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Chemie

Willkommen auf der Chemie-Homepage. Wenn Sie schon immer wissen wollten wie chemische Reaktionen ablaufen oder wie man gefährliche, wie auch sehr schöne Stoffe herstellen kann, dann ist das die richtige Seite für Sie.

Aufbau der Materie

Die Materie auf der Erde besteht vorwiegend aus Atomen und Molekülen. Damit beschäftigt sich nämlich die Chemie und somit auch mit der Entstehung neuer Stoffe. Laut des Bohrschen Atommodells, was das heute gängigste ist bestehen Atome aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Elektronenhülle. Diese Modell sieht darüber hinaus vor, dass der positiv geladene Kern aus positiv geladenen Protonen und nich geladenen Neutronen besteht. Dadruch, dass der Kern positiv geladen ist und die Elektronenhülle negativ ist das Atom nach außen hin neutral. Die Anzahl der Elektronen muss bei einem Atom daher immer der Anzahl der Protonen entsprechen. Die Anzahl der Protonen bestimmt um welches Element es sich bei einem bestimmten Atom handelt. Die Anzahl der Neutronen ist dafür unbedeutend. Weitere Informationen über den Aufbau des Atoms wären das Gebiet der Kernphysik bzw. der Kernchemie. Da diese Seite sich nicht mit Kernchemie beschäftigen wird, da der Hauptteil der Chemie bei der Elektronenhülle aufhört, können Sie weitere Informationen über das Atom auf der Homepage der Kernphysik erwerben. Wir werden uns nun damit beschätigen, dass es verschiedene Elemente gibt. Es gibt mehr als 110 bekannte Elemente. Wie schon erwähnt klassifizieren sich Elemente dadruch, dass sie aus einem Atom bestehen. Einige bekannte und für uns wichtige Elemente sind z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff und Eisen. Wasser hingegen ist ein Molekül. Moleküle setzen sich aus mindestens zwei Atomen desselben oder verschiedener Elemente zusammen. Ein Wassermolekül setzt sich aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom zusammen. Später mehr dazu.

Chemische Bindungen

Wie schon im ersten Kapitel erwähnt gibt es sogenannte Moleküle. Moleküle setzen sich aus mindestens zwei Atomen desselben oder verschiedener Elemente zusammen. Eines der wohl einfachsten und am besten bekannten Moleküle dürfte Wasser sein. Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Da ich schon vorher auf die chemischen Sysmbole hingedeutet habe gibt es für Moleküle chemische Formeln. Wasser hat folgich die Formel H₂O. Hier sind also die beiden Elemente Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) zu sehen wie auch das Zahlenverhältnis, was man auch als stöchiometrisches Verhältnis bezeichnet. Es gibt jedoch wie auch angedeutet auch Verbindungen zwischen gleichen Atomen. Der Sauerstoff den wir einatmen ist ein Molekül und zwar O₂. O₃ beispielsweise ist Ozon. Somit lässt sich leicht erkennen, dass ein Molekül ein Stoff mit anderen Eigenschaften ist als seine Bestandteile. Wasserstoff und Sauerstoff sind bei Zimmertemperatur gasförmig und Wasser nicht. Dies ist ein sehr anschauliches Beispiel dafür. Viele Gase wie auch Wasserstoff kommen als Moleküle und nicht elementar vor. Folglich hat Wasserstoff die Formel H₂. Das alles lässt darauf hindeuten, dass es also Bindungen zwischen diesen Atomen geben muss. Im folgenden werden die drei Hauptbindungsarten: Atombindung (Elektronenpaarbindung), Ionenbindung und Metallbindung behandelt. Darüber hinaus werden auch die Verbindungen zwischen den Teilchen der einzelnen Bindungsarten vorgestellt, womit Kristallgitter aber auch andere Kräfte gemeint sind.

Atombindung (Elektronenpaarbindung): Wie der Name schon sagt besteht die Elektronenpaarbindung aus einem Elektronenpaar. Diese Bindungsart ist sehr häufig und kommt bei Nichtmetallen vor. Atombindungen leiten keinen Strom. Hinsichtlich dessen, dass das Wassermolekül eine Atombindung hat mag es verwundern, warum es lebensgefährlich ist eine Lampe ins Wasser zu schmeißen. Der Grund ist der, dass es in normalem Wasser einige wenige Wasserionen gibt und diese leiten Strom. Diese geringe Anzahl an Wasserionen reicht jedoch aus um einen Menschen zu töten. Was Ionen sind werden wir später noch sehen. Diese Bindung beruht darauf, dass ein Elektron des einen Atoms mit einem Elektron eines anderen Atoms einen Verband bildet, der Elektronenpaar heißt. Beide Atome teilen sich ihre Elektronen. Der Grund für Bindungen allgemein ist das erreichen der sogenannten Edelgaskonfiguration. Wie schon im ersten Kapitel erwähnt, ist die äußerste Schale eines Atoms dann voll, wenn sie 8 Elektronen besitzt. 8 Außenelektronen besitzen die sogenannten Edelgase, die noch später erwähnt werden. Helium besitzt wie schon vorher erwähnt nur zwei Außenelektronen, aber damit ist sein äußere Schale auch schon voll. Prinzipiell sind aber 8 Außenelektronen das Ziel aller Atome. Wasserstoff ist jedoch, genauso wie Helium ein Sonderfall. Wasserstoff besitzt nur eine Schale und ein Elektron. Seine Schale kann daher maximal nur 2 Elektronen fassen, wie auch die des Heliums. Verbindet sich nun ein Wasserstoffatom mit einem weiteren Wasserstoffatom so haben beide Wasserstoffatome eine aufgefüllte Elektronenschale, weil beide zusammen zwei Elektronen haben. Schnell erkennt man, dass ein H₃-Molekül aufgrund dieser Tatsache unmöglich ist. Und nun versteht man auch warum eben Edelgase im Regelfall nicht mit anderen Stoffen reagieren. Sie befinden sich in einem sehr stabilen Zustand. Elemente die wenig oder überhaupt reagieren werden chemisch als edel bezeichnet. So ist Gold nicht nur als Sammelobjekt ein edler Stoff, sondern auch chemisch gesehen. Außer der Schreibweise der bisher verwendeten Formeln (Summenformeln) gibt es auch eine Schreibweise für die Außenelektronen und für Strukturformeln.

Die obere Schreibweise berücksichtigt die Außenelektronen. Ein Strich steht für zwei Außenelektronen und ein Punkt für ein Elektron. Die jeweils untere Schreibweise ist die abgekürzte Schreibweise, die man normalerweise für chemische Reaktionen verwendet. Bei der unteren Schreibweise muss sich jedoch links und rechts vom Reaktionspfeil dieselbe Teilchenanzahl befinden, weil es eine Gleichung ist. Im ersten Fall sieht man wie zwei Sauerstoffatome zu einem Sauerstoffmolekül reagieren. Bei der zweiten Reaktion reagieren zwei Stickstoffatome zu einem Stickstoffmolekül und im dritten Fall reagieren zwei Wasserstoffmoleküle mit einem Sauerstoffmolekül zu zwei Wassermolekülen. Wie man sieht ist in jedem der drei Fälle die Edelgaskonfiguration erreicht. Bei der ersten Reaktion können beide Sauerstoffatome, die sich in dem Sauerstoffmolekül, befinden auf 8 Elektronen zugreifen, denn 4 Elektronen bilden zwei Bindungen und 4 weitere Elektronen hat noch jedes Sauerstoffatom. Im zweiten Fall hat jedes Stickstoffatom im Stickstoffmolekül 2 Elektronen und 6 weitere Elektronen bilden 3 Bindungen und somit sind es wieder 8. Auch im letzten Fall besitzt das Sauerstoffatom 4 Elektronen und 4 weitere befinden sich in den beiden Bindungen zu den Wasserstoffatomen. Auf die beiden Elektronen der jeweiligen Bindungen können die Wasserstoffatome zugreifen und somit haben auch diese 2 Außenelektronen. Somit sind diese Bindungen relativ stabil. Wie man jedoch sieht gibt es nicht nur Einfachbindungen wie beim Wasser, sondern auch Doppelbindungen wie beim Sauerstoffmolekül oder sogar Dreifachbindungen wie beim Stickstoffmolekül. Darüber hinaus gibt es polare und unpolare Atombindungen. Verschiedene Elemente ziehen die Bindungselektronen verschieden stark an. Dies bezeichnet man als Elektronegativität. Wenn sich zwei Sauerstoffatome oder zwei Wasserstoffatome zu einem Wasserstoffmolekül verbinden, so sind diese unpolar. Diese Moleküle sind unpolar, weil zwei gleiche Atome auch die gleichen Elektronegativitäten haben. Die Kräfte, die zwischen unpolaren Molekülen wirken heißen van der Waals-Kräfte. Bei Wasser ist jedoch die Elektronegativität des Sauerstoffs viel größer als die des Wasserstoffs und somit ist der Sauerstoff ein wenig negativ geladen und der Wasserstoff ist ein wenig positiv geladen. Somit zieht sich das Sauerstoffatom des einen Wassermoleküls und das Wasserstoffatom des anderen Wassermoleküls an. Dies nennt man Wasserstoffbindung. Sie ist natürlich viel schwächer als eine Atombindung. Diese Polarität verursacht jedoch, dass Wasser einen viel höheren Schmelz- und Siedepunkt hat als beispielsweise Sauerstoff oder Wasserstoff, denn bei Wasser ist die Anziehung der einzelnen Moleküle viel stärker. Wasser ist somit ein Dipol. Im festen Zustand bilden Moleküle jedoch ein Molekülgitter, was jedoch aufgrund der geringen Anziehungskräfte ziemlich schwach und daher leicht verformbar, also weich, ist.

Ionenbindung: Diese Bindungsart ist auch sehr verbreitet. Erst einmal muss man klären was jedoch Ionen sind. Ionen sind Atome die weniger Elektronen als Protonen haben oder die mehr Elektronen als Protonen haben. Auf jeden Fall sind Ionen nicht neutral, sondern sie sind entweder positiv oder negativ geladen. Bei verschiedenen kernphysikalischen Prozessen kann es sogar soweit kommen, dass nur noch Atomkerne übrig bleiben, aber das ist in der Chemie nicht der Fall. Für solche Prozesse benötigt man auch viel mehr Energie. Ionenverbindungen treten auf wenn sich Nichtmetalle mit Metallen verbinden. Nichtmetalle haben eine große Elektronegativität und ziehen Elektronen somit sehr stark an. Bei Metallen sind die Außenelektronen nicht sehr stark an das Atom gebunden. Es kann also dazu kommen, dass ein Nichtmetall einem Metall ein Elektron oder sogar mehr wegnimmt. Das wohl bekannteste Beispiel dürfte Kochsalz sein. Kochsalz besteht aus dem Metall Natrium (Na) und aus Chlor (Cl). Chlor nimmt dem Natrium ein Elektron weg und ist somit negativ geladen. Die korrekte Formel von Kochsalz lautet daher Na⁺Cl^-. Das positive Ion heißt Kation und das negative Ion heißt Anion. Insgesamt gesehen ist der Stoff jedoch neutral, da es genauso viele Kationen wie Anionen gibt. Bei der Ionenbindung bilden sich somit keine Moleküle, auch wenn man es als Formel so schreibt, sondern es bleiben sich Ionen, die ein Kristallgitter bilden. Man nennt es auch Ionengitter. Außer dem bekannten Kochsalz gibt es noch viele weitere Salze und auch diese bestehen alle aus Ionen. Im festen Zustand sind Ionenverbindungen keine Stromleiter. Wenn man ein Salz jedoch in Wasser löst, dann löst man damit die Kristallstruktur und die Ionen können sich frei bewegen und leiten somit Strom. Die Löslichkeit von Salzen hängt von der Gitterenergie ab, die aufgebracht werden muss um diese Kristallgitter zu lösen. So löst sich Kochsalz (Natriumchlorid) sehr gut in Wasser, Calciumcarbonat (Marmor, Korallen) hingegen fast garnicht. Durch die Ladungen wirken zwischen Ionen stärke Kräfte als zwischen Molekülen und daher haben sie auch höhere Schmelz- und Siedepunkte. Hier folgt nun ein Beispiel für eine Ionenreaktion.

Bei der jeweils oberen Schreibweise werden korrekterweise die Ladungen mitberücksichtigt. Die untere Schreibweise beachtet die Ladungen nicht. Im ersten Fall sehen wir das bereits besprochene Kochsalz (Na⁺Cl^-) und im zweiten Fall sehen wir den Fluorit (Ca²⁺F^-₂), der für Mineraliensammler ein Sammelobjekt ist. Mehr Informationen über den Flurorit finden Sie auf der Mineralien-Homepage. Man merkt beim Fluorit, der aus Calcium (Ca) und Fluor (F) besteht, dass dem Calcium-Ion sogar zwei Elektronen fehlen. Um dies auszugleichen kommen auf ein Calcium-Kation zwei einfach negativ geladene Fluorionen. Allgemein betrachtet ist es schwierig mehrere Elektronen aus dem Elektronenverband zu lösen. Wichtig bei dieser Betrachtung ist, dass Atome im Vergleich zu ihren Kationen größere Radien haben und im Vergleich zu ihren Anionen kleinere Radien haben was auch ziemlich logisch ist. Bei großen Atomradien ist es allgemein einfacher ein Außenelektron zu entfernen, weil es weiter vom Kern weg ist und somit ist die Anziehung auch geringer. Die Atomradien nehmen innerhalb der Gruppen des Periodensytems von oben nach unten zu, weil nach jeder Periode eine Schale hinzukommt, die auch weiter vom Kern entfernt ist. Innerhalb der Perioden nehmen die Atomradien von links nach rechts ab, weil die positiven Ladungen im Kern zunehmen und die Außenelektronen somit stärker anziehen. Edelgasen haben folglich sehr kleine Radien und auch das beweist wieder ihre chemische Widerstandsfähigkeit gegen Bindungen. Caesium hingegen hat einen sehr großen Atomradius und ist daher auch sehr reaktionsfreudig und somit unedel.

Übergang zwischen Atom- und Ionenbindungen: Es gibt Stoffe die einen Übergang zwischen einer Atombindung und einer Ionenbindung darstellen. Diese Stoffe bestehen beispielsweise aus einem Metall und einem Nichtmetall oder einem Halbmetall und einem Nichtmetall. Das Nichtmetall ist dabei sehr stark polar und versucht das Bindungselektron des anderen Partners an sich heranzuziehen. Es gelingt dem Nichtmetall jedoch nicht ganz und somit bilden sich keine Ionen. Dennoch unterscheidet sich diese Bindung von den normalen Atombindungen druch die hohe Polarität. Solche Verbindungen bilden sehr harte Kristalle aus und haben sehr hohe Schmelzpunkte. Beispielsweise hat Siliciumdioxid (SiO₂) einen Schmelzpunkt von 1710 Grad Celsius. Silicium (Si) ist ein Halbmetall. Durch diese Eigenschaften sind viele solcher Stoffe wichtige Werkstoffe. Gläser aus Quarz (Siliciumdioxid) werden oft eingesetzt, wenn es darum geht hohen Temperaturen standzuhalten und außerdem eignet sich Quarzglas zum aufbewahren vieler Säuren, da es sehr säureresitent ist. Mehr über Quarz können Sie auf der Mineralien-Homepage erfahren. Bei diesen Stoffen bildet sich daher kein Molekülgittern, sondern ein Atom-Ionen-Gitter was einen Übergang darstellt. Allgemein sind diese Stoffe dem Diamanten sehr ähnlich. Da Diamant aus reinem Kohlenstoff (C) besteht bildet es zwar keine Moleküle, aber dennoch ein sehr stabiles Atomgitter. Obwohl sich dieses Atomgitter und der Diamant an sich von diesen Übergangsverbindungen unterscheiden sind ihre Eigenschaften sehr ähnlich. Diese Stoffe sind beispielsweise im Wasser unlöslich. Der Diamant ist der härteste bekannte Stoff, was wieder eine Ähnlichkeit darstellt.

Metallbindung: Es gibt auch noch die Metallbindung, die zwischen Metallen auftritt. Hier sind die Außenelektronen innerhalb des Metallkörpers frei beweglich. Diese frei beweglichen Elektronen stellen jedoch eine Verbindung zwischen den Metallatomen dar. Dadurch entsteht auch hier ein Gitter, was dann Metallgitter genannt. Diese Kräfte die zwischen den Elektronen und den Atomen sind sehr stark, da man Metalle stakr biegen kann und sie dennoch sehr großen Widerstand leisten. Dadruch, dass jedoch alle freien Elektronen sich mit den Protonen der Metallatome die Waage halten sind Metalle nach außen hin neutral. Metalle können untereinander jedoch keine Atombindungen eingehen. Die freien Elektronen gehören im Vergleich zur Atombindung nicht nur zwei Atomen, sondern allen Atomen. Diese freien Elektronen sind auch der Grund für die Leitfähigkeit von Metallen und zwar auch im festen Zustand. Bei der Ionenverbindung sind die Ionen im festen Zustand nicht frei beweglich, weil sie in einem Gitter gefangen sind. Die Elektronen bei der Metallbindung bewegen sich jedoch zu jeder Zeit. Metalle sind daher sehr gute Leiter. Silber ist der beste Leiter überhaupt. Oft vergleicht man diese Elektronen mit einem Gas, welches man dann Elektronengas nennt. Dieses Elektronengas ist auch für den metallischen Glanz und die Undurchsichtigkeit von Metallen verantwortlich. Die metallische Bindung ist sehr wichtig, da Metalle im Periodensystem deutlich überwiegen.

Chemische Reaktionen

Schon bei den Bindungen haben wir gesehen, dass es chemische Reaktionen gibt. Die ganze Chemie baut darauf auf, dass verschiedene Stoffe verschiedenartig miteinander reagieren. Der Grund für alle Reaktionen ist, dass alles im Universum bestrebt ist den niedrigsten Energiezustand zu erreichen. Bei einer solchen Reaktion wird Energie frei, in Form von Wärme. Diese werden dargestellt durch sogenannte Reaktionsgleichungen. Auf der linken Seite der Reaktionsgleichung stehen die Ausgangsstoffe (Edukte) und auf der rechten Seite stehen die Endstoffe (Produkte). Bei einigen Reaktionen kann es auch dazu kommen, dass es zu Rückreaktionen kommt. Solche Reaktionen nennt man Gleichgewichtsreaktionen, da sich nach länger Zeit ein Gleichgewicht einpendelt. Man kann dann nicht mehr erwarten, dass sich mehr Produkte bilden. Es gibt unterschiedliche Reaktionen. Bei einigen Reaktionen wird Wärme abgegeben. Diese Reaktionen werden als exotherm. Andere Reaktionen benötigen Energie und diese werden bei der Reaktion kälter. Solche Reaktion nennt man endotherm. Die Temperatur ist ein wichtiger Faktor für Reaktionen, denn je höher die Temperatur ist desto schneller laufen Reaktionen ab, denn bei höherer Temperatur bewegen sich die Teilchen schneller. Wenn sich die Teilchen schneller bewegen ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass sie aufeinander treffen und somit reagieren. Bei exothermen Reaktionen kann die Temperatur andererseits auch ein Problem darstellen, denn die bei der Reaktion entstehende Energie kann nicht so gut abgegeben werden. Es gibt viele Faktoren die die Reaktion beeinflussen können. Die Konzentration und der Druck spielen auch eine Rolle. Darüber hinaus können Reaktionen auch deshalb ablaufen, weil sich dadruch die sogenannte Entropie im Universum erhöht. Laut des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik strebt alles in einem geschlossenen System den Zustand der größten Entropie (Unordnung) an. Es ist jedoch nicht ganz sicher, ob das Universum ein geschlossenes System ist. Es gibt zwei große Gruppen von Reaktionarten: Redox-Reaktionen, Säure-Base-Reaktionen.

Redox-Reaktionen: Das Wort Redox setzt sich aus den beiden Wörtern Oxidation und Reduktion zusammen. Früher nannte man Reaktionen an denen Sauerstoff beteiligt war Oxidationen. Die Umkehrung davon war die Reduktion. Bei der Reduktion wird einem Oxid der Sauerstoff entzogen. Beispielsweise könnte es sich um Eisenoxid (Rost) handeln. Bei einer Reduktion würde man also aus dem Eisenoxid, Eisen und Sauerstoff erhalten. Es zeigte sich jedoch, dass nicht nur Reaktionen mit Sauerstoff so ablaufen, sondern auch viele andere Reaktionen. Daher weitete man die beiden Begriffe Oxidation und Reduktion aus. Oxidation ist demnach die Abgabe von Elektronen und Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen. Diese beiden Vorgänge finden jedoch stets miteinander gekoppelt statt und daher spricht man von der Redox-Reaktion.

Einmal sieht man oben die vollständige Reaktion von Magnesium (Mg) und Sauerstoff zu Magnesiumoxid. Dadrunter sieht man wie Magnesium oxidiert wird. In der dritten Zeile wird Sauerstoff reduziert. Der Sauerstoff wird bei dieser Reaktion als Oxidationsmittel bezeichnet, da es das Magnesium oxidiert. Das Magnesium wird bei dieser Reaktion als Reduktionsmittel bezeichnet, da es den Sauerstoff reduziert. Auch die Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser, die wir schon bei den Bindungen gesehen haben, ist eine Redox-Reaktion. Bei Redox-Reaktionen ist oft nicht eindeutig zu erkennen was die Oxidation und was die Reduktion ist. Daher hat man die Oxidationszahlen eingeführt. Jedes Atom hat somit in einem Molekül oder in einer Ionenbindung eine Oxidationszahl. Die Regeln sind folgende.

Ein einzelnes Atom hat stets die Oxidationszahl 0.
Bei einem Ion entspricht die Oxidationszahl der Ladung.
Wasserstoff hat immer die Oxidationszahl +1 (in Metallhydriden: -1).
Sauerstoff hat immer die Oxidationszahl –2 (in Peroxiden -1).
Die Summe der Oxidationszahlen in einem Molekül ist 0.
In einem Komplex-Ion entspricht die Summe der Oxidationszahlen der Ladung.
Metalle haben immer positive Oxidationszahlen.

Die Oxidationszahlen der anderen Atome müssen nach diesen Regeln ermittelt werden. Hat man z. B. als Verbindung CH₄, so gibt man jedem Wasserstoffatom die Oxidationszahl +1. Da es aber vier sind und dieser Stoff nach außen hin neutral sein muss hat Kohlenstoff hier die Oxidationszahl -4. Das heißt, aber nicht dass Kohlenstoff immer diese Oxidationszahl hat. Wird ein bestimmtes Atom oxidiert so steigt seine Oxidationszahl und wenn es reduziert wird so sinkt seine Oxidationszahl. Somit ist jede Oxidation und Reduktion eindeutig zu kennzeichnen. Weitere Informationen über Redox-Reaktionen und ihre Anwendung finden Sie im Kapitel Elektrochemie.

Säure-Base-Reaktionen: Wie schon erwähnt ist das der zweite Reaktionstyp. Die Definition von Säuren und Basen ist generell garnicht so einfach. Um ein bekanntes Beispiel zu nennen das jeder kennt, sagt man beispielsweise wenn man Salzsäure meint HCl. H ist Wasserstoff und Cl ist Chlor. Doch HCl ist nicht Salzsäure, auch wenn es für Chemiker und daher formal ausreicht Salzsäure als HCl zu bezeichnen. Erst wenn man HCl in Wasser löst heißt es Salzsäure. Wenn man also wirklich HCl meint muss man es Chlorwasserstoff nennen und auf keinen Fall Salzsäure. Bei Zimmertemperatur ist Chlorwasserstoff ein Gas. In Wasser dissoziiert HCl zu den Ionen H⁺ und Cl^-. Da der Atomkern von Wasserstoff aus nur einem Proton besteht und sich in der Atomhülle nur ein Elektron befindet ist H⁺ nur noch ein Proton. Cl^- wird hierbei Säurerest genannt. Daher lautete die Säure-Definition des Chemikers Arrhenius, dass Säuren Verbindungen sind die in wässrigen Lösungen zu positiv geladenen Wasserstoff-Ionen (Protonen: H⁺) und negativ geladenene Säurerest-Ionen dissoziieren. Seine Definition für Basen war, dass diese in wässrigen Lösungen zu positiv geladenen Metall-Ionen und negativ geladenen Hydroxid-Ionen (OH^-) dissoziieren. Der Chemiker Brönsted erweiterte diese Definitionen noch. Er sagte, dass Säuren Protonen abgeben und somit Protonendonatoren genannt werden. Basen hingegen nehmen Protonen auf und werden daher als Protonenakzeptoren bezeichnet. Das Hydroxid-Ion (OH^-) ist beispielsweise eine wichtige Base, da es ein überschüssiges Elektron hat. Laut dieser Definition, wie auch der von Arrhenius, ist beispielsweise NaOH eine wichtige Base, da es eine Hydroxid-Gruppe enthält oder auch andere Alkalimetalle die sich mit Hydroxid-Ionen verbinden. In wässrigen Lösungen dissozieren Basen und es bilden sich alkalische Lösungen, die man Laugen nennt. Wie auch bei der Säure ist reines NaOH keine Lauge, sondern eine Base. Wasser ist ein interessanter Stoff, denn Wasser kann manchmal eine Säure und manchmal eine Base sein. Es gibt auch die sogenannte Autoprotolyse von Wasser, die dafür verantwortlicht ist, dass Wasser ein Bißchen stromleitfähig ist. Durch diese Protolyse von Wasser entstehen aus zwei Wassermolekülen (H₂O), zwei unterschiedliche Wasserionen. Das eine ist H₃O⁺ (Hydronium-Ion) und das andere ist OH^- (Hydroxid-Ion). Letztendlich ist das Hydronium-Ion dafür verantwortlich, dass Säuren verschiedene Materalien zerfressen. Dieser Prozess des auflösens eines Stoffes durch eine Säure ist jedoch ein Redox-Prozess.

Da diese Reaktionen Gleichgewichtsreaktionen sind kann man sie auch mit einem Gleichgewichtspfeil schreiben. Bei der ersten Reaktion sieht man die Autoprotolyse von Wasser. Bei der zweiten Reaktion dissoziiert Chlorwasserstoff (HCl) in Wasser und bei der dritten Reaktion dissoziiert H₂SO₄ in Wasser zu Schwefelsäure. An dieser Reaktion sind jedoch gleich zwei Wasser-Moleküle beteiligt und zwar deshalb, weil H₂SO₄ zwei Wasserstoffatome hat und somit ist es eine zweiprotonige Säure. Es gibt auch mehrprotonige Säuren. Schwefelsäure kann also zweimal protolysieren, jedoch sind die Zweitprotolysen viel seltener als die Erstprotolysen. Hiermit kommen wir gleich zu dem Punkt, dass Säuren nicht vollständig dissoziieren. Schon wenn man sagt, dass die Zweitprotolyse selten ist bedeutet es, dass nur ein bestimmter Teil der Moleküle dissoziiert. Je höher der Protolysegrad ist umso mehr Moleküle dissoziieren zu Ionen. Schwefelsäure und Salzsäure sind beispielsweise sehr starke Säuren da sie einen sehr hohen Protolysegrad haben. Eine noch stärkere Säure ist beispielsweise Iodwasserstoff (HI). Wie wir gesehen haben braucht eine Säure immer eine Base an die sie ihr Proton abgeben kann. Wir sprechen daher immer von Säure-Base-Paaren. Haben wir nun eine sehr starke Säure dann ist die dazu gehörige Base sehr schwach. Ist die Base sehr stark dann ist die Säure sehr schwach. Im Vergleich zu Säuren sind Laugen immer vollständig dissoziiert. Ein gutes Beispiel für eine Lauge wäre beispielsweise die Natronlauge (NaOH) oder die Kalilauge (KOH). Säuren und Basen können sich auch gegenseitig neutralisieren. Wenn man genau dasselbe Verhältnis von Säure und Base zusammenkippt entsteht ein Salz und Wasser. Bei der Reaktion von Salzsäure (HCl) mit Natronlauge (NaOH) enstehen Kochsalz (NaCl) und Wasser. Bei anderen Säuren und Basen enstehen natürlich andere Salze. Man spricht allgemein deshalb oft von den Salzen einer bestimmten Säure, weil die Reaktion einer Säure mit einem Metall immer ein Salz und Wasserstoff zur Folge hat. Reagiert beispielsweise Salzsäure (HCl) mit Natrium (Na), so entsteht Kochsalz (NaCl) und Wasserstoff. Salze sind in wässrigen Lösungen vollständig dissoziiert. Um nicht immer diesselben Stoffe zu nehmen kann man sagen, dass im Blei-Akkumulator (Kapitel Elektrochemie) auch ein Salz entsteht und zwar ensteht dort aus Blei (Pb) und Schwefelsäure (H₂SO₄) Bleisulfat (PbSO₄). Eine andere wichtige und interessante Sache ist in diesem Zusammenhang der pH-Wert. Wasser ist neutral, also weder sauer noch basisch. Dieses hat den pH-Wert 7. Lösungen mit pH-Werten unter 7 sind Säuren, Lösungen mit pH-Werten über 7 sind Laugen. Je stärker die Säure ist desto kleiner ist der pH-Wert. Je stärker die Lauge ist desto größer ist der pH-Wert. Eine Zahl steht immer für eine Zehnerpotenz. So ist ein Stoff mit dem pH-Wert von 4 zehn mal so sauer wie ein Stoff mit dem pH-Wert von 5. Stoffe mit den pH-Werten 0 und 14 sind sehr stark ätzend und daher sehr gefährlich. Beim pH-Wert kommt es jedoch nicht nur auf den Protolysegrad an. Sonst wäre es bei Laugen unsinnig zu unterscheiden, denn sie sind vollständig dissoziiert. Der zweite Faktor ist nämlich der, wieviel sich von einem bestimmten Stoff in Wasser löst bzw. wieviel man gelöst hat. Daher gibt es auch verschieden starke Laugen. Bei den Säuren muss man also den Protolysegrad und die gelöste Menge gemeinsam betrachten um den pH-Wert berechnen zu können.

Elektrochemie

Die Elektrochemie basiert auf den Redox-Reaktionen. Hier wollen wir nun sehen wie man verschiedene Stoffe elektrochemisch einsetzen kann. Wir wissen nun, dass es Stoffe gibt die leicht Elektronen abgeben (Reduktionsmittel) und somit unedel sind und dass es Stoffe gibt die gerne Elektronen aufnehmen (Oxidationsmittel) und somit edel sind. Wenn wir beispielsweise Lithium betrachten so gibt dieses gerne ein Elektron ab, denn dadurch erreicht es Edelgaskonfiguration. Sauerstoff erreicht die Edelgaskonfiguration durch die Aufnahme zweier Elektronen und ist somit viel edler als Lithium. Aufgrund dieser Tatsachen hat man eine Spannungsreihe aufgestellt. In dieser Spannungsreihe hat jeder Stoff seinen entsprechenden Platz. Auf der einen Seite befinden sich die starken Reduktionsmittel und auf der anderen Seite befinden sich die stärksten Oxidationsmittel. Edelgase befinden sich nicht in dieser Spannungsreihe, weil sie bereits die Edelgaskonfiguration besitzen. Der undelste Stoff in dieser Spannungsreihe ist das Lithium. Das stärkste Oxidationsmittel in der Spannungsreihe ist Fluor und somit der edelste Stoff in der Spannungsreihe. Diese Spannungsreihe geht davon aus, dass es zwischen diesen verschiedenen Stoffen ein Spannungsgefälle gibt oder auch Potentialdifferenz genannt. Diese Spannungsreihe orientiert sich am Wasserstoff. Definitionsgemäß hat dieser die Spannung 0 Volt.

Galvanische Elemente: Um die experimentelle Anleitung, zum aufstellen der Spannungsreihe, zu erläutern sollten wir uns den galvanischen Elementen zuwenden, denn so kommt man zu den Werten der Spannungsreihe. Bei den galvanischen Elementen wird beispielsweise ein Metall in eine Salzlösung und ein anderes Metall in eine andere Salzlösung gestellt. Diese beiden Metall sind durch einen Draht miteinander verbunden. Da sich beide Metalle mit den Lösungen in verschiedenen Gefäßen befinden muss man zwischen den Gefäßen eine Verbindung hergestellt werden. Dies kann man beispielswiese über ein Rohr machen. Nun haben wir einen geschlossenen Stromkreis. Jedes der beiden Gefäße mit den Metallen und den Lösungen wird Halbzelle genannt. Das ist der allgemeine Aufbau eines galvanischen Elements. Wir wollen das Prinzip jedoch an einem anderen galvanischen Element erläutern und dieses wird Daniell-Element genannt. Der Aufbau unterscheidet sich insofern, dass wir hierbei ein Gefäß haben mit einen Trennwand, die jedoch die Ionen der einzelnen Salzlösungen durchlässt. So könne sich die Salzlösungen nicht vermischen, aber die Ionen können von der einen zur anderen Seite wandern. Beim Daniell-Element kommt es auch auf die Stoffe an und zwar nimmt man Kupfer (Cu) und steckt es in eine Kupfersulfatlösung (CuSO₄) und als zweiten Stoff nimmt man Zink (Zn) und steckt es in eine Zinksulfatlösung (ZnSO₄). Natürlich müssen diese Metalle wieder über einen Draht verbunden werden und schon ist das Daniell-Element fertig. Und nun wollen wir erläutern warum hier Strom fließt.

Wie man erkennen kann, ist es so, dass an der Zinkelektrode ein Elektronenüberschuss entsteht, da Zink unedler ist als Kupfer. Somit ist Zink der Minuspol. Hier findet die Oxidation statt. Diese Elektronen wandern über den Draht zur Kupferelektrode. Diese ist der Pluspol. Hier findet die Reduktion statt. Dadurch bilden sich an der Zinkelektrode Kationen die in die Lösung gehen. Am Pluspol werden aus den Kupferkationen Kupferatome und diese lagern sich an der Kupferelektrode an. Die Sulfat-Anionen (SO₄^2-) aus der Kupfersulfatlösung finden hier nun nicht mehr genug Kupferkationen, weil sich daraus Atome gebildet haben. Daher gehen diese durch die Trennwand und finden auf der anderen Seite Zinkkationen. Durch diesen ganzen Vorgang wird die Kupferelektrode immer größer und die Zinkelektrode immer kleiner. Die Kupfersulfatlösung wird jedoch immer weniger und dafür nimmt die Zinksulfatlösung zu. Wie man sieht befindet sich im Stromkreis auch ein Voltmeter um die Spannung zu messen, die bei Kupfer und Zink stets 1,1 Volt beträgt. Batterien, wie auch Akkumulatoren sind nichts anderes als galvanische Elemente.

Die eben gesehene Versuchsanordnung lässt sich auf sehr viele Stoffe übertragen. Je größer die Potentialdifferenz zwischen den beiden Stoffen ist, um so größer ist die Spannung die dabei entsteht. Doch nun zur Definition mit Hilfe des Wasserstoffs. Wie bereits erwähnt hat Wasserstoff definitionsgemäß die Spannung 0 Volt. Das heißt, dass alle anderen Stoffe in der Spannungsreihe relativ zur Normalwasserstoffelektrode angeordnet sind. Um somit die Spannungen für alle Stoffe zu bestimmen muss ein galvanisches Element bauen, dass aus dem zu messenden Stoff und einer Normalwasserstoffelketrode besteht. Da Wasserstoff ein Gas ist nimmt man Platin und diese umspüllt man ständig mit Wasserstoffgas. Somit hat man eine Wasserstoffelektrode.

Der Blei-Akkumulator: Es gibt viele Arten von Batterien, doch wollen wir uns hier einer weiterentwickelten Art von Batterie, dem sogenannten Akkumulator zuwenden. Ein weit verbreitetes Beispiel dürfte der Blei-Akkumulator sein. Er findet eine so große Verbreitung, da man ihn als Autobatterie einsetzt. Er besteht aus mehreren Platten. Diese Platten bestehen aus einem Trägergitter welches aus Blei besteht. Damit diese Platten als Elektroden dienen können, müssen einige Platten mit Blei und andere Platten mit Bleidioxid gefüllt werden. Die Bleielektrode ist der Minuspol und die Bleidioxidelektrode ist der Pluspol. Diese Platten müssen deshalb so groß sein, damit sie beim Start kurzfristig einen sehr hohen Strom (über 400 A) produzieren können. Da man meistens 6 solcher Platten hintereinander schaltet beträgt die Spannung 12 V. Als Elektrolyte nimmt man nicht wie beim Daniell-Element zwei Lösungen, sondern nur eins und zwar Schwefelsäure (H₂SO₄). Am Minuspol wird Blei (Pb) zu Bleisulfat (PbSO₄) oxidiert und am Pluspol wird Bleidioxid (PbO₂) zu Bleisulfat (PbSO₄) reduziert. Die Oxidation ist bei dieser Reaktion ganz leicht zu erkennen, jedoch mag es etwas verwundern warum man hier von der Reduktion spricht. Das ließe sich hierbei nur mit den Oxidationszahlen oder den Wertigkeiten erklären. Das Blei hat in der Verbindung Bleidioxid (PbO₂) eine Oxidationszahl von 4 und in der Verbindung Bleisulfat (PbSO₄) nur eine Oxidationszahl von 2. Verringert man die Oxidationszahl so handelt es sich um eine Reduktion und beim erhöhen der Oxidationszahl handelt es sich um eine Oxidation. Am Minuspol kann man es auch anwenden, indem man sagt, dass Blei die Oxidationszahl 0 hat, aber in der Verbindung Bleisulfat (PbSO₄) hat es die Oxidationszahl 2, also handelt es sich hierbei um eine Oxidation.

Man sieht hier die Oxidation, die Reduktion und die Gesamtreaktion. All diese Reaktionen sind sind jedoch nicht ganz vollständig, jedoch macht man es der Übersicht wegen oft so, dass man nur die Stoffe in die Reaktionsgleichung aufnimmt die bei der Reaktion eine wichtige Rolle spielen. Die Gesamtreaktion ist hier mit einem Gleichgewichtspfeil versehen und zwar soll dies andeuten, dass diese Reaktion in beide Richtungen abläuft. Jedoch nicht einfach so, sondern unter bestimmten Umständen. Wenn der Blei-Akkumulator Strom produziert und somit entladen wird läuft die Hinreaktion ab. Wird er nun geladen läuft die Rückreaktion ab. Diese Rückreaktion erfolgt durch das anlegen einer äußeren Spannung. Dadurch wird die Stromrichtung geändert und die Elektronen fließen vom Pluspol zum Minuspol. Durch diesen Vorgang werden die Ausgangstoffe Blei (Pb), Bleidioxid (PbO₂) und Schwefelsäure (H₂SO₄) wiederhergestellt. Bei diesem Vorgang läuft nun am Pluspol die Oxidation um am Minuspol die Reduktion statt. Bedingt durch einige Faktoren hat der Blei-Akkumulator keine unbegrenzte Lebensdauer.

Die Elektrolyse: Bei einer Elektrolyse finden Stoffumwandlungen unter Stromeinfluss statt. Wir wollen es uns kurz anhand der Zinkbromid-Elektrolyse anschauen. Dazu steckt man zwei Graphitelektroden (Kohlenstoffelektroden) in eine Zinkbromid-Lösung (ZnBr₂).

Wie man erkennen kann wandern die Zn²⁺-Ionen, wenn man eine entsprechend große Spannung anlegt, zum Minuspol, weil sie positiv geladen sind und die Br^--Ionen gehen zum Pluspol. Die Bromid-Ionen geben am Pluspol ein Elektron ab. Am Minuspol nehmen die Zinkionen zwei Elektronen auf. Somit bilden sich am Minuspol Zinkatome und am Pluspol Bromatome. Bei der Elektrolyse wird also der unedlere Stoff, hierbei Zink, reduziert, da es zwei Elektronen aufnimmt und das edlere Brom wird oxidiert, weil es ein Elektron abgeben muss. Schaltet man nun die Spannungsquelle ab und verbindet die Elektroden nun mit einem Draht, so mißt man Strom der in die andere Richtung fließt wie der Elektrolysestrom, also vom Minuspol zum Pluspol. Und damit ist ein galvanisches Element entstanden. Die Elektrolyse ist also die Umkehrung eines galvanischen Elements. Die Zinkatome geben nun wieder zwei Elektronen ab und werden somit oxidiert und die Bromatome nehmen jeweils ein Elektron auf und werden somit reduziert. Es bildet sich wieder Zinkbromid (ZnBr₂). Der Spannungsunterschied zwischen Zink und Brom beträgt 1,83 Volt und diese Spannung ist nun messbar.

Andere wichtige Beispiele für Elektrolysen wären beispielsweise die Chloralkali-Elektrolyse. Über diesen Vorgang kann man reines Natrium (Na) aus Kochsalz (NaCl) gewinnen, da es so reaktionsfreudig ist, dass es frei in der Natur nicht vorkommt. Wichtig ist auch die Schmelzflusselektrolyse von Bauxit bei der man als Endprodukt Aluminium bekommt.

Das Periodensystem der Elemente

Es gibt das sogenannte Periodensystem der Elemente in dem man alle bekannten Elemente findet. Dort sind die Elemente nach der Anzahl der Protonen sortiert. So ist beispielsweise der Wasserstoff das erste Element, weil sich in seinem Kern nur ein Proton befindet. Der Kern eines Sauerstoffatoms beispielsweise beinhaltet 8 Protonen. Eine weitere Aufstellung des Periodensystems der Elemente sind die Haupt- und Nebengruppen. Die Nummer der Gruppe gibt die Anzahl der Elektronen auf der äußersten Schale des Atoms an. Die Elektronen verteilen sich nämlich auf verschiedene Schalen oder besser gesagt auf verscheidene Energieniveaus. Die äußerste Schale kann maximal 8 Elektronen tragen und dann ist sie vollkommen besetzt. Stoffe mit einer vollbesetzten äußeren Elektronenschale sind fast überhaupt nicht reaktionsfähig. Wenn es um die Aufstellung der Elemente in den Hauptgruppen geht, fällt Helium ein Bißchen aus der Reihe und zwar gehört es zur 8. Hauptgruppe, weil es eine voll besetzte Außenschale hat, jedoch hat es nur eine Schale und diese kann maximal 2 Elektronen tragen. Es ist jedoch so, dass die Schalen in den Hauptgruppen nicht immer vollkommen aufgefüllt werden und trotzdem entsteht eine neue Schale. Diese leeren "Plätze" in den unteren Elektronenschalen werden in den Nebengruppen aufgefüllt. Generell nimmt jedoch die Anzahl der Außenelektronen in einer Periode (waagerecht im Periodensystem) von links nach rechts zu. Bei jeder neuen Periode kommt eine Elektronenschale hinzu. Die Aufstellung der Elemente im Periodensystem gibt somit auch die Elektronenkonfiguration an. Jedes chemische Element hat ein Symbol welches aus einem oder zwei Buchstaben (bei einigen Elementen sogar drei Buchstaben) besteht. Der erste Buchstabe ist immer groß und der zweite, falls vorhanden, immer klein. Wasserstoff hat beispielsweise den Buchstaben H, Stickstoff N, Sauerstoff O und Kohlenstoff C. Die Elemente einer Gruppe sind chemisch gesehen sehr ähnlich. Ich führe sie jedoch erst jetzt an, weil es wichtig ist zu verstehen warum einige Gruppen reaktionsfreudiger als andere sind und dazu musste ich zuerst die Bindungen und Reaktionen klären.

Periodensystem

Anorganische Chemie

Organische Chemie

Autor und Webmaster: Lukas Czarnecki

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Letze Änderung: 15.12.2004