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Chemie Lernzettel Stoffe: • Stoffe sind Materialien, aus denen Körper bestehen • Stoffe besitzen charakteristische Eigenschaften • Stoffe können aufgrund messbarer Eigenschaften unterschieden und identifiziert werden • Man unterscheidet Reinstoffe und Gemische Stoffeigenschaften: • Geruch / Geschmack • Farbe / Glanz • Härte / Verformbarkeit • Magnetismus • Siede- und Schmelztemperatur • Elektrische Leitfähigkeit / Wärmeleitung • Dichte • Brennbarkeit • Löslichkeit Homogene Gemische: In homogenen Gemischen sind die einzelnen Bestandteile nicht mehr erkennbar. Man unterscheidet: Feststoff + Feststoff Flüssigkeit + Flüssigkeit Feststoff + Flüssigkeit Flüssigkeit + Gas Gas + Gas

Legierung Lösung Lösung Lösung Gasgemisch

Heterogene Gemische: In heterogenen Gemischen sind die einzelnen Bestandteile (zumindest unter optischer Vergrößerung) erkennbar. Man unterscheidet: Feststoff + Feststoff Flüssigkeit + Flüssigkeit Feststoff + Flüssigkeit Feststoff + Gas Flüssigkeit + Gas Gas + Flüssigkeit Trennverfahren

Gemenge Emulsion Suspension Rauch Nebel Schaum

Eindampfen und Destillieren: Beim Eindampfen und beim Destillieren macht man sich verschiedene Siedetemperaturen zunutze. Das Eindampfen wird in der Regel verwendet, um Feststoffe aus Lösungen zu isolieren. Das Destillieren wird in der Regel verwendet, um homogene flüssige Stoffgemische zu trennen.

Dekantieren und Filtrieren: Beim Dekantieren und Filtrieren macht man sich unterschiedlich Löslichkeiten zunutze. Beim Dekantieren können 2 Phasen einer Flüssigkeit oder ein Gemisch aus Feststoff und Flüssigkeit getrennt werden. Das Filtrieren wird genutzt, um Feststoffe und Flüssigkeiten zu trennen.

Extrahieren und Chromatographieren Beim Extrahieren und Chromatographieren macht man sich die unterschiedliche Löslichkeit in Lösemitteln und die unterschiedliche Adsorbtion an Feststoffen zunutze. Beim Extrahieren nutzt man lösemittel- oder temperaturbedingte Unterschiede in d. Löslichkeit. Bei der Chromatographie werden i.d.R. Flüssigkeitsgemische aufgetrennt, die sich in der mobilen Phase (Lösemittel) lösen und unterschiedlich gut an der stationären Phase (Trägermaterial) anhaften.

Sieben und Magnetscheiden Beim Sieben macht man sich unterschiedliche Partikelgrößen zunutze. Beim Magnetscheiden können magnetische Stoffe (Eisen, Nickel, Kobalt) abgetrennt werden.

Einteilung der Stoffe

Reinstoffe können Elemente oder Verbindung sein. Was ist ein Atom? • Atome sind die kleinsten Bausteine der Materie. • Alle bekannten Stoffe sind aus Atomen aufgebaut. Hauptpostulate der Dalton-Theorie: • Jedes Element besteht aus sehr kleinen Teilchen, die Atome genannt werden. • Alle Atome eines Elements haben die gleiche Masse und gleiche Eigenschaften. • Die Atome eines bestimmten Elements unterscheiden sich von denen anderer Elemente. •

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Bei chemischen Reaktionen werden Atome miteinander verbunden oder voneinander getrennt. Dabei werden Atome nie zerstört oder in Atome anderer Elemente umgewandelt. Eine chemische Verbindung resultiert aus der Verknüpfung der Atome von zwei oder mehr Elementen. Eine Verbindung enthält immer die gleichen Atomsorten, die in einem festen Mengenverhältnis miteinander verknüpft sind.

Gesetz der Erhaltung der Masse: Während einer chemischen Reaktion lässt sich keine Veränderung der Gesamtmasse beobachten. Die Summe der Massen aller miteinander reagierender Substanzen ist gleich der Masse aller Produkte. (2. Postulat nach Dalton) Gesetz der konstanten Proportionen: In einer Verbindung sind stets die gleichen Elemente im gleichen Massenverhältnis enthalten. (3. Postulat nach Dalton) 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 Masse von B verbinden, in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander. Atome und Atommodelle: • Da Atome zu klein sind, um sie mit optischen Methoden sichtbar zu machen, werden sie durch Atommodelle beschrieben • Atome bestehen aus: ➢ positiv geladenen Protonen ➢ ungeladenen Neutronen ➢ negativ geladenen Elektronen. • • •

Protonen haben eine Masse von ca. 1 u und tragen zur Masse des Atoms bei. Neutronen haben eine Masse von ca. 1 u und tragen ebenfalls zur Masse des Atoms bei. Elektronen haben eine Masse von ca. 5,4 · 10−4 u und tragen kaum zur Masse des Atoms bei.

➢ Jedes Atom besitzt gleich viele Elektronen wie Protonen und ist deshalb insgesamt elektrisch neutral. ➢ Protonen und Neutronen befinden sich zusammen im Kern, um den herum sich die Elektronen befinden. ➢ Atommasseneinheit: 1 u = 1,66054 • 10-24 g. Wodurch unterscheiden sich nun ein Atom eines Elements (z. B. C) von dem Atom eines anderen Elements (z. B. N)? • Jedes Element hat eine charakteristische Anzahl an Protonen. • Die Anzahl der Protonen im Kern = Ordnungszahl Z. Masse und Isotope:

Kovalente Bindung:

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In Molekülen werden die Atome durch kovalente Bindungen (Elektronenpaarbindungen) zusammengehalten Bei kovalenten (Einfach-)bindungen teilen sich zwei Atome ein Elektronenpaar Betrachtet man die Elektronenkonfiguration, so ist für jedes Atom in einem Molekül die Oktettregel (Edelgasregel) erfüllt (Ausnahme: Elektronenmangelverbindungen)

Luft: • • • •

Luft ist ein gasförmiges, homogenes Stoffgemisch Die Atmosphäre der Erde besteht aus Luft Dichte unter Normbedingungen: 1,29 g/L Dichte nimmt in großer Höhe ab

Dichte: Berechnung der Dichte • Die Dichte eines Stoffes ist der Quotient aus Masse und Volumen: Dichte = Masse Volumen ρ = m V g cm³ • Die Dichte hängt von der Temperatur ab: Mit steigender Temperatur dehnen sich die Stoffe aus – ihr Volumen nimmt zu – die Dichte wird daher kleiner. • Die Dichte von Gasen hängt zusätzlich vom Druck ab: Mit steigendem Druck verkleinert sich das Volumen, die Dichte nimmt daher zu. Bestandteile der Luft:

Gesetz von Gay-Lussac: • Wenn ein Gas bei konstantem Druck erwärmt wird, dehnt es sich aus, eine Temperaturerhöhung um 1 ºC bewirkt eine Ausdehnung um 1/273 des Volumens, bei 0 ºC. • Eine Gasprobe, die bei 0 ºC ein Volumen von 273 ml einnimmt, dehnt sich um 1/273 dieses Volumens pro ºC aus (also 1 ml) ➢ Bei 1 ºC nimmt es 274 ml, bei 10 ºC 283 ml ein Gesetz von Boyle-Mariotte: • Das Volumen eines Gases ist umgekehrt proportional zum Druck. ➢ Bei Verdoppelung des Drucks geht das Volumen auf die Hälfte zurück. Stoffmenge:

Das Mol: • Mol: Stoffmenge (n), die 6,0221 • 1023 Teilchen enthält • Molare Masse (M): Masse eines Mols eines beliebigen Stoffes • Die Masse eines einzelnen Atoms eines Elements (in u) entspricht zahlenmäßig der Masse (in Gramm) von 1 Mol dieses Elements. • 1 Mol eines Gases = 22,4 l (bei Standardbedingungen) Wasser: • Wasser ist eine Verbindung aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff • Summenformel: H2O • Dichte: 1.000,00 kg/m³ • Molmasse: 18,0 g/mol • Siedepunkt: 100 ºC • Strukturformel: • • •

Wasser hat seine größte Dichte bei 4 ºC  Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus Wasser ist ein polares Lösemittel In Wasser lösen sich andere polare Stoffe und Salze

Feuer: • Feuer kann entstehen, wenn drei Bedingungen erfüllt sind: - brennbarer Stoff vorhanden ist - Sauerstoff zugeführt wird - die Entzündungstemperatur erreicht wird • Es können Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase verbrennen • Feststoffe und Flüssigkeiten müssen soweit erhitzt werden, dass brennbare Gase freigesetzt werden können Löschmittel: • Löschmittel entziehen dem Feuer mindestens eine der notwendigen Bedingungen, indem… - die Temperatur und die Entzündungstemperatur abgesenkt wird - der Kontakt zum Sauerstoff unterbrochen wird oder eine Konkurrenzreaktion eintritt - das brennbare Material entfernt wird Physikalischer Vorgang: • Bei einem physikalischen Vorgang findet keine Stoffumwandlung statt. • Ein Stoff wechselt von einem Aggregatzustand in einen anderen • Stoffgemische werden durch Ausnutzen der unterschiedlichen Eigenschaften getrennt Chemische Reaktion: • Bei einer chemischen Reaktion werden Stoffe (Ausgangsstoffe / Edukte) in neue Stoffe (Reaktionsprodukte) mit anderen Eigenschaften umgewandelt. • Analyse: Verbindungen werden (in Elemente) zerlegt • Synthese: Neue Verbindung entsteht • Die Ausgangsstoffe nennt man Edukte • Die Endstoffe nennt man Produkte • Reaktionen, bei denen Energie benötigt wird, sind endotherm

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→ Der Energieinhalt der Produkte ist größer als der Energieinhalt der Edukte Reaktionen, bei denen Energie freigesetzt wird, sind exotherm → Der Energieinhalt der Produkte ist kleiner als der Energieinhalt der Edukte

Ionen • Ionenbindungen kommen zustande, wenn Elektronen von Atomen einer Sorte auf Atome einer anderen Sorte übergehen • Es entstehen positiv geladenen Kationen und negativ geladene Anionen • Kationen und Anionen werden durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten • Es entsteht ein Ionengitter • Ionen können z. B. in Wasser gelöst werden

Lösungen: • Lösemittel/Solvens: Komponente einer Lösung, die i. d. R. den größten Mengenanteil hat • Gelöste Stoffe: Übrige Komponenten einer Lösung • Konzentration: Menge eines gelösten Stoffes pro Volumen • Gesättigte Lösung: Maximal Konzentration, bevor ein Bodensatz bleibt • Polare und unpolare Stoffe lösen sich nicht/kaum ineinander Lösungsvorgang bei Salzen: • Anionen werden in wässriger Lösung durch Anziehungskräfte zwischen den Wasserstoffatomen des Wassermoleküls und dem Ion hydratisiert • Kationen werden in wässriger Lösung durch Anziehungskräfte zwischen den freien Elektronenpaaren des Sauerstoffatoms des Wassermoleküls und dem Ion hydratisiert • Die beim Lösungsvorgang aufgenommene oder freigesetzte Wärmemenge nennt man Lösungsenthalpie • Wassermoleküle umlagern die Ionen an Ecken und Kanten des Kristalls, dringen ein und schwächen die Anziehungskräfte zwischen den Ionen • Wassermoleküle schließen die Anionen und Kationen ein und bilden Hydrathüllen Gelöste Salze: • Ionen sind Ladungsträger, die in der Lösung oder in der Schmelze frei beweglich sind • Salzlösungen und Salzschmelzen leiten den elektrischen Strom, Salzkristalle nicht Besetzung der Schalen (Bohr‘sches Atommodell):

Reaktionstypen:

Anwendung der Wertigkeitsregel: (Faustregel)

Zur Erinnerung: Verbrennung • Verbrennungsreaktionen sind Reaktionen mit Sauerstoff • Eine Reaktion mit Sauerstoff wird auch als Oxidationsreaktion bezeichnet • Achtung! Reaktionen mit Sauerstoff sind immer Oxidationsreaktionen, Oxidationsreaktionen sind aber nicht immer Reaktionen mit Sauerstoff! Oxidationsreaktion: • Bei der Reaktion mit Sauerstoff entstehen Oxide • Oxidationen sind in der Regel exotherme Reaktion • Oft ist eine Aktivierungsenergie erforderlich • Oxidationen sind nicht immer Verbrennungsreaktionen, die mit einer Flamme eingehen: o Rosten von Eisen o Atmung bei Lebewesen o Batterien und Akkus Definition Oxidation: • Bei diesen Reaktionen werden Elektronen von Eisen zu Sauerstoff übertragen • Reaktionen, bei den Elektronen abgegeben werden, nennt man Oxidationsreaktionen • Wie findet man heraus, ob Elektronen übertragen werden? => Hilfsmittel Oxidationszahlen Oxidationszahlen: • Oxidationszahlen sind Hilfsmittel, um zu entscheiden, wo eine Oxidation bzw. Reduktion erfolgt • Oxidationszahlen haben formalen Charakter! • Zur Bestimmung der Ox-Zahlen nimmt man an,

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dass des elektronegativere Atom in Verbindungen alle Bindungselektronen erhält (negative römische Zahl) dass des elektropositivere Atom in Verbindungen alle Bindungselektronen abgibt (positive römische Zahl)

Wenn sich die Oxidationszahl bei einer Reaktion erhöht, findet eine Oxidation statt. Achtung! Wenn sich eine Oxidationszahl erhöht, muss eine andere verringert werden! Wenn sich die Oxidationszahl bei einer Reaktion verringert, findet eine Reduktion statt. ➢ Oxidation und Reduktion finden immer gemeinsam als Redoxreaktion statt!

Definition Reduktion: • Wenn die Oxidationszahl sinkt, liegt eine Reduktion vor (Elektronenaufnahme) • Beispiel Gewinnung von Metallen aus Metalloxiden CuO + H2 → Cu + H2O Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2 • Für die Reduktion ist ein Reduktionsmittel notwendig (hier H2 bzw. CO) • Das Reduktionsmittel wird selbst oxidiert Zur Bestimmung der Oxidationszahlen gelten folgende Regeln: • Elemente erhalten immer die Oxidationszahl 0 (z. B. Cl2 , C, O2 ). • Bei einatomigen Ionen ist die Oxidationszahl gleich der Ionenladung (z. B. Cu2+ → OZ +II; Cl- → OZ –I). • Die Summe der Oxidationszahlen aller Atome einer elektrisch neutralen Verbindung ist 0. Regeln für die Bestimmung von Ox-Zahlen: • Die Summe der Oxidationszahlen aller Atome eines mehratomigen Ions ist gleich der Ladung des Ions. • Bei Verbindungen mit kovalenten Bindungen wird eine heterolytische Bindungsspaltung vorgenommen: => Elektronen werden vollständig dem elektronegativeren Atom zugeschrieben, bei gleicher EN werden die Elektronen geteilt. • Die meisten Elemente können in mehreren Oxidationsstufen auftreten. Zur Bestimmung der Oxidationszahlen können folgende Hilfsregeln angewendet werden • Fluoratome haben in Verbindungen immer die OZ −I • Sauerstoffatome haben in Verbindungen immer die OZ -II (Ausnahmen: Peroxide, Hyperoxide, Fluorverbindungen) • Halogenatome haben in Verbindungen die OZ −I (Ausnahmen: Verbindung mit Sauerstoff, Interhalogenverbindungen) • Metallatome haben in Verbindungen positive OZ. • Alkalimetalle haben in Verbindungen die OZ +I • Erdalkalimetalle haben in Verbindungen die OZ +II. • Wasserstoffatome haben in Verbindungen die OZ +I (Ausnahme: Metallhydride) • Die höchstmögliche Oxidationszahl eines Elementes entspricht der Haupt- bzw. Nebengruppenzahl im Periodensystem (PSE)

Der pH-Wert: • Der pH-Wert gibt die Konzentration der H+ -Ionen in einer Lösung an • Der pH-Wert ist ein Maß dafür, wie sauer/basisch eine Lösung reagiert

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Der pH-Wert ist kein Maß für die Stärke einer Säure/Base

Besonderheit des Kohlenstoffes • Kohlenstoffatome können untereinander Bindungen eingehen => Zusammenschluss mehrerer C-Atome; Bildung eines „Kohlenstoffgerüsts“. • Kohlenstoff ist vierwertig und kann bis zu 4 Wasserstoffatome binden, aber auch Doppel- und Dreifachbindungen zu weiteren Kohlenstoffatomen eingehen

Alkane: (Bsp: Methan) Der einfachste Kohlenwasserstoff entsteht, wenn ein Kohlenstoffatom sich mit 4 Wasserstoffatomen verbindet: • Die Elektronenpaare der Bindungen stoßen sich ab. • Kohlenstoffatom und Wasserstoffatome sind dadurch räumlich mit größtmöglichem Abstand ausgerichtet.

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Alkane sind kettenförmige Kohlenwasserstoffe, die in den Molekülen nur Einfachbindungen aufweisen Die allgemeine Formel lautet: CnH2n+2 Die Anzahl der Kohlenstoffatome im Molekül wird durch einen Wortstamm angegeben Die Namen der Alkane setzen sich aus dem Wortstamm und der Endung -an zusammen. brennbar wasserunlöslich (hydrophob) gute Lösungsmittel für Öle (lipophil) Verbrennen zu CO2 und H2O

Nomenklaturregeln: 1. Ermitteln Sie die längste Kohlenstoffkette und geben Sie ihr den entsprechenden Namen des Alkans.

2. Benennen Sie entsprechend jede Seitenketten. Seitenketten erhalten die Endung ~yl statt ~an (z.B. Ethyl). 3. Ordnen Sie die Seitenketten alphabetisch. 4. Gleiche Seitenketten werden durch die griechischen Zahlwörter di-, tri- bzw. tetra als Vorsilbe des Seitenkettennamens gekennzeichnet. 5. Die Hauptkette ist stets so durchzunummerieren, dass die Verknüpfungsstellen die kleinstmöglichen Zahlen erhalten. Alkine: • Alkine sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die an beliebiger Position mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung besitzen • Der Name besteht – wie bei den Alkanen – aus dem Stamm und aus der Endung –in • Bei Alkinen mit mehr als drei Kohlenstoffatomen kann sich die Dreifachbindung an verschiedenen Stellen befinden: Angabe der Position im Namen • Allgemeine Formel: CnH2n-2 Alkohol: • Alkohole (Alkanole) sind Alkanderivate, die mindestens eine OH-Gruppe besitzen • Der Name besteht – wie bei den Alkanen – aus dem Stamm und aus der Endung –ol • Bei Alkoholen mit mehr als zwei Kohlenstoffatomen kann sich die Hydroxylgruppe an verschiedenen Stellen befinden: Angabe der Position im Namen (z. B. Butan-1-ol) • Durch die Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) bedingt haben Alkohole andere Eigenschaften als vergleichbare Alkane • Atome oder Atomgruppen, die die Eigenschaften einer chemischen Verbindung verändern, bezeichnet man als funktionelle Gruppen Nomenklatur Alkohole: Alkohole mit genau einer Hydroxylgruppe werden als einwertige Alkohole bezeichnet

Alkohole mit mehr als einer Hydroxylgruppe werden als mehrwertige Alkohole bezeichnet

Hat das Kohlenstoffatom, an das die Hydroxylgruppe gebunden ist, weitere C-Atome als Nachbarn, werden primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole unterschieden

Vom Alkohol zum Aldehyd: • Primäre Alkohole können zu Aldehyden (Alkanale) oxidiert werden • Nomenklatur: -al

Vom Alkohol zum Keton: • Sekundäre Alkohole können zu Ketonen (Alkanonen) oxidiert werden • Nomenklatur: -on

Vom Aldehyd zur Carbonsäure: • Aldehyde können zu Carbonsäuren (Alkansäuren) oxidiert werden • Nomenklatur: -säure

Gruppen von Kohlenhydraten • Monosaccharide (Einfachzucker)

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o Glucose (Traubenzucker), Fructose (Fruchtzucker) Disaccharide (Zweifachzucker) o Saccharose (Rohrzucker), Maltose (Malzzucker) Polysaccharide (Mehrfachzucker) o Stärke, Cellulose

Glucose (Traubenzucker) • Menschliches Blut enthält ca. 0,1% Glucose als kurzfristigen Energielieferanten • Summenformel: C6H12O6 • Das Glucosemolekül besitzt fünf Hydroxylgruppen und eine Aldehydgruppe und ist somit gleichermaßen Alkohol und Aldehyd. => Man bezeichnet derartige Zucker daher als Aldosen.

Fructose (Fruchtzucker) • belastet den Blutzuckerspiegel kaum, weshalb sie sich gut als Süßungsmittel für Diabetiker eignet • Summenformel: C6H12O6 (Isomerie zur Glucose) • Das Fructosemolekül besitzt fünf Hydroxylgruppen und eine Ketogruppe und ist somit gleichermaßen Alkohol und Keton. => Man bezeichnet derartige Zucker daher als Ketosen.

Saccharose (Rohrzucker) • Saccharose ist allgemein bekannt als Haushaltszucker (Rohrzucker, Rübenzucker)

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Fette • • • • •

Saccharose aus einem Molekül Glucose und einem Molekül Fructose unter Abspaltung von Wasser (Kondensation) hergestellt: C6H12O6 + C6H12O6 → C12H22O11 + H2O Glucose Fructose Saccharose Wasser Die Bindung zwischen zwei Monosacchariden wird als glycosidische Bindung bezeichnet.

Fette sind für Pflanzen, Tiere und Menschen lebensnotwendig Pflanzen bilden Fette aus der Glucose und speichern sie Menschen und Tiere nehmen Fette mit der Nahrung auf Nicht sofort benötigtes Fett wird gespeichert und dient als Energiereserve Einige Vitamine (A, D, E, K) sind nicht in Wasser löslich, sondern können nur zusammen mit Fett von unserem Körper aufgenommen werden

Aufbau von Fetten • Fette sind Ester langkettiger Carbonsäuren • Glycerol (Glycerin, Propan-1,2,3-triol) ist dabei mit bis zu drei verschiedenen Carbonsäure verestert Die am Bau der Fette beteiligten Carbonsäuren bezeichnet man als Fettsäuren • Die Fettsäuren können gesättigt, ungesättigt und mehrfach ungesättigt sein • Fettsäuren, die unser Organismus benötigt, aber nicht selbst synthetisieren kann, sind essenzielle Fettsäuren

Eiweiße • Eiweiße enthalten neben Kohlenstoff und Wasserstoff immer Stickstoff und häufig Schwefel • Eiweiße müssen mit der Nahrung aufgenommen werden (ca. 12 % der Nahrungsbedarfes) • Aus den aufgenommenen Eiweißen werden die körpereigenen Eiweiße synthetisiert (z. B. für das Muskelgewebe) • Bei der Verdauung werden die Eiweiße in wasserlösliche Aminosäuren zerlegt.

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Aminosäuren sind besitzen neben der Carboxylgruppe (– COOH) noch eine Aminogruppe (–NH2 ). Ist die Aminogruppe an dem Kohlenstoffatom, das der Carboxylgruppe benachbart ist gebunden, bezeichnet man sie als α - Aminosäuren.

Def...