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Chemie Inhaltsverzeichnis:! 1. Allgemeines ! 1. Grundgesetzmäßigkeiten (Seite 2) ! 2. Chemische Stoffsystematik (Seite 2-3)! 3. Stofftrennung (Seite 3)! 2. Atombau (Seite 4) ! 1. Atombau (Seite 4) ! 2. Elementarteilchen (Seite 4)! 3. Isotope (Seite 4) ! 4. Atommassen (Seite 4-5) ! 5. Das Mol - Avogadro´sche Zahl (Seite 5)! 6. Radioaktivität (Seite 5-6)! 7. Atomhülle (Seite 6)! 8. Elektronenhülle (Seite 6)! 9. Orbitale , Quantenzahlen (Seite 7-9)! 10. Elektronenkonfiguration (Seite 10)! 3. Das Periodensystem (Seite 11)! 1. Aufbau (Seite 11)! 2. Eigenschaften (Seite 12)! 3. Perioden, Gruppen (Seite 13)! 4. Hauptgruppe I. - V. (Seite 13-20)! 5. Hauptgruppe VI. - VIII. (Seite 20-26)! 4. Chemische Bindungen (Seite 27)! 1. Grenztypen (Seite 27)! 2. Kovalente Bindung (Seite 27)! 3. Valenzstrichformel (Seite 27-28)! 4. Molekülgeometrie (Seite 29-30) ! 5. Ionenbindung (Seite 31-32)! 6. Metallbindung (Seite 32)! 7. H-Brücken (Seite 32-33)! 8. Hydrophobe Wechselwirkungen (Seite 34)! 5. Massenwirkungsgesetz (Seite 35-37)! 6. Chemisches Rechnen (Seite 38-40)! 7. Redoxchemie (Seite 41-43)! 8. Elektrochemie (Seite 43-47)! 9. Säuren und Basen (Seite 48-58)! 10. Salze (Seite 59-61) ! 1 von 61

1. Allgemeines Grundgesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen Gesetz der Erhaltung der Masse Im Verlauf einer chemischen Reaktion wird Masse weder gewonnen noch verloren. ! 2 H₂ + O₂ ——-> 2 H₂O ! Gesetz der konstanten Proportionen Eine Verbindung enthält immer die gleichen Elemente im gleichen Massenverhältnis. ! Wasser : $ $ $

88,81% Sauerstoff $ $ 11,91% Wasserstoff$ $

CO2 : $ 27,2% C ! $ 72,8% O !

Gesetz der multiplen Proportionen Wenn zwei Elemente A und B mehr als eine Verbindung miteinander eingehen, dann stehen die Massen von A, die sich mit einer bestimmten Menge von B verbinden, in einem Ganzzahlen Verhältnis zueinander. ! Kohlenstoffoxide : $ $ $ $

C$ 2C$

+$ +$

O₂ —> CO₂ $ $ O₂ —> 2 CO $ $

C : O $ 1 : 2! C : O $ 1 : 1!

CO : 12g Kohlenstoff , 16g Sauerstoff !

Chemische Stoffsystematik Elemente : Stoff, der mit chemischen Mitteln in keine einfacheren Stoffe zerlegt werden kann. (Gold, Silber, Schwefel, Sauerstoff, Chlor) ! Verbindungen : Reiner Stoff, der aus mehreren Elementen in festgelegtem Mengenverhältnis aufgebaut ist. (Wasser, Kochsalz, Aspirin, Stickstoffdioxid) ! Gemisch : Stoff, der aus mehreren reinen Stoffen in nicht festgelegten Mischungsverhältnis besteht. Homogene Mischungen haben eine einheitliche Erscheinung, heterogene Gemische bestehen aus mehreren Phasen. ! Heterogene Gemische Definition : Ein heterogenes Gleichgewicht liegt vor, wenn sich ein Stoff auf zwei oder mehr Phasen verteilt und sich an der Verteilung bei gleichbleibenden äußeren Bedingungen nichts mehr ändert. Heterogene Gleichgewichte sind Verteilungsgleichgewichte (kein chem. Gleichgewicht). ! 1) Ein und derselbe Stoff liegt in 2 Phasen vor > fest/flüssig (Schmelzen/Erstarren) > fest/ gasförmig (Sublimieren) > flüssig/gasförmig (Sieden/Kondensieren) ! 2) Ein oder mehrere Stoffe sind zwischen zwei oder mehreren Phasen verteilt, die nicht mit dem Stoff identisch sind. ! Lösung : Homogenes Gemisch mehrerer reiner Stoffe. ! Emulsion : Heterogenes Gemisch aus zwei Flüssigkeiten. ! Suspension : Heterogenes Gemisch eines flüssigen und eines festen Stoffes. !

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Stofftrennung Heterogene Gemische : Sortieren, Sedimentieren, Dekantieren, Filtrieren, Extraktion ! Homogene Gemische : Extraktion, Kristallisation, Destillation, Chromatographie ! !

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2. Atombau -

Atome haben positiven Atomkern (Nukleus) ! Umgeben von Elektronenhülle ! Protonen und Neutronen im Atomkern ! Anzahl der Protonen im Kern = Kernladungszahl Entspricht der Ordnungszahl im PSE ! Nukleonenzahl gibt Summe aller im Kern befindlichen Teilchen an ! Nukleonenzahl = Massenzahl (A)

Elementarteilchen

- Atome bestehen aus Elektronen (e-), Protonen (p+) und den Neutronen (n) ! - Elementarladung ist 1,6 x 10^-19 C (Coulomb) ! - Man gibt die aber nur das ganzzahlige Vielfache an (+1/-1) ! Elementarteilchen

Symbol

Ladung

Masse in g

Masse in u

Elektron

e

-1

9,1 x 10⁻²⁸

0,0005

Proton

p

1

1,6 x 10⁻²⁴

1,0073

Neutron

n

0

1,6 x 10⁻²⁴

1,0087

- Bestimmung der Ladung im „Öltröpfchenversuch“ ! Elemente und Isotope

- chemisches Element ist ein Stoff, der nur aus Atomen gleicher Protonenzahl (Ordnungszahl) -

besteht ! Anzahl der Elektronen instinktiv einem neutralen Atom gleich der Anzahl der Protonen ! Anzahl der Neutronen kann variieren ! Atome mit gleicher Protonenzahl aber unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Nuklide ! Im speziellen Fall eines Elements = Isotope ! Um Isotope unterscheiden zu können muss man die Massenzahl mit angeben !

- Angabe von Ordnungszahl kann weggelassen werden, da sie sich nicht ändert ! Die relative Atommasse Definition: Die relative Atommase gibt an, wie viel mal grösser die Masse eines Atoms als der 12te Teil der Masse des Kohlenstoffatoms ¹²C ist. ! - meiste Elemente bestehen aus mehreren Isotopen ! - Treten unterschiedlich oft auf ! - Zusammensetzung aus Isotopen in der Natur konstant —> kann man für natürliche Elemente die Isotopenhäufigkeit angeben ! - Relative Atommasse wird deshalb unter Berücksichtigung der Isotopenhäufigkeit errechnet !

- nimmt man nun genau 12g des C Isotops ¹²C und teilt durch die absolute Masse erhält man die -

Teilchenzahl (wiegt 1,99 x 10⁻²³g) ! Wird Avogadro-Konstante NA genannt ! Bildet Grundlage für die Stoffmenge n ! NA= 6,022 x 10²³ mol⁻¹ ! Stoffmenge in der Einheit mol angegeben (also 1 mol = NA) !

Radioaktivität Unter Radioaktivität versteht man die Eigenschaft instabiler Atomkerne sich unter Aussendung ionisierender Strahlung in andere Atomkerne umzuwandeln. ! Natürliche Radioaktivität : - Radioaktive Stoffe natürlichen Ursprungs überall in der Natur und Umgebung ! - Quellen : Höhenstrahlung , radioaktive Minerale mit sehr langlebigen Isotopen, Minerale mir Uran oder Thorium als Startpunkte radioaktiver Zerfallsreihen ! Künstliche Radioaktivität : - durch Kernreaktionen in Teilchenbeschleunigern oder Kernreaktoren hergestellte radioaktive Stoffe ! Alpha-Strahlung (α) : - bestehen aus ⁴₂He (Massenzahl 4 , Ordnungszahl 2) - Kernen (He²⁺ ), die bei radioaktivem Zerfall emittiert werden (Uran, Radium etc) ! Beta-Strahlung (β-) : - bestehen aus hochbeschleunigten Elektronen, die bei radioaktiven Zerfallsprozessen Emittent werden (14C ist Bestandteil des natürlichen Kohlenstoffs) ! Gamma-Strahlung (Y) : - elektromagnetische Strahlen, die bei Kernzerfällen erzeugt werden (ähneln Röntgenstrahlen, sind aber oft energiereicher) ! Positron-Strahlung (β+) : - bestehen aus positiv geladenen Elektronen (Antimaterie) und werden bei radioaktiven Zerfallsprozessen gebildet !

Angabe der Strahlendosis in Sievert : 1 Sv = 1 J/kg = 100 rem !

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Strahlungsart

Beschreibung

Ladung

Reichweite

α

Helium-Kerne

2

An der Luft wenige cm, können ein Blatt Papier nicht durchdringen

-1

An der Luft mehrere m, werden jedoch durch Metall-, Kunststoff- und Holzplatten abgeschirmt

0

An der Luft praktisch keine Abschwächung, zur Abschirmung dicke Bleiplatten nötig.

β

Elektronen

Y

Elektromagnetische Wellen

Anwendung radioaktiver Strahler in der Nuklearmedizin : - β--Strahler (teilweise auch α- und y-Strahler) zur Therapie (131I, 60C) zB Radioiodtherapie ! - y- und β+ - Strahler zu diagnostischen Zwecken (SPECT - Single Photo Emission Computer Tomography , PET - Positron Emission Tomography) !

Atommodelle Seit der Antike existieren zahllose Modelle zum Aufbau der Materie allgemein und der Atome im Speziellen. ! einige Namen : Demokrit , Dalton , Bohr , das Orbitalmodell ! Das Bohrsche Atommodell ! Für das Wasserstoffatom : !

- Elektronen bewegen sich auf diskreten Kreisbahnen um den Atomkern! - Diese Bahnen werden Energieniveaus, Energiezustände oder Schalen genannt !

- Mit Buchstaben (K,L,M,N...) oder Zahlen (n=1,2,3,4...) bezeichnet ! - Für jede Bahn hat Elektron bestimmte Energie (nach aussen zunehmend) !

- Energie eines Elektrons darf keine Werte annehmen, die es auf einen Ort zwischen den erlaubten Bahnen bringen würde (diskrete Übergänge) !

- Wenn sich das Elektro auf der innersten Bahn aufhält, befindet sich das Atom im Grundzustand !

- Energiezufuhr kann es in einen angeregten Zustand überführen ! - Beim Übergang des Elektrons von einem angeregten Zustand in einen energieärmeren Zustand wird die freiwerdende Energie in Form einen Lichtquants

abgegeben => Atomspektren !

- Diesen Modell ermöglicht (nur für das H-Atom) die Berechnung von Elektronenübergängen und Ionisierungsenergien (Grundzustand => unendlich grosse Kreisbahn) !

Aufbau der Elektronenhülle Elektromagnetische Strahlung ist charakterisiert durch : ! - die Wellenlänge λ (Lambda) ! - Amplitude A ! - Aubreitungsgeschwindikeit c (im Vakuum 2,99 x 10^8) ! - Frequenz v ! Energie kann in Form elektromagnetischer Strahlung nur in definierten Portionen (Quanten) aufgenommen oder abgegeben werden. !

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Wellen-Teilchen Dualismus : Der Energiebetrag des Quants ist proportional zur Frequenz der Strahlung (Plancksche Beziehung):!

Es ist grundsätzlich unmöglich, von einem (Mikro-)Objekt gleichzeitig den genauen Ort und den Impuls zu bestimmen.! Schalenaufbau der Atomhülle

Orbitalmodell ! Unter einem/Orbital/verstehen wir den/Raumbereich, in dem wir ein Elektron mit einer bestimmten/Wahrscheinlichkeit/antreffen können.! Eigentlich müsste man ein Orbital so zeichnen, dass man/keine scharfe Grenze/erkennen kann. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons nimmt nach außen hin langsam und kontinuierlich ab, nicht schlagartig. Will man allerdings den Raum kennzeichnen, in dem sich ein Elektron mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit aufhält, sagen wir mal zu 99%, so kann man diesen Raum durchaus mit einer scharfen Linie abgrenzen.! Definition: Ein Orbital ist die Wellenfunktion eines Elektrons in einem Atom. Sie ist durch die Quantenzahl n, l und m charakterisiert. Zu jedem Orbital gehört ein definierter Energiezustand und eine definierte Verteilung von Ladungsdichte. Maximal 2 Elektronen mit entgegengesetztem Spin können das gleiche Orbital besetzen. !

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Quantenzahlen !

- beschreiben Knotenpunkte, Knotenlinien und Knotenflächen in quatenmechanischen Rechnungen !

- Zur Beschreibung von Aufenthaltsbereichen von Elektronen und die sie begrenzenden Knotenflächen benötigt man für jedes Elektron drei Quantenzahlen !

Hauptquantenzahl n

n=1,2,3 ..... (entspricht etwa der Zahl n im Bohrschen Atommodell) !

Nebenquantenzahl l

l=0,1,2,3,4, ..... (n-1) $ (s,p,d,f,g....) jede Unterschale besteht aus mehreren Orbitalen ! Unterschale s p d f g! l: 0 1 2 3 4! Zahl d. Orbitale : 1 3 5 7 9

Magnetquantenzahl m

m= -I, -(I -1), .....0,..... +(I -1), +I ! Dient der Unterscheidung der einzelnen Orbitale in einer Unterschale

Zur vollständigen Beschreibung eines Elektrons ist eine vierte Quantenzahl, die Spinquantenzahl s nötig ( s=-1/2 oder +1/2) ! Besetzung der Orbitale

- die Besetzung von Orbitalen erfolgt in der Reihenfolge der Orbitalenergien (von innen nach aussen) !

- Ein Orbital kann max. 2 Elektronen aufnehmen ! - Pauli-Prinzip : Ein Atom dar keine Elektronen -

enthalten, die in allen 4 Quantenzahlen übereinstimmen! Energetisch gleichartige Orbitale werden zunächst einfach besetzt (mit parallelem Spin) => Hundtsche Regel !

Reihenfolge der Orbitalenergien (Regelfall, Ausnahmen beim Erreichen von vollständig oder halb besetzten Unterschalen möglich):!

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Elektronenkonfiguration der Elemente

-

Angabe der besetzten Orbitale ! Eine vollbesetzte Schale entspricht jeweils einer Edelgaskonfiguration ! Elektronenkonfiguration ist unmittelbar für das chem. Verhalten der Elemente verantwortlich ! Ergibt sich aus Stellung des Elements im PSE !

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3. Das Periodensystem

- Elemente nach aufsteigender Ordnungszahl (=Kernladungszahl) geordnet! - Elemente mit ähnlichen chem. Eigenschaften untereinander ! - Zeilen = Perioden (entsprechen den Schalen) , Spalten = Gruppen (gl. Konfiguration der Aussenelektronen)!

- es kann in einem Atom nicht zwei (oder mehrere) Elektronen geben, deren Zustand durch den -

gleichen Satz der vier Quantenzahlen n , l , m und s charakterisiert ist (Pauli-Prinzip)! In einem Atom können max. 2(2I+1) Elektronen dieselben Werte für n und l haben ! > daraus folgt ein Schalenaufbau der Atome (PSE) : ! Je kleiner der Wert n , um so energieärmer ist das Orbital ! Es gibt n Typen von Orbitalen auf dem n-ten Energieniveau, d.h. das 3. Energieniveau (3. Schale) hat s-, p- und d- Elektronen ! Es gibt 2I+1 Orbitale von jedem Typ, d.h. ein s-, drei p- , fünf d- und sieben f-Orbitale! Jedes Orbital kann max. 2 Elektronen mit unterschiedlichem Spin aufnehmen !

Aufbau PSE

- in Hauptgruppen und Nebengruppen eingeteilt ! Hauptgruppen: ! 1. Hauptgruppe

Alkalimetalle

H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr

2. Hauptgruppe

Erdalkalimetalle

Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra

6. Hauptgruppe

Chalkogene

O, s, Se, Te, Po

7. Hauptgruppe

Halogene

F, CL, Br, I, At

8. Hauptgruppe

Edelgase

He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

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Eigenschaften

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Die Elemente des PSE I. Hauptgruppe Li - Lithium ! Na - Natrium ! K - Kalium ! Rob - Rubidium! Cos - Cäsium ! Fr - Franzium (radioaktiv)!

-

stark elektropositive Metalle! Bevorzugte Bildung von E+-Kationen! Ausbildung von Ionenverbindungen ! Natrium- und Kalium-Ionen besitzen biologische Bedeutung bei der Aufrechterhaltung des osmotischen Druckes und bei der Reizleitung in Nervenzellen (Kalium-Pumpe, Kalium-Kanal)!

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II. Hauptgruppe Be - Beryllium ! Mg - Magnesium ! Ca - Calcium ! Sr - Strontium ! Ba - Barium ! Ra - Radium (radioaktiv)!

-

ausschließlich Metalle ! Alle Elemente haben geringere Elektronegativität ! Bilden E²+-Kationen ! Tendieren zu typischen Ionenbindungen(CaF2, CaCl2)!

Beryllium : - sehr leichtes Metall mit sehr hohem Schmelzpunkt, Legierungsmetall für hochfeste Metalle, Moderator und Reflektor in Kernreaktionen, Fenstermaterial für Röntgenröhren !

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Magnesium: - Verwendung : Baumaterial (leichter als Aluminium), Legierungsmetall ! - Wichtige biologische Rolle : Bestandteil des Chlorophylls, Katalyse des Phosphat-Transfers ! ! Calcium : - biologische Rolle als Bestandteil zahlreicher Gerüstsubstanzen ! Barium : - Verwendung als Kontrastmittel (sehr schweres Element) in der Röntgendiagnostik !

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III. Hauptgruppe B - Bor ! Al - Aluminum ! Ga - Gallium ! In - Indium ! Til - Thallium !

- keines der Elemente bildet einfache Anionen ! - Häufigster Oxidationszustand : E³+ (Valenzkonfiguration s² p^1)! - Bor liegt immer kovalent gebunden vor, andere Elemente können kovalente oder Ionenbindungen eingehen !

- Gallium, Indium und Thallium können in der Oxidationsstufe „+1“ auftreten (s²-Konfiguration) ! Bor : - Verwendung in hitzebeständigen Gläsern, Waschmitteln, Seifen, Kosmetika, Kerntechnik, Herbiziden! Aluminium : - weiterverbreitetes Legierungsmetall, Hochspannungsleiter, in der Raumfahrttechnik als Baustoff und Treibstoff (Feststoffraketen) ! Indium : - Verwendung als Lötmetall, Legierungsmetall, Halbleiter, Photodioden ! Gallium : - Verwendung als Thermometerflüssigkeit, Halbleitermaterial, Laserdioden (Umwandlung Elektrizität in kohärentes Licht) !

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Thallium : - extrem toxisch ! - Radioaktives 201Tl : Verwendung in der nuklearmedizinischen Myocarddiagnostik !

Schmelzflusselektrolytische Darstellung von Aluminium

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IV. Hauptgruppe C - Kohlenstoff ! Si - Silizium ! Ge - Germanium ! Sn - Zinn ! Pb - Blei !

- deutliche Zunahme des metallischen Charakters bei den schwereren Elementen (C : Nichtmetallische, Si : Nichtmetall/Halbmetall, Ge : Halbmetall, Sn, Pb : Metalle)!

- Elektronegativitäten nicht sehr hoch (kaum E⁴⁻- Ionen) ! - Ionisierungsenergien sind sehr hoch (kaum E⁴⁺ - Ionen) ! - Meist kovalente Bindungen !

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Vorkommen : ! Diamant !

!

Graphit !

! weitere Modifikation !

Verwendung von Kohlenstoff - Graphit : Schmiermaterial, Tiegel- und Elektrodenmaterial, Feuerfestmaterial, Stahlherstellung ! - Ruß, Koks : ca 400 Mio. t Koks und 3500 Mio. t Ruß jährlich Stahlproduktion, Pigment, Füllstoff für Autoreifen! - Aktivkohle : Spezialprodukt mit enormer innerer Oberfläche, Wasser- und Abwasserreinigung, Entfärbung von Zucker ! Kohlenstoffverbindungen : Kohlenmonoxid, CO : ! - toxisches Gas, entsteht bei Verbrennung von Kohlenstoff mit begrenzter Luftzufuhr oder bei der Dehydratisierung von Ameisensäure (Methansäure) !

!

- bildet koordinative Bindungen mit Metallen ! - Toxizität durch Komplexbildung mit dem Eisen-Porphyrin-Molekül (Häm) im Blut, das für den Sauerstofftransport zuständig ist (Eisen-CO-Komplex ist 3000 mal stabiler als der Eisen-Sauerstoffkomplex) !

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! Kohlendioxid, CO₂ : ! - farbloses, geruchloses, unbrennbares Gas, linearer Molekülbau! - Verwendung als Kühlmittel (Trockeneis), Feuerlöscher, Carbonisierung von Getränken, Schutzglas beim Schweißen, Neutralisieren von Gewässern, Harnstoffherstellung !

Blausäure, HCN : ! - wichtiger chemischer Grundstoff! - Verwendung : Methacrylat-Herstellung, Acrylnitrilherstellung ! - Vernichtung von Cyanid : !

Silizium

V. Hauptgruppe N - Stickstoff! P - Phosphor ! As - Arsen ! Sb - Antimon ! Bi - Bismuth !

- metallischer Charakter der Elemente nimmt nach unten zu (N, P : Nichtmetalle, As, Sb : Halbmetalle, Bi : Metall)!

- Es fehlen 3 Elektronen zur Edelgasschale, bei schweren Elementen bevorzugte Abgabe von Elektronen, meist werden kovalente Bindungen ausgebildet !

- Deutliche Unterschiede im Verhalten von N₂ und den schweren Elementen (N₂-Molekül : in der 1. Periode stehen keine d-Orbitale zur Verfügung, maximal NH₄⁺-Kationen; schwerere Elemente können d-Orbitale zur Ausbildung von bis zu 6 kovalente Bindungen heranziehen) ! ! Vorkommen : 75,5M% der Atmosphäre, in Lithosphäre selten ! Gewinnung : Luftverflüssigung ! Verwendung: Schutzgas bei industriellen Prozessen, Stahlherstellung, Kühlmittel ! Labordarstellung :! 2 NaN₃ -> 2 Na + 3 N₂! NH₄NO₂ -> N₂ + 2H₂O ! Stickstoff - Luftverflüssigung nach dem Linde-Verfahren Natürlicher Stickstoffkreislauf : Es findet ein kontinuierlicher Austausch des Stickstoffs zwischen Atmosphäre, Biosphäre und Lithosphäre statt ! Prozesse : ! - Nitrifizierung (N₂ zu organischen Stickstoff) ! - Denitrifizierung (org. Stickstoff zu N₂ oder N₂O) ! - Verschiedene Zyklen, in denen rein anorganische Vorgänge (Lösung, Oxidation, Reduktion) und pflanzlich/tierische Prozesse (Verdauung, Atmung, Biosynthese) eingeschlossen sind! - Biologische Vorgänge verlaufen meist an Metallzentren (Biokatalyse) !

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Ammoniak, NH₃ : - farbloses , stechend riechendes Gas ! - Trigonometrische-pyramidaler Molekülbau ! Verwendung : ! - Düngemittel! - Sprechs...