ... p, Purtioldrud : l>md. der hl.'TfSChl.'D würde, wenn sich da" Gas i allein im Volumen hef3n· oe tlkitrag do."S C-"'S am C...-samldrnck) T Akti, illl"koeffi,icnt (Uillll.'1lSion I )

I dee idco ~ J =- - = -- = k _ICcCo cdt

0,

x, n, n.,.

IJ A + h B ~ c C + d D

• Hinreaktion.

,\ ktiv' ität

x

- 34

(l - xXS- x) - . ~

_ 85±Jr'~~"2 --'-7.-1_- 0.94

x l.2 -

_ x_"" c( .~)(l

Die "leite Lösung 7.6 ist nicht sinnvoll. weil sie größer als die Ausgan l!-~k{lnlen trJtioncn 0.9-1 I

= 94%

ist.

6 Chemische Reaktionen und Thermochemie

131

6.6.3 Lt C II ,H U.lu t.-Pr im:ip Prinzip d ,.,; klein..ten Z\\ll nJ:s (LI: C1 IA1H IER. BRAUN 1885) Das chemische Gle ichgewicht weicht einem äuße ren Zwan g aus. Die- Hin- oder Rückreaktion verläuft vorzugsweise so. dass eine vorhandene Komponente verbraucht wird ode-r der Gasdruck abnimmt. • Te mpe ra ture r höhung begünstigt die endotherme Reaktion. Temperat ursenkung die exotherme. • Uru ck erhöhung (Kompression) versch iebt das Gleichgewicht auf die Se ite mit dem kleineren " olume" . Druckerniedrigung (Expa nsion) begünstigt die Se ite mit dem größeren Volumen. Kein Einfluss besteht bei einer Gasreaktion ohne Molzahländerung. • Konzenl ra tionscrhöhung begünstigt die stoffverbrauche nde Reakt ion. Konzentrat ionssenkung die stoffbildende. Gle iches gilt. wenn ein Produkt aus dem Gemisch entfernt wird,

Er hit,C'n ilo:gOnstigl die endothe rme Reaktion:

CI: + 2 0 1+ I IOU lmol ..... 2 CICh Ahkühlcn fördert uie exot herme Reaktion: II ~ + S

~ l h S + .ro kJ/mol.

Un......C' r hiih u nae. begünstigt die Reaktion : N 1 + J lh ~N H"

Kein Druckeinfluss \\ irt.:t aur uic Reaktio m:n: N1 +O! ~ 2 "0.

2 111 ~ l b + 1:. Vakuum IlInk'ft d ie I><.'so xidat ion \ on Stahl : h ."O+ C ~ Fe + CO t . .\ uß,.."u C'nl riC'r u nR d.:f Ausgangssloffe begünst igt die IIinn:aktiofl - eben so d ie Entfer• nung ei nes Prod ukts aus dem C.oemisch. F.ssigs.llun: dis-"vi icrt ~'fl: il\\illigcr. wen n d ie e ntsle h.:nd '.'T1 lI ) d mn illm infle n durch Zugabe einer l.eugc Ill,.'tura lisicn \\Cfd.'T1: C1H"OO!l + II~ ) ~ CIl,COO + 11 ,0'

Das Li: CIl \ 1U .It:H-I·rinzi p a m Beisp iel der H.\ O}:H-Bo snl·Amm on iak...yntbese

C

!i.H R '" - 92 kJ/mol

t

'

-

v--

:\!ol,ahl:lnd..Tllflg: M " 2 - 11 + 3) -

~

=-2

t

( i jcicbgewicht!ok nnsta nte

exotherme Reakti on

Die Reaktion ist exotherm und verläuft freiwillig (aber sehr träge) unter volumenverktclnerung. Mit ste igendem Dru ck wird mehr Ammo niak gebi ldet und das Gleichgewicht nach rechts zum kleineren Volumen verschobcn. Aus vier Volumenteilen Stickstoff und Wasserstoff entstehen nur zwei Volumenteile Ammoniak.

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'I~'-' I~ lOO

Mit ste igender Temperatur wird weniger NB} gebildet und das Gleichgewich t nach links verschoben. Die Reaktionsgeschwindigkeit ste igt. aber wirtschaftliche Umsätze erfordern einen Katalysator, der oberhalb 400 "C anspringt.

600

100

e.olhl!rm

Die Gle ichgewichtskonstante Al' sinkt mit sreigende r Temperatur. weil weniger Nil ) entsteht. 0(

Druck lilar)

I

100

200

300

600

1000

VoL·~ . !\ II.

OA

26

36

~6

66

SB

Vol.·% 1'11.

l'lS

300

«o

500

600

63

36

t9

Il

132

I AII\:cmc inc und Anurganischc Chemie

6.7

Katal se: Wie man Reaktionen Beine macht!

Kine tisch Ke"e",,,,(<, Reaktionen - mit hohen Aktivierungs-

Chemische Reaktionen verlaufen je nach

energien - laufen nicht spontan oder beliebig schnell ab. obg-

Re(I~lio'l-\p(/rtlk'", 1/'11' Re(/JdifHlsbedin~lIngen

unte rsch iedlich schnell.

leich die berechneten Reaktionsenthalp ien negat iv sind. Kalal) salortn beschleunigen die Einstellung der chemisc hen Gleichgewichte. indem sie d ie Aktivierungsenergien se nken, ohne d ie Gleichgewichtslage zu verä ndern. Sie gehen unverbraucht aus den Reaktionen wieder hervo r. Viele Katalysatoren beein flussen allerdings den Reaknonsmechanismus. so dass mehrere Übergangszustände {statt e inem wie im Bild) durch laufen werden. l nihibiroren bremsen die Reakt ionsgesc hwind igke it. z. B. bei Korrosionsvorgänge n.

Chemische Re' llilionsfechniJe

Technisch e Durchführung von Reaktionen . Auslegung und Ausrüslunl:l \011 Reaktoren unt er Ik:riIdsichtigun ,. von Reaktionsldnctil.. Thc nllnd}namil . SIr/\muni "llll.-chanil. StolTund En~~i\.'1 l"".lnSJX>I1. APJ"
Exot herme Rea kt ion

Endo therme Rea ktion

Bd.\pid :

&'üpid: Beneinherstell ung a us Koh le

K n.all~asru klio n

Wasse rstoff- Sauerstoff-Gemische kann man Monate lang m gesc h lossenen Geflißen aufbewahren . weil Hin- und R ückreaktion kin etisch gehemmt sind. Doch Zündfunken oder Katalysetoren (P lat in) bringen die Reaktionspartner zur spontanen Reaktion oder gar Explo sion! 2H ~ +O: """2H :O

(MI,. = - 285_9 kJimol)

h ot herme Reak t ion

{\

. -

• / ••

l

f

..Wassergas" (CO + H!) reagiert in Gegenwart von Cc/Ni-haltigen Mischkatalysatoren bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von 180 "e zu gesättigten und ungesätti gten Ko hlenwa sserstoffen (Alk ane und Alkene. ... 10). Ohn e Kataly saror passiert nichts.

~

nCO + n H:-+ ..( C H : ),,~

I

+ n H :O

Endotherme ReaktIOn

Ak ti vierung s_ ener g,e

o.!!.'!.r

--•

Katalysator

•

t

I

Ak IYlerungs - ) energie mtt c. Kata lysat or

.!!ll!

Katal ysat or

Reaktionsabla uf

energie

_

-

~

A khyj~ senerg l e

( .~r~s.

,I

o.h!l..t

-~ _

;'

KatalysatQt'

I

r Reak ti onsablau f

. %S',

Beispiel: Be i der
!1HR

=

'11%50,

..

- 196 kJ/mol

nach dem Kontaktverfahren liegt das Gleichgewicht produktseit ig beim Sch wefeltrioxid. Doch die Hinreaktion ist so langsa m. dass SOl in kaum merk lichen Mengen entsteht. • Bei 400 "C werden 98 % Ausbe ute erzielt. aber die Zeit § 60 zur Gleichgewichtseinstel lung ist völl ig unwirt schaftli ch. ~ • Bei 600 "C wird das chem ische Gleichgewicht der exo- 4 therrnen Reaktion ung ünstig zu den A usgangsstoffen ver- ; sc hoben . Die Au sbeute beträgt sinkt auf76 %. • Ein Platinkata lysator be i 400 "C erm öglich t 98 % Au s- " beute bei wirt schaftlicher Verweilzeit. A us Kostengründen wird in der Tech nik Vanadiu mpent oxid statt Plat in eingesetzt. das jedoch ers t ab 420 "C brauchbar arbeit et.

400'( • •

~,.., ...~..

·" "4 50,

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i

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j ~ 400,(

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111 ' .... - '...

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I

... ,,. ,,.....

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6 Cbemi ' I I Seh, R,akfsonc n dT hc'Olme leime

'"

I

133

... Exkurs: Katalyti sche Reak tion en und Katalysat o ren

I Ut'lc rogcne Katalyse 0

0

0

0 0

Kata lysator und Reaktionspartner liegen in verschiedeneu Phasen vor. Vorteil: einfache Katalysatorrückführung Oberfl ächen- oder KOllfaklkala~ne mit Substratsättigung (Erschöpfung der Ober fläche, ungenutzte Katalysatorzentren im Inneren) Konstante Reaktionsgeschwindigkeit

i

Homogene Kat alyse

Katalysator und Reaktionsparmer liegen in der gleichen Phase (Gasmischung, Lösung) vor. Katalysatorrückführung ist aufwändig 0 I 'olumenreaktton: alle Kata lysatorzentren werden genutzt. Diffusionsprobleme entstehen selten. Analytik unter Reaktionsbedingungen ist möglich. • Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von d" Katalysatorkonzentration ab. • Strenge Reaktion sbedingungen (meist >250 "C) Milde Reaktionsbedingungen (50... 2()()°C) • hohe Selekt ivität und Reproduzierbarkelt durch Reprodu zierbarkelt schwierig maßgeschneiderte Katalysatoren

1' IIO:lo:rogo:no: KlIllIh !>alorc:n (h idatMlOl.'fI (pt/Rh. Agl \ktalk It ) Jri•.:rungll't. t'ii) \k-tallo\ idc (h idatMm rvo, \l uO,," Cr~)_,) D.....)llrio.:nIJ!!- (Crp..\1uO:_WO,,) \l ..:tallsulfllk Dch)drk'rtlngKoS. I nS. \ loS:. WS:) saure II:atal) - Substitution.. ,\ minic'rtlng. llalog,cnit.'f1.1f1g salon..'fI (h'olithc. II,I'Oa/C) basisd \<: Additilm. Elaninicru ng,Crncl;.\,'fI (r-;alAI;O,) II:atat) saioren lJilimJ.. tiuocllc Rcformin g, Hydrocrac ken llVüolilh. Katalysatorcn r-;VCaCO"j I'.dclm•.xallc

Einfache Zerfallsreuktkm: K + A - K"'A - K"'B -K + B

0

1' llomogO:IIO: KlItlih slIlorc:n V..Ti:st..'fUflg. ,\lI;.) IM .'T\Jng Besen Uimini"Timg. Kond"'fL'iaIM )II :-': iKü). AI;\:t) ....' fI_ ACI}L..:tun: tREPPE 1936) 11) dnllilffil) Iit.·nmg \ l)ll Acetyjen CO:ICOts, RhIPhosphin tROELEN (938) t'ii(OH'ot Hutadit.'fI.II) dnx')ank'flmg 11951I IK lJAll-:t" Alh'T1f't>l)IT1<.';salklll (/ IfGtER. NArrA1955) PdChlCuCI: 1:dw.'fI- Aoct.a1l - t:s., igs;1un: (MONSAmo (970) Ni-ehclate I:tlk'fl - u-Alkcnc ISHEU . (972) (RII ].. P [lsomcrisicmng \ l)ll All) laminen . Säuren

Gasreaktion mit aktiver Zwischenstufe: _ NO,- so SOJ + NO NO + .10, !..

Bimolekuiare Oberfl äckenreuktion: Beide Reaktionspartncr adsorbieren auf der Oberfläche. reagie- Säure- oder basenkutalyslerte Reaktion: ren miremander und das Produkt desorbiert. H' oder O H ' als Katalysato r: pl i-abhängig K + A - K·A } - K'C- K + C K + B - K·B

Mikrollt'lerogcne Ka talyse

Autoka ta lyse

Der Katalysator liegt im kolloiden Zustand vor. Der eigentliche Katalysator bildet sich im Verlauf z. ß. Makromoleküle, EII::Y/1/f!. kolloidc Metalle. der Reakt ion. Übergang zw ischen homogener und heterogener Die Reaktionsgeschwindigke it wächst bis zu Katalyse: einem Maximalwert und nimmt wieder ab. • bei geringer Substratkonzentration wie bei der homogenen Katalyse • bei hoher Substratkonzentration mit Sättigungseffekt und konstanter Reakt ionsgeschwindigkeit Ph ase nt ra nsfe rkata1\'St.' Ein aktives Teilchen wandert in e ine benachbarte Phase und reae iert dort.

' 34

I AII\:c mcinc und Anurganischc Chemie

Katalytische Abga sreinigung im Auto

l' Ztnfll.unl: \ un W lI"cnloffllcn a itl

Technische Karafr.m torell so llen aktiv , selekt iv. langzeitbeständ ig, rcgencricrbar und mechanisch fest sein. • ,\ fi.fc hkala(r sotor f!l/: Katalysatorgemische mit synergetisch w irkenden Aktivatoren (Promotoren) • Trägerkcualysatoren: Der katalytisch wirksame Sto fT befindet s ich feinvertei lt aufe iner porösen Oberfläc he. Der n l"t'i\H'~('k3I :ll y~l llr fiir Viertakt-Benzinmotoren W;JOdelt bei 300 bis 850 "C die Schadstoffe Kohlenmonoxid (CO ), Koh lenw asserstoffe (_C. II...·) und Stickstoffoxide (NO

und NO!) in ungefährliches Kohlenstoffdioxid(CÜ:!). Wasser und Stickstoff'{Nj) um.

Als Katalysatoren fungieren Platin (für Oxidarionsprozesse) und Rhodium (für Redukti onsprozesse ). die sich feinverteilt auf einem Zeol ith-Wabenkörper (_wash coar-) befinden. Zeo lithe sind hitzebeständige Aluminium-Silicium-Oxide.

(0

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Realtio n ( "0 + II I ..... ... Kalal\ salor Produkte Cu/Cr.lnf('r. 350 bar ~klhanol Crfln. Znl('r mit Alkatiioocn. 150 bar All..oholc Ni. 15O"C,J>rud . Essigsaure Ni. 1500C. Ntlfrnalt1ruck M~'th an Fe. Ni. Co: 15 bar lk'1Vin Ru, 150 bar feste Alkane AVlh. ZnITh. )OO bar lsoall aoe

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lOJiftige

Keromikkörper

Abgase

Dabei gelingt ein Kunststüc k! G leichze itig werden Kohlen -

--

wasscrstoffc oxidiert. abe r Stic ksto ffoxide reduziert.

(2)

CO + +O! NO + CO

(3)

C"lI", + (l1+t ) o,

-

CO, +N ! + CO 2 n CO! + ~ H 20

Entscheide nd ist d ie richtige Menge CO. die sich nu r be i stöc hiometrisch zuge mischte m Sauersto ffange bot einstel lt. Das Kranst off-Lurt-v erh äunls A. w ird d urch die ••Lam bda-Sende- (ein Sauersto ff sensor aus Zi rco niumd ioxi dKeram ik. ... 9.6) gemessen und auf A;::;: Lein gerege lt.

> I

A=

,

St-Id,ti\ili l: die

Abgas,

(I)

, ,-

2 11 0 2 110 +0 Katalysator Aktivicrungsrclathc

,"~.r"'''~ I."nm<'lK·

.....-tl........,,"''''"

l.UnOleOlJO

H Ifl

F. i g~'Tlscha n eines Kalal }sakonl urrit,:n.:nd..:n Parallclreakrioecn

eine besrimrntc 1:L1 begünstigen. so dass ausschlicßlich das Wunschprodukt en uaeht, Die höchste Sdckti\ it31/cigcn I:ßI) mn:al.tionl.'l1. • ChemQselelail'it dcll. Od<.'1: Von zwei SlIhslralcn im RcaL.tiol1sgcmisch w ird ci ll\."S hI:\ llrl llll' umges e tzt. I . B . Oligmno:risicrung von EIben statt Propen.

• Re~io,,,!ld/il'ifill : I-: in Reaktiorrsmcchanismus läuft be\url:ugt ab: I . B. M·\ R" OI'. 'l"OfF-Addili" n an Propen • SleTeo._efeüil'ildf: Ein chirulcs Prod ukt (I'nanlimller ) e ntsteht bevorzugt ; I . B. enannos clcktivc S) nthcse von i.-Dopa ~

Näherers im Teil ..Organischc L'hcmic".

~ llIl:c n's ( ;cm i""h , I.II!iüheTR·hllss: Reak tion ( I) lilull gut (LECiIATELI[RI'n nl:ip). Es fchlt CO für Rea ktion (1)

Woben IAu....chnit t) IVordrransicht}

~ Ahgas enthält NO,. = J SWchiome t rischcs Ge m i"" h: 3.5 g 0 1 - 17 g Lu ft pro Je! Bcnzin (Ilexan ) < I Fett n Ge m isc h. Lufi mm'l!id ts fchlr O! Hir Reaktion (3) =:>

K oh lcnw ass••:rstolTc im Abgas.

Kontaktglrt e (CO. 11: 5. Met alle) schäd igen d ie Wirk sam keit der heterogenen Kataly se . Das frühere Antiklopfmitt el Tet raet hylblei Pb(C! H 1)~ wu rde daher im •.b leifreie n" Ben z in durc h r-Burylrnerhylethcr (M TBE) ersetzt. •.Sc hwefelvergift et v. a. d ie NO-Reduktion. Das Fah rzeug verliert etwa I mg Platinf lOOO km . Die Umweltrisi ke n sind noch unklar.

Wobt

IS'l ltrIQII~ ht ~.-

~~H, 1 ~ No..

lIIl Sclwlo tt l Zw,sch. r..~tll(h l

C01,H10. N, ......Dumt Schoclll OU! 4Z2;jV22?2Z [MI.-tollen/PI, I Rh .Pdl

,-,

r\ USpufTgasc passieren den \\·abenkÖl'T'.:r mit 50 m1s - 180 km/h.

6 Chemische Rcakuoncn und Thermochemie

6.8 Chemische Ex erimente die be eistern! Gesetz , on der Er ha ltung der Masse Be i der Verbrennung an Luft werden Ho lz. Kerzen und Papier leic hter. Eisen w ird beim Rosten und Stahlwo lle durch Glühen im Bunsenbrenn er schwerer, Die Massenerh alt ung gi lt nur im abge sc hlosse nen System! Die Ge samtmasse der Erde ände rt sich nicht! Eine ßl itzlichtbime alter Fotoapparate (vo r 1980) bildet ein abgeschlossenes System. Vor und nach de r Reaktion Zr + O l - Zro l me ssen wir d ieselbe Masse. Der Sauerstoff für die Verbren nung befindet sich in der Birne.

Ö lneck,ers uc h: W ie gre ü i..l ei n Molek ül? I. Eine Kristallisierschale oder Fotowanne (18 x 30 cm) mit Aceton entfetten und zur Hälfte mit Wasser füllen. Stecknadelkopfgroße Kampferst ückchen oder Korkm ehl veranstalten e in munteres Treiben auf der Wasse...eberfläche. Spuren von Feit ode r 0 1machen dem ein j ähes Ende ! 2. 5 ml Ol ivenö l in 100 ml Hexan lösen (oder in Benzin mit 5% Triolein) und aus einer fettfreien Bürette tropfenwei se in ein Abfallgefäß ausfließen lassen (Tro pfen vclu men = ausge flossenes Vol umen : Zahl der Trop fen). Oder gleich e ine Eppe ndorf-Pipet te mit 20-1.I( -S pilze nehmen . J. Dem ..Tanzverein- einen Trop fen Ö lmisch ung zuse tze n. den Ben zinanteil abdunsten lassen und den Durchmesser des Ö l Fleckes ausmesse n. Für d ie monomo lekulare n Sc hicht berec hnen sich Molekülq uerschnitte um 15 nm . In SI-Einheiten: hi ntcrcse h di k Scmc

e

,O~"O~5~"_T~,~o~p~ fc~"~,~o= 'u~m~c:::"

>

Fleckdurchmesser

Knall au s du f lhu hiichst' - eine schnelle Reaktion. In einer Papprolle von 2 Lite r Volumen und 10 cm Durchmesser, mit e inem festen und e inem beweglich en Deckel. w ird e in Dietbylether-LuftGemisch in der Nähe des testen Deckels durch ein kle ines Loch gez ünde t. Vorsicht. Deck el fliegt weg! Etherdämpfe sind schwerer als Luft . Zünd"illiJ:kcit und Zutl"ilung!>grad. Die Zü ndung des Bunsenbrenners erfordert eine Aktivierungsencrgi c und gel ingt zunehmend erfolgreich durch : 1. Piözc zünder. 2. Feuersteinanzünder. 3. ein brennendes Stre ichholz. Erdgas. Holz- und Stahlwolle entflamme n sofort: Holzsc he ite und Eisen näg el sind zögerlich bzw. n icht entflammbar. Bau mwolle. Le inen und Wo lle gl immen nur. flammen in re inem Sauers toff aber auf.

T empera tu rclnüuss auf chemi..ehe Reaktionen. Drei Reagenzgläser mit j e 3 mt Natriumthiosulfat- Lösung (05 mol!l) und drei G läser mit je 3 mt Salzsäure ( 1 moVl) im Wasserbad tempcrieren (30 °C. da nn 40 °C und 50 0C). Sa lzsäure und Natriu mthiosu lfat zusammen gießen und d ie Ze it stop pen. bis gelber ko lloidaler Sch wefel ausfällt. Bei w ärmezufuhr läuft die Reaktion schnel ler. NalS10) + 2 HCI- 51 + S01T + H10 + 2 NaC I Sc ha u m party . Zu 5 ml Spülmittel gleichzeitig 50 ml konz, Wasse rstoffperoxidlösur ig und zur Braunfärbeng 10 mt Kaliumiod id lösu ng geben. 2 11~l -2 1 1~ +Ol

Blitzl khl puh er. 2 g Zink- und I g Sch wefel pulver auf einem Blechdeckel mischen, Im Freien entzünden. Die Feuer.. erscheinung uod Raechwotke hinterlassen e in weißes Reaktionsprod ukt (Z inksulfid). dass beim Schütteln mit Wasse r nach faulen Eiern riech t. .. Bleiaceta tpapier zeigt durch Braunfärbung Il lS über und in der Lösung an. Zn + S _ ZnS und Pbl ' + s-:- PbS O SLillierl.'nde Rt'uktilln nach BH.OUSO\V-ZIIABOT1NS"'Y. Im 2 I-Becherglas mittels Magnetruhrer ca. 20 min vor de r Vorführung vermisch en : • [7 g Natriumbromat in 500 mt Wasser. • 16 g Malonsäure + 3 g Natriumbromid 111 500 ml Wasser. Bei der Vorführung zusetzen: . 5.3 g Ammoniumcernitrat in 500 ml Schw e felsäure (aus 75 ruf konz. 11 2 S 0~ ). . 30 ml 05 % Ferroinlösung (0.2 3 g Eiscns ulfat + 0.56 g I. IO-Phenanthrolin in 100 m l Wasser). Nach etwa einer Minute beg innt die Osz illation grün - blau-v iolett - rot. Mechanismus: Bromierung von Malo nsäure auf zwei konku rrierenden Reakt ionswegen (u. a .) a) Bn X + 2 Cll iCOOll h + -I Ce~ ' ß n::II(COOH h + -I Ce 1' + 3 C01 + 3 I{ ' + 1110 b) ß rO J ' + 2 ClIiCOO lJh + -I Ce )' + 5 H· -. Bn::H(COOH h + -I Ce 4 ' + 3 II ~O Entsorgung: I.ö sung sd l\\ ach alkalisch machen: ~ icdef­ schlag in ccn Abfall ...mind..orgiftige antl..p niscbe Sa17e".

136

I AII \:cmcinc und Anurganischc Chemie

6.9 Auf aben mit Lösun en IUlIl 0 1'1.'11 die rechte Seite mit einem Hlall Papier aodecken. Aufgaben jöscn und bei Bedarf ..spickcn-.

S töc hio melrie und Gas gesetz Wie benennt man einfache chemische Verbindungen in der anorganischen Chemie? Wie lauten die !'i u m m~ n rn rm~ l n und die gcru lld.:tc'11 n:lati\ en MokkulmibS4,.'11 (I'ormclmasscn)?

al Ammoniumsullid b) Natriurnb ydrid

cll.ilhiunll:hk>rid d) Bleidioxid e j Siliciumh,:traflutlrid

oArsen(V~:>ullid. Ars.:n' 11I

llid

Elektropositi'es Elcm..-m oder (iruPflC links. Elektronegativ es E1..mcm oder Grul'f'l: rechts. -id l.Jcmcntvcrbiudun g, -111 S3un:rest Na' CI NaCl N atrium~hlnrid 1" 11.: SO/ (N II,) ,:sO, Anll110nium!>Ullat

J

L

al (NH,),:S b)Na ll c] UCI d) PbO: ~ ,SiF, As:S~ AS:S l

(I4 + HI '2 + 32 -611 23 + 1 -24 7 + 35.5 = 42.5 207 +2 ·16 -239 28 +4 - 19 -10-1 2 ·75 + '5 bzw. 31' 32 - 3 10 M ". H6

'l l1'~n ll n l tj k

3 · .\/ ( Fe ) 3· 55.8 = 0.723 = 72.3·. Fc \IlFe,O .1 3· 55.8+·'"1 6 sind im Fe ,O, CIIthah c'Tl. Folglich enthalten 125 g 1-"e,O,: 125 g ' 72.3 ~ . =125 s 0.723 - 9004 g Fc.

b) Wie, id Pm....,.,1SowrslQffenthält wesscr?

Ein MokkUl Wasser 11,:0 e·nth311 ein Atom Saocrstoff.

a) Wk....id Gr.llTlm Eis..." sind in 125 g I'c30" enthalten?

.\ / ( 0 ) = 16 g/mnl = o.8'l= 89 ~ D .\1 (11,0 ) 18 g/mol

M' :

c} 0..'1" [delstcin Ruhi" h..~I.:-hl aus Ahmtiniumcxid und famgcll..'tllk'll Yerunreinigungcn . Wie groß ist der ,\Iuminiumgehalt (\lasSI.:nalllcil)von Kullin?

U'

=

2·.\I(AI) = H 7 g1mol = .\I(AI10 J ) 10J g/mol

0.53 = 53% --

,\ Ioh. rt \1 1II"'t' a) Was besagt di c Zahl 55.8 rur Eisen im PSE?

I Atom Eisen \\i.:gl 55.8 u. 1 mol Eiscn{ =6.022·10 21 Attlmc) ..li cgl 55.8 g.

b) We lch... Stoffmenge s1cI1c'Tl 100 g llCl dar?

Mit d...-r molaren MOlS...... .1/(lIe l) " 36.5g1nlOl e~iht sich: 11:.!!!.... :

.\1

IOOg : 2.73 11101. 36.5 glmol

c)Wi.: viele Moleküle befinden sich in 10 l.it cm Wasser'? Molare Masse: .\1111:0 ) - (2 . 1 + 16 ) glmul - 1M g/mol

Stoffmcngc:

1/ :

-

m .11

-

10 k~ 1 _ 555.6 mol 18 ·10' kg/nllll

Teilchenzahl : X -li . Y.. - 555.6 mol . 6.02]-IOll 11101'1

erz -

• 3 . 35 · 1O:~ Wassermolekülc

Wie lautel das <;e\d/. der kon -ta nte n \Ia s\ en,,:rhiill- a) Ilz + 2 IICI reagieren im konstanten nh \ e {Proportionen ) IHr die Reaktionen M asscuvcrhähnix ~ = 2 - I J )()lltdl110 l '" _ '_ . a) W a~scrsto lf + Chlor , ,1/ (('l I ) 2 · J5.45 tdnml 355 b) Schwefel + Sauers lotl'! b jS + () l ..... SO,

Massenvcrhähn ls:

=

,U tS) .H (D I

)

32. 1 g/nml 2·](,.0 g/mo l

=.!.

1

Wie laut...1 da s (; t">elL der mu llipl en I' ru l' " r linn en Ihr 2 C + 0 : _ 2 e o reagieren im die Bildung der Kuhlensltl lToxide CO und CO:? Masscnvcrhälmis: 2 . .1/((') : 2 · I2.00 g/ffiol Was c'fllärt die Wertigkeit des Knhkn stolTs? ,11(° 1 ) 32.00 g/mnl -I C + 0 : ..... CO: reagieren im ., .~, . .1I(C l 12.00 g/mol 3 " assenv ern ä tms : - - - : '" - . .1/(0 11 32.00 g/nMl1 8 Oie Masscn\em3ltnissc unterscheiden sich um den gan/zahligcn Faktor (3f41 ; (318) : 1 : 2. Dies ~'Tltsprkhl 2 : 4. denn im CO ist Kohlenstoff ,"ci\\\"I'tig.. im CO: ' iemertig..

,.. 2. .

6 Chemische Rcakuoncn und Thermochemie

Wie: ist Jic Yulum fn iind f fu nlt bei den Rea ktion en a) Wa...~erstnn· + Saue n;tolT.

137

°",

a ) Volumenebna hmc bei 2 II! + 0 1 .... 2 11 1

§·§·§-SJ·@J

b ) Was.~rstnlr + Chlor. e ) Zerfall \ 0 11 Sch\wfeltrio\iJ?

b) Vol um....jcrhah: l K'l-Bild ung

§ .@J -~ .~

c) Volumcn vc-rgrößc nmg : SO ,·z..'ffa ll

~.~-~.~.§ Sl Öl:hioßl C'lfN:hC' lk fl' C'hnußJ: a ) Wie:\ iel SaI' .slIun: bra ucht man. um eine Tonne Ca lciumcarbl,lnal \ ol1stänJ ig a ufzulösen?

CaCO) + 2 11C1- C0 1 +('a('h + JJ:O al l m ol C.CO J _ 2 01,,1 11("1 100. 1 gfmo l CaCO, i 2 · 36A6tt/mol l lel (1OO"';,jgl m(1OO" ioige IICI) = 1000 kg . 2 · 36..16 = 728.Hg 100.1

b) Weldk."!i Volum..:n 2 5~ ;,jgc SaI~un: ( I)idlle 1.126 glcm ' ) bra ucht man um eine Ton ne Kalksrein KaCO .,..('>t.i lah 95 ~.l \ o llsl3.n.Jig a ufzulösen?

bl

m(25~ioige IICl) '"'0.95'1000 kg . 2 · 36..16 . _'_ 100.1

c)

= lM!g

2768 Lg = 2768 kg '" illli 1.126 tt/cm ' 1.126k tt/(

1l250;,jge Hel ) .

c ) Wie\ icl CO :-
0.25

I mnl Cd·O, i

I mol = 22•.11 ("(): 10 °( ')

IK01. O"C) = 0.95· 1000 kg . 22..1 · 10" m ' /mol '" 213 m' 100.1 · )0·' kg/mol I KC h20"C) = 2 13 m ' · 10 1325 Pa · (273 + 20 ) '" = 100 000 I' a · 273 K

ll!...!!L

5 (ir.un m Natrium reagie ren mit weecr zu Wll ~"C'nl ofT 2Na + 2 11.>C) .....2 NaO Il+ l h 11!l) und Nat runl au~e lN aOIl ). a! 2 mcl Na ,; I mo l l h( = 22A I ) Oll Wie \ icll.i ter Wa~scrstnrr e ntstehen um..'f 1·22..1 ffmo! IQ( II!) =5 g- 2..13 I 11 , Normbedingungen (273 K und 1.0 13 hilf)? 2·23 tt/mnl .

b) Wie\ icl Liter sind das bei 25 "C und 1(»0 mbar? c) Welche Tempcrarur ist notwendig. damit Wasserstoffei n 1.75·fa d l größeres Volume n beim halben Druck e innimm!'!

ga~

b) , . _ I ~ p., T, _ 2A3 f · 10 13 ml:Jllr · (273 +251'" - 2 ' , - - - - _ p ,7;, JO.JO mbar . 273 K • c)

p,I', '" p"r " :::) T, T, T~

8 {

=l!!.... ~. 7;, =..!.. L7~ . 273 K '" 239 K !Ju

1'"

2

Sieben Liter l ' nlllIl n lta ~ verbrennen volls tändig I U Koh- a l <'., II, + 5 0 1 .....3 ('0 )+ .J l bO lcns toffdioxid lind Wasser. Re chne n Sie mit den Mnlvo. 5·22,393 lImol ' ,m: ) = 71 ' = 1, 5,6 11 0 , lumina der rea len Gase.

1·22.00Kglmul

a ) Wie groß ist de r Suucrs tclf bcda rf in Litern unter Normbedingungen?

b) I;KO:1 = 7 I·

1'_ in fl nm l:

(' 0 :

.. 2 1.2.1 I WC : 1.023 bar ]

1", = 1;,p,.7; '" 2 1.2.1 (· 1.0 13 har · 775 '" _ 55.-1 ( (' 0, /1,7;, I.Ibar · 273'" .

b ) welches Volu men nirmnt das Abgas aus CO! und II:O- I>ampf bei J.I bar und SOO"C e in?

molares Normvolumen: 0 :

~:~~:~::~~~::::

Propan IbO

I ", ".(» ) = 7 I·

22.3 9 3 22.263 22.00 K 2JA 59

•

'i

.I-23..J59 ffmol 1·22.00Ktt/mul

'"' 29. K1 (0"(' : 1.01 3 bar)

= ' ~ po T, = 29.8 f· 1.0 13 hilf ' 1273 + 500 1'" = 7K.7( 1I. 0 p,T" f.I bar · 273K .

Das A~as\'Olum<:n isl 'R'(1) + I ll l..O , '"' 13.1 I

13.

I AII\:cmc inc und Anurganischc Ch em ie

Fiir ein Wohnhaus \\ ird im Winter eine He izleistung n >ß I m' l>n>pan liefert 93 574 kJ Wanne. Erfonk rl ich sind: 60 000 U I1l b..:nötigt. W j,.··d c1c m ' Propan gas bei 15 "C ", Q bOOOO lJlh = 0.64 1-m J J (Propal1 . 0 ~C) = - '" und bar " 1..-nk."I'I stDndlich \ crbraIlOl? 11. 9J574 1J/m J h

1.'

I;, = {;.p.,T, = O.M l m' .1l · 1.0IJ bar ·1273+ 15IK = OA 57 m 1 p,T" Uhar ·Z73 K h R nlOd'C hulj'~ Warum dürfl,."1'1 Koh k.-nhald..' tl "kill beliebig hoch gcstepch \\Cnk.'T1?

Wegen der Gefahr &:r ~lbsll,.·nVOndung. Durch ocn Druck de r lagemden Schichten und ..Jcs umgdlt.·n"J...... Saucr;tolTs sleigt die Temperatur im Inneren d..T Kohl.:hal
C hemisches G leit'hge"icht und 1\ l assen\\ ir k ungsgh t'tz Welche Einnu.o;sfaLlon,:n wirken aufdie Ru"'li.. n"l1:~

Drud b/\\. "' OOA."lra t iorl der Rcak tiunstc ilnchml.'l'".

seh .. ind i!:!... it?

Tem peratur,

Zcncilungsgrad d..T Edukte- (I. B. K"hk:staubf.:ue."n.mg). Kalal~ salon.'l1.. Rcaktionshp IL H.ltll1l.'1lI\.-Jktion ) Welche scnoeuen und langsamen Reaktionen git>t es in dt:r Technik o.,k:r im Ulgliehcn Leben? l lkhpiek l

Schnell: v crpuff ungcn . E \p losion~'1l. l'\eutt3lisation. .lfilfe/schnell: Rosten \on [iSt,.'1I, :\ nla·".rarbcn bei m v crguten von St<'lhk n wI/gwm: Ros ten \on Eisen, Anlauf ..n \{ln Tafclsilbcr durch Sdl"efel"a.sser;l.uß· in do.T l.u tl od..T Sullidc in Ek.'TIl

wel chen Zusam m~'1lhang \enkUl lieht das Diagramm? Was bedeuten uie Be gri ffe terwettze it und AusbeUl"'?

,. , . o=m~ /

,

VAN'T HOfF 'sche RGT-Regel; Tempe ratu rerhöhung um 10 " verdoppelt die Reaktion sgeschwindigkeit. Mit sh..igendcr Temperatur nimmt die Rcaktionsgescbwind igkcir /U. bis sieh das chemi sche ( Ilclchgewic ht e instel lt. Be i 1100 "C stel lt sic h das chem ische Gle ichgewicht nach einigen Minute n ei n. bei 'XK/ oe daue rt d ie Gle ichgewichtseinstelleng e rheblich langer . Naeh 8 min entstehen hci t)()() "C nur 1(, % ahcrt)8 %CO.

eo. bei 1I000C

I"er......ilzeit: Da uer des Vcrblcibcns der reagierenden St"l1i: in der Reak titlils/ une (bzw . im Reakt or)

•

Ausbe1l1"': Erreichter Anteil des Reaktionsprod ukts gcgcnübcr dem stöc hio metrisch mög lichen An lei l

1/

,.• Wieviele

~1 '\g.lieh" eilen

.gibt es. das s vier Teilchen I: U -

sammc nsnßcu?

Welche Felgerungen ergeben sieh uaraus?

4 Tcilch ..'11 = 16 Möglichkeiten.

Die Reektio nsgesc hwlnd lg kc lt ist der Konze ntration der Ausgangsstoffe proponional. Mit steigender Feile henza hl steigt die Za hl der Zusammenstöße. um Produkte 7Ubilden.

OillO O! .o

Oj

Oi

0

-0

139

6 Chemische Rcakuoncn und Thermochemie

l.aufcn 11in- W HJ Rückreaktionen nur so lang e glcichzcitig ah, bis das ~ h~ n1i 'oC hC' C;kkhl:f" ich I erreich t ist?

Ne in. Am An fan g UO<-' n\ iegt die lI inreaklion. nur w cnig c . . Reaktionsproduk te ge hen die Rllekreakti' lll e in. Im 11)'/1(1111;SChell Gleic hgewichtszustand 1<.'I11tl h schließl ich die selbe Men ge an Reaktion sprodukten wie wieder gebildet w ird. ' .. . 1(','11"*' dtt

Wie sie ht d ie Ktllvcntnll in ns·Ze il-KuT\e aus'! (1_ Il l(ldwas~'TStulTre3kl iuß )

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WOI Udient das \ b , 'C'"'" i rt.u "~'~Ir'C'I.l? a) Das chen ischc ( i1cichg<..... ichl der Iodw a.,,';o.T'ilofTn;:aktion srelh s ich bei -100 "e ein. Wie \ <.T.lInde m sich d ie Kon/cntr.ttiunen durch ZUSilIL von Wa."-'\oCr;to tr? b) ln we lche Richtung verschiebt sich das Glcichgewicht. wenn die Gleich gewichtskonstante sin kl? T rc. -100 630 660 720 780 ",.~ 20-1 67 58 50 -10 Die , .C' To lC' Tu lll:srcaklio n von hsigsliun.:und Ethjlalko ho l I Ethanoljzu Essigsäurecrhy lcsrcr und Wasser C H ,('( Xl l l + (' :11,01 1...... ("I I;('( )( )('ll " + II ~O ist um ke hrbar. Die Rückreak tion heißt Verscifung. a ) Welche Rcukrionsordrnm g hat d ie Reaktion? Wie verläuft das Kmvcmnnions-Zeir-Profll?

Z ur Berechnung d<.'1" Stoffmcngcnkonzcntratkmcn 0..'1" Reaklionstei lnchmc r bei bekannter Glciehg<..... ichrskonsrantc. a) Verschiebung in Rid u ullg do.'1" Reaktit>llsjlTl.lol.I ukte: II ~ + 11 ~ 2 111 . Es <.'11hleht mehr lod.. a"-'ioCrslotT. b) ~1it l unchmelKk'T T ernpcratur nimml K ab. Das bcdcutct: v crschic bung des Gle ichgewichts IU den A usgan gs-

srorrcn.

a ] Reaktion 2. Ordnung: A + 11 ..... Produkte. Die Konzentnnion klingt expoocnticllmh der Zeit ab. $

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l tol

b ) In ..elc he Rich tung verschiebt s ich das chemisc he Gleichgewicht. wenn da!' ents tehende Wa, !'Cr durch I>..osti llalio n abge.lt1i!en \\ird?

1 1 3 4 56 h] We nte ll Reaktionspr odukte entfern t. vers ucht dus S~!'· tc m de n Mange l alls/ ugleichen. Es werden h ter und W a~­ ~'1" vermehrt nachgebildet. die Stoflmcngc nkon zcmn..tion der Ausgung sstoffc nimmt ab.

c) Stell t s ich das che mische Glcichge.. icht auch dan n ein. \\<."IIn man g leiche Slutlhlengenktlll/entr
e ) Ja! Für d ie Lage eines che mischen Gleichgewichtes ist es unerhe blich. von ..eic her Seite ( Ausgang!'stulTc - RcaktitHlSpl\lol.Illkte ) es s il.-h e inste llt. Es hängt nur von der Tl.'111pc.....tur ab.

dl Wie kan n man die Vcrsciflmg evwingcn?

d ) Durch Koc hen des Este rs in ~ alnlll iauge emstchcn Nat riumacetat und Ethanol. Dad urch w in! Essi gsäure, d ie d<.'11 Este r b ilde n kön nte. aus J..'111 Gleil.ilge w icht ge.loge n.

''0

I AII\:clnc inc und Anurganische Chemie

0.2 rno! WllSSCßlulT lind 0.2 rnollod werden in e inem

I-Liter-Kolben ;l Ur Reaktion erhitzt. Die Glcichgc\\ ich bkn nslanlc beträgt fo:<" SO (hei 4-10oe). a ] We lche ( ;I" kh ~l" .. k h l' ''..nlC'nl l1lli(lnl'n stel len sich ein: b] Wie groß ist der l ' m \lI lJ~ grad )?

Die Stotfiucugcn im Gleichgewicht sind: II! + 11 ~ 2 111 0.2 - x 0.2 - x 0 + 2'x x ,. Stoffumsatz (in mull h," , Io.:ulvcmralio,>n,änokruni! ("",'1111. Vorzeichen: + SlutTem 'lcht. - \\inl I crorauchl a)

.

hC

(lx ,2

, "' SO=> 2.f", .J$öIO.2-.1)=> (O.2-xr 0.156 mul/I (.l l = 0.278 :> 0.2 ist unsinnigl) ti lll ) = 21- 1 = 003 12 moll' '"

x, '"

60'.

cl l !: ) = c(hJ = O.2- XI .. O.O·U moli' b) 1),.'1" Umsatzgrad ist die J'Illv cnl uale Andcnmg <.1.,:1" Konzer nration gegenüber der Ausgangskorl/cntfation. O ll:) = Li 1:1= rc..... Y"o.. x (Co" O.O·WO.2 .. 78~.

2 mol SlicL'ltlfTdio\id disSlv i ieren bei soo oe in 2 :-.;O! ~ 2 !'O O -+- O 2 in Slidstoffmono\id und Saut:Nuff. Wie groß sind ", = 2 - 2'U 0 + 2'u O+ u a) die mo lenbruchht:Tog\.-nc fikich ~e\\ichls1.(Il1 stanle A,', G..-,;amWufflTll:l1gt: " - 1+u Panialdrud Po " X,p b) die drucL.ht:T01!\.-nc fi k ichj,!.....\ k hl"L.tlnstante A,', bei cine"Il1 Gc-samldl\Jd . \ on p " qq kPa c j die ltlJlL""IlIrJ.tionsht:...~enc Gleichgewichtskonstante A.·,ht: i 773 1(?

Wie I;lUlci die druckbe.ll~nc ( ;Ick hj:t'l k hl....nshlnlt tur die Reaktion f.k:s K;llk~ IOhens (Caleiumcarbonal zu Cakiumo\id).

a - DissoTialiurn.grad Moknbruch X, " ",n K' llVc:I11ration c," p,I(Rn

CaCO,~CaO -+-("(h :K = pl,CaO).pt CO: )" ,.CO ,) .

•

P

pfCaeo))

I

-

Der Dampfdruck der Fesislo tTe ist \tTTlachllls:ii{!.oor.

C hemische Reaktionen Wie lauten die chemischen ~ tll"li ..n,~I(' ichnn~cn ? a] Verbrennen von Magn\.'Siumh31lJ h) Uxidution von llIebullM TU Bleioxid (.•Röstcn-'] c) Reduktion von Blei( 11 j-oxld mit Kuhlcnrnonoxid d) Reduktion von Bleinitrat mit Zinkpulver e) Reduktion \011 Bleioxid mit Wasserstoff Umsetzung Ammoniumchlorid mit Kaliumhydroxid g) Reaktion vun Mctlum und Wnsscrdempf h] (Ixidntion von Schwefelwasserstoff i ) Zinkoxid reagiert rnit Schwefelwasserstoff k) Natriumnirrut reagiert mit konz. Schwefelsäure. I) Uxidution von Ammoniak mit Saucrstoff rn) Rcxluktion Ion Nickc!(II)-O\id mit Aluminium n) Thermische Zen;cl.ltUlg von Diunnnonium-hcxachloroIUlinut(lVl in Platin und drei Gase

o

all Mg: b) 2 l'hS c) /'hO d) I'h( M ),h c) I'bO

o NII,('I

gj ("114 hl 2 1l2S

i) ZnO k ) 2 NaNO! IHNl h rn) 3 NiO n) 3 (NIL1,I'ICI"

+0, +3 0 , -+- ("0 -+- Zn -+- Ib -+- KOII -+- 11, 0 -+- 0 , + I!)S +1bS O,

-+- S 0 , + 2 AI

_2 MgO - 2 1'bO

- I'h - Zn(NO' )2 - I'h - KCI -CO - 2 II,()

_ ZnS - NillSO, - 4 NO -3 Ni - 3 1'1+ 2 N,

+ 2 SO, -+- C0 2 -+- Pb + 11 10 +N lI J + l bO -+- 3 11. +2 S

+ 11,0 + 2 IIN( ), + fl l l,O

-+- AbO! -+- lll IICI-+-2 N1 h

Literatur zur Technischen C hemie, Thermodvnamik und Reaktionstechnik Literatur zur Physikalischen Chemie ~ 2. I k,,-iJ!!~d lte Ziffer = Autlil!!e. [I J 11.O. BAUlR. Tht-rmod)71O,,1IA. Spingcr: Bcrlin 1'2006. [21 11. nu o ue . K. Sn pUA' . WlIrmc- und Stoffilh..'1U'agung. Spring..'f: lk'l"lin "ZOOS, [31 M. HUR' !>. A. HU lk. A BRW " . J. G\IF.lU.I'G. Techmsche Chernie. \\'ik")-Vel !: Wc:inhl:;m 1006 . [41 P. Kl'ItZ\\ TlI.--. B fR f V l l. F, GUJlIARD. Ph)3lli-Fomwlsamrnlung. Vie\\ ~-+- Tc:uhno....-: W ~haden l2009 . [51 l"Dl-lI unttt!