Aufbau der Materie - Chemie (PDF)

**Gesetz von der Erhaltung der Masse** Bei einigen chemischen Reaktionen scheint Materie aus dem Nichts zu entstehen. Ein Beispiel ist die Massenzunahme bei der Verbrennung von Eisen (Stahlwolle). Das silberfarbene Eisen verbindet sich mit dem Sauerstoff der Luft zu schwarzem Eisenoxid. Schon vor...

**Gesetz von der Erhaltung der Masse** Bei einigen chemischen Reaktionen scheint Materie aus dem Nichts zu entstehen. Ein Beispiel ist die Massenzunahme bei der Verbrennung von Eisen (Stahlwolle). Das silberfarbene Eisen verbindet sich mit dem Sauerstoff der Luft zu schwarzem Eisenoxid. Schon vor Dalton machten Chemiker eine entscheidende Entdeckung: **Gesetz von der Erhaltung der Masse:**\ Führt man eine chemische Reaktion in einem geschlossenen Gefäß durch, so bleibt die Masse unverändert. Dalton erklärte dies mit der Annahme, dass alle Stoffe aus winzig kleinen Bausteinen bestehen, die bei chemischen Reaktionen nur anders kombiniert werden. Solange kein Baustein verloren geht, ändert sich die Masse nicht. **Gesetz der konstanten Massenverhältnisse** Ende des 18. Jahrhunderts entdeckte der französische Chemiker Joseph Louis Proust, dass die Elemente in chemischen Verbindungen immer in einem bestimmten Massenverhältnis vorkommen. Beispielsweise bestehen Wassermoleküle aus 11,1 % Wasserstoff und 88,9 % Sauerstoff. Dies bildete die Grundlage für das chemische Rechnen. John Dalton entwickelte Prousts Entdeckung weiter:\ Er stellte fest, dass die Ausgangsstoffe (Edukte) bei der Herstellung eines Stoffes nur in einem bestimmten Verhältnis gemischt werden dürfen, damit die Reaktion vollständig abläuft. Umgekehrt entstehen bei der Zersetzung eines Stoffes die Produkte immer im gleichen Verhältnis. **Gesetz der konstanten Massenverhältnisse:**\ Das Massenverhältnis der Elemente in einer Verbindung ist immer konstant. Dalton erklärte dies, indem er annahm, dass Materie aus kleinen Bausteinen besteht, die nur in bestimmten Zahlenverhältnissen zusammengesetzt werden können. Ein Überschuss an Bausteinen führt nicht zu mehr Materie, da der andere Baustein zum Aufbau fehlt. Diese Gesetze ermöglichen chemische Berechnungen, z. B. wie viel Masse an Edukten benötigt wird, um eine bestimmte Masse an Produkten zu erhalten. **2. Atome, Formeln und das Periodensystem** **Atome und Moleküle** Heute weiß jedes Kind, dass Stoffe aus Atomen bestehen. Es war jedoch ein weiter wissenschaftlicher Weg, diese Tatsache zu beweisen, da Atome extrem klein sind. Mikroskope, selbst mit starker Vergrößerung, können Atome nicht direkt sichtbar machen. Erst mit dem Raster-Tunnel-Mikroskop lassen sich Atome bei einer 50-millionenfachen Vergrößerung als unscharfe Kugeln erkennen. **2.1 Die Atomtheorie -- Von Vermutungen zur Gewissheit** Bereits vor 2000 Jahren vermuteten griechische Philosophen wie Demokrit, dass Materie aus kleinen, unteilbaren Teilchen (Atomen) besteht. Sie hatten jedoch keine Beweise und meinten, es gäbe nur vier Elemente: Feuer, Wasser, Erde und Luft. John Dalton stellte um 1800 folgende Behauptungen auf: - Es gibt eine bestimmte Anzahl von Grundstoffen (Elementen), die aus unzerstörbaren Atomen bestehen. - Die Atome eines Elements sind gleich; Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Eigenschaften wie Masse und Reaktionsfähigkeit. - Bei chemischen Reaktionen werden Atome in festen Zahlenverhältnissen verknüpft. **Das Periodensystem und der Aufbau der Elektronenschalen** Die Periode (Zeile) eines Elements gibt an, wie viele Schalen mit Elektronen gefüllt sind. Die Gruppen (Spalten) zeigen, wie viele Elektronen sich in der äußersten Schale befinden. Beispielsweise hat Sauerstoff: - Zwei gefüllte Schalen. - Sechs Elektronen in der äußersten Schale. Die Elemente werden in Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle eingeteilt. Halbmetalle befinden sich auf der Trennlinie zwischen Metallen und Nichtmetallen. **2.2 Die Formelsprache der Chemie** Dalton führte für jedes Element ein Symbol ein. Diese Schreibweise wurde von Jöns Berzelius 1814 verbessert: - Elemente werden durch ein oder zwei Buchstaben abgekürzt (z. B. H für Wasserstoff, O für Sauerstoff). - Formeln wie H₂O beschreiben Verbindungen. Beispiel: Die Elektrolyse von Wasser (H₂O → H₂ + O₂). Zwei Wassermoleküle zerfallen in zwei Wasserstoff- und ein Sauerstoffmolekül. **2.3 Der Aufbau der Atome** Rutherford entdeckte 1911, dass Atome aus einem Kern und einer Elektronenhülle bestehen. - Der Atomkern enthält Protonen (positiv geladen) und Neutronen (neutral). - Die Elektronen (negativ geladen) bewegen sich in der Hülle. - Protonen und Neutronen sind fast gleich schwer, Elektronen sind wesentlich leichter. Atome sind nach außen elektrisch neutral, da die Zahl der Protonen gleich der Zahl der Elektronen ist. **2.4 Elektronenschalen und Reaktivität** Niels Bohr zeigte, dass sich Elektronen auf bestimmten Bahnen (Schalen) um den Atomkern bewegen. Die äußersten Elektronen (Valenzelektronen) bestimmen die chemischen Eigenschaften eines Elements. - Die maximale Anzahl der Elektronen in einer Schale wird mit der Formel 2n² berechnet (n = Nummer der Schale). - Chemische Reaktionen entstehen durch die Umgruppierung der Valenzelektronen. **Das Periodensystem der Elemente** Das Periodensystem wurde 1869 von Dmitri Mendelejew und Lothar Meyer entwickelt. Es ordnet Elemente nach steigender Protonenzahl. Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften stehen in einer Gruppe (Spalte). - Alkalimetalle (1. Gruppe): Natrium, Kalium - Halogene (17. Gruppe): Chlor, Brom - Edelgase (18. Gruppe): Helium, Neon **Reaktionsgleichungen und chemische Berechnungen** Reaktionsgleichungen beschreiben chemische Reaktionen präzise: - Edukte (Ausgangsstoffe) → Produkte (Endstoffe). - Beispiel: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Dies ermöglicht die Berechnung von Stoffmengen und die Planung chemischer Prozesse.