Allgemeine Chemie 1: Einführung, Elementarteilchen, Atom und Element
Thomas Zimmer
https://www.youtube.com/watch?v=6CznbDxzHro

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0:00 Hallo und willkommen zum ersten Teil allgemeine Chemie. Es wird eine kurze Einführung geben, dann werden wir die Elementarteilchen
0:08 besprechen und schon in Atom und Atombau einsteigen. Was ist Chemie? Oft liest man ja, Chemie ist das, was stinkt und kracht.
0:20 Chemie ist eine Naturwissenschaft, die sich mit dem Aufbau, den Eigenschaften, den Kräften, die Substanzen zusammenhalten und den Reaktionen, den
0:30 Umwandlungen von Stoffen beschäftigt. Wir werden sehen, dass die chemischen Reaktionen sich in der Elektronenhülle abspielen.
0:39 Das heißt, die Kerne werden bei chemischen Reaktionen nicht verändert. Es gibt verschiedene Fachrichtungen. Wir werden die allgemeine Chemie besprechen.
0:49 Hier geht es um Grundlagen, den Atombau, das Periodensystem, die chemische Bindung, chemische Reaktion hier insbesondere Säurebasereaktionen
0:59 und Redoxreaktion. Dann die Elementchemie, die anorganische Chemie. Dazu zählt auch die Chemie des Kohlenstoffs,
1:08 aber nicht die Kohlenstoffketten. Diese gehören zur organischen Chemie. Die Biochemie befasst sich mit biologischen Strukturen, einweise fette
1:19 Kohlenhydrate DNA und sie befasst sich mit Stoffwechselprozessen. Bei der physikalischen Chemie geht es insbesondere um die Aggregatzustände, um
1:30 atomare und molekulare Wechselwirkungen. Die Kernchemie, die Nuklearchemie befasst sich mit den Atomkernen. Normalerweise chemische Reaktionen heißt
1:43 Reaktionen finden in der Hülle statt. Dann die technische Chemie. Hier geht es um die Herstellung von allen möglichen chemischen Produkten
1:53 und die analytische Chemie. Hier haben wir zwei Säulen. Die qualitative Analyse oder was ist das überhaupt für eine Substanz? Hier geht es um
2:03 Nachweisreaktion und dann quantitative Verfahren. Wie viel von der Substanz gibt es? Es geht um die Gehaltsbestimmung.
2:14 Ganz kurz zur Materie. Materie ist alles, was a Raum einnimmt und B Masse hat. Wir werden mit den Elementen starten.
2:24 Eine Auflüstung ist im Periodensystem der Elemente zu finden. Ein chemisches Element ist ein Stoff, der mit chemischen Methoden nicht weiter in
2:33 andere Stoffe zerlegt werden kann. Elemente bestehen aus sehr kleinen Teilchen, den Atomen, alle Atome eines Elements sind gleich.
2:45 Dann Verbindungen, das sind Stoffe, die durch Zusammenschluss von Atomen, von Elementen entstehen. Das können gleiche oder verschiedene Atomeelemente sein.
2:57 Diese Verbindungen können wir jetzt zerlegen durch chemische Methoden. Es gibt ca. 12000 anorganische und 10 hoch7 organische Verbindungen.
3:09 Wir werden uns beschäftigen mit Molekülen. Beispielsweise das Wasser H2O. Hier steckt zweimal der Wasserstoff drin
3:17 und einmal der Sauerstoff. Das heißt, wir können dann Wasser auch wieder zerlegen in Wasserstoff und Sauerstoff.
3:26 Und die zweite große Gruppe, die wir besprechen werden, das sind die Salze, ionische Verbindungen, Beispiel des Kochsalz.
3:33 H wir geladene Partikelionen hier im Beispiel NaCl, ein Na+ und ein Cl-
3:44 Reinstoffe. Verbindungen oder Elemente sind Reinstoffe. Reinstoffe können wir physikalisch nicht zerlegen. Was geht bei den Gemischen. Wir haben
3:55 eine Mischung von mehreren Substanzen, von mehreren Stoffen und mit physikalischen Methoden können wir jetzt die einzelnen Stoffe
4:04 voneinander trennen. Beispiel, wir haben Wasser und Alkohol im Gemisch. Durch das Zidieren kriegen wir die beiden getrennt.
4:16 Schauen wir uns nun die Elementarteilchen an. Das sind die Teilchen, aus denen ein Atom besteht. Das sind die Elektronen,
4:27 die Protonen, die Neutronen. Die sind sehr leicht und charakteristisch im Atom angeordnet. Ein Atom hat zwei Teile. Der ganz ganz
4:37 kleine Atomkern, den wir hier sehen, dieser enthält die Protonen und die Neutronen, die fehlen hier. Und wir haben dann die Hülle, die
4:49 riesige Hülle, also riesig im Vergleich zu dem minimal kleinen Atomkern. Und in dieser kugelförmigen Hülle um den Kern halten sich die Elektronen auf.
5:04 Im Atomkern kommen also Protonen vor. Abkürzung P+. Hier steckt schon im P+. Wir haben eine positive Ladung und zwar die sogenannte Elementaralladung. Das
5:17 sind + 1,6 x 10 hoch-19 coub. Die Masse entspricht etwa einem U, dann kommen die Neutronen. N neutral, keine Ladung. Die Masse in etwa so groß
5:33 wie die des Protons ein U. Ein ganz ganz kleiner Unterschied sehen wir besteht. Das heißt, die Neutronen sind etwas schwerer, aber nur minimal schwerer als
5:45 die Protonen. Kommen wir nun zur Hülle. Diese ist kugelfärmig um den Kern angeordnet und enthält die Elektronen.
5:54 Abkürzung E- hier steckt schon in dem Minus. Ladung ist negativ. Das heißt, wir haben jetzt eine negative Elementalladung von 1,6 x 10 hoch -19
6:07 Coulom. Die Masse ist minimal, das heißt, wir werden die in der Regel vernachlässigen. Ist nicht ganz null, aber knapp ein 1800
6:19 U, das heißt knapp ein 1800 eines Protons oder eines Neutrons. Jetzt zu der relativen Atommasse U abgeleitet von Unit, also die Einheit.
6:37 Ein U entspricht einer Zel der Masse eines C12 Kohlenstoffatoms. Was das genau bedeutet, wird nachher noch kommen. Ein C12 Atom besteht aus 12
6:50 Protonen und Neutronen. Das heißt, ein C12 Atom hat die Messe Masse 12U und ein davon ist dann ein U. Wir kennen die absolute Masse von einem
7:04 U, das ist 1,67 x 10 hoch -24 g. Absolut heißt, wir haben eine Einheit. Bei Relativ haben wir keine Einheit. Mit diesem komischen Wert zu rchen ist
7:18 sehr unpraktisch. Deswegen benutzen wir die relative Atommasse. Die Atome sind nach außen ungeladen. Das
7:29 heißt, in einem ungeladenen Atom entspricht die Anzahl der Elektronen, der negativen Ladungen, die in der Atomhülle vorkommen, der Anzahl der
7:38 Protonen der positiven Teilchen im Kern. Kurz was zur Größe Kern und Hülle. Vergleiche, die man sieht, können sein der Kopf einer Stecknadel, also etwa 2
7:54 bis 3 mm. Das ist unser Kern und im Vergleich dazu die Höhle dann der riesige Eifelturm oder der Stecknadelkopf
8:08 im Stadium am Anstoßpunkt als Kern und das Fußballstadion dann als die riesige Hülle drumherum.
8:20 Schauen wir uns nun die Elemente etwas näher an. Die Elemente finden wir im Periodensystem der Elemente PSE
8:32 abgekürzt und zwar als Kurzschreibweise als Elementsymbol. Und hier muss man leider jetzt diese Abkürzung, diese ein oder zwei
8:43 Buchstaben, die sich aus dem lateinischen oder griechischen ableiten lernen. Hier die wichtigsten
8:53 C. Der Kohlenstoff kommt von Carboneum, dann Hydrogenium, der Wasserstoff, Oxygenium,
9:03 der Sauerstoff. Es noch am einfachsten zu merken. Sulpur der Schwefel, das Eisen Fe von Ferum.
9:15 Die anderen kann man in etwa ableiten. Ca für Calzium mit C oder mit K geschrieben. Cu für Kupfer, Kuprum. Ag für Argentum für Silber.
9:31 I für Jod mit I oder J geschrieben und das Blei ist Plumbum PB. Gewächssilber Hydragum HG.
9:45 Jetzt finden wir im Periodensystem der Elemente. Wir werden uns nachher gleich Beispiele anschauen. Zum einen unser Elementsymbol
9:53 hier das C für Carboneum. Das heißt, das ist unser Kohlenstoff und wir finden dann zwei Zahlen. Links, eine oben, das ist die Massenzahl und eine unten ist
10:06 die Ordnungszahl. Welche Bedeutung die Zahlen haben, kommt gleich. Es gilt jetzt, die Atome eines Elements sind alle gleich. Das heißt, die haben
10:18 alle die gleiche Anzahl von Protonen und damit die gleiche Kernladungszahl. Ein Beispiel hier, unser Kohlenstoff Massenzahl 12, Ordnungszahl gleich
10:29 Protonenzahl ist 6. Das heißt, ein Kohlenstoffatom hat sechs Protonen und umgekehrt alle Atome mit sechs Protonen sind Kohlenstoffatomen.
10:41 Deshalb gehört hier die sechs, die Ordnungszahl und das Elementsymbol C untrennbar zusammen. Deswegen lässt man oft die Ordnungszahl 6 weg.
10:54 Denn es ist klar, wenn wir ein Kohlenstoffatom haben, muss dieses sechs Protonen haben.
11:02 Wir hatten es schon erwähnt, die Neutronen und Protonen kommen im Kern vor. Deswegen werden diese auch Nukleonenkernteilchen
11:12 genannt. Und die Zahl der Nukleon ist die Massenzahl oder ist das Atomgewicht? Das heißt, das ist die Summe aus
11:21 Protonen und Neutronen. Die Elektronen wiegen ja nichts, fast nichts. Also diese können wir vernachlässigen.
11:31 Es gilt dann abgeleitet davon, die Neutronenzahl ist die Nukleonzahl minus die Protonenzahl. Die Anzahl der Protonen im Kern
11:41 entspricht der Kernladungszahl und der Ordnungszahl und damit der Stellung im Periodensystem. Protonenzahl gleich Kernladungszahl
11:51 gleich Ordnungszahl. Wir hatten schon gesagt, ein Atom ist neutral, ist nicht geladen. Das heißt, wir brauchen hier genauso viele
12:00 Elektronen in der Hülle, wie wir Protonen im Kern haben. Uns das Beispiel noch mal an. Unser Kohlenstoffatom 12.
12:10 Die se wie gesagt gehört zu dem C und umgekehrt C gehört zu der Protonenzahl 6. Wir haben also hier 12. Die obere Zahl ist
12:22 die Massenzahl oder die Nukleonzahl, die ist 12. Das also es ist die Anzahl der Protonen und Neutronen für uns sehr vielen. Wichtiger ist die
12:33 Ordnungszahl, die Protonenzahl. Das ist der untere Wert, die 6. Und diese sechs entspricht ja gleich der Elektronenzahl.
12:45 Im ungeladenen Atom brauchen wir genauso viele Protonen wie Elektronen. Was wir nicht finden, sind die Neutronen. Diese müssen wir berechnen.
12:55 Und zwar ist das die Differenz von den beiden Zahlen. Also die größere Zahl die kleinere, die Massenzahl minus die Ordnungszahl ist die Neutronenzahl.
13:07 Das ist in dem Fall auch sech. Das ist Zufall. Wir haben sechs Protonen und sechs Neutronen. Die Zahl der Protonen wird in den
13:16 wenigsten Fällen gleich der Zahl der Neutronen sein. Hier noch einmal die Definition der relativen Atommasse ein U, ein Unit.
13:28 Hier wird sich auf dieses Kohlenstoffatom bezogen. Unser C12 hat insgesamt 12 Nukleonen. Das heißt, ein Zwölfel davon ist dann ein U.
13:44 Schauen wir uns nun dazu Übungen an. Ich habe hier einen Ausschnitt des Periodensystems genommen und zwar nur die Hauptgruppen, das ganze von Hölze
13:56 und wir rechen mit glattenzahlen, wo die krummen Zahlen hier beispielsweise das 1,01 beim Wasserstoff oder beim Chlor die 35,45
14:09 herkommen, das müssen wir uns noch anschauen. Starten wir mit dem ersten Element im Periodensystem. Der Wasserstoff
14:20 steht an Position 1. Das heißt, das ist dann auch gleich unsere Protonenzahl oder die Kernladungszahl oder die Ordnungszahl.
14:32 Die Elektronenzahl ist gleich groß. Das heißt, wir haben ein Proton und passend dazu dann auch ein Elektron. Jetzt schauen wir uns die zweite, die
14:44 obere Zahl an. Das ist die Massenzahl, auch eins. Massenzahl gleich Nukleonenzahl gleich Atomgewicht gleich die Anzahl der Protonen und Neutronen.
14:56 Und da wir ja schon einen Proton haben, haben wir natürlich dann kein Neutron. Also Neutron ist die Massenzahl, ist 1- die Protonenzahl ist hier auch ein ist
15:07 also 0. Kommen wir zum Kohlenstoff. hatten wir eben schon gehabt. Wir haben hier unten die Zahl, die kleinere, die sechs, das
15:17 ist die Ordnungszahl oder die Protonenzahl oder die Kernladungszahl. Und die obere Zahl ist die Massenzahl,
15:26 die Nukleonenzahl, das Atomgewicht, die Protonen plus Neutronen. Also jetzt zur Tabelle, wir haben die
15:36 Protonen sechs. Entsprechend haben wir auch sechs Elektronen, entspricht der Protonenzahl und wir haben die Massenzahl 12. fehlen
15:47 noch die Neutronen. Diese müssen wir immer berechnen. Das ist die größere minus die kleinere Zahl, also die Massenzahl die Protonenzahl und so
15:56 kommen wir auf sech und der Stickstoff sind wir an Position 7, also sieben Protonen, Anladungszahl 7, Ordnungszahl 7, die obere Zahl ist
16:09 die 14. Das ist die Massenzahl, die Nukleonenzahl, das Atomgewicht, die Anzahl der Protonen plus Neutronen.
16:19 Wir haben sechs Protonen, entsprechend haben wir auch äh sieben Protonen, Entschuldigung, entsprechend haben wir auch sieben Elektronen.
16:29 Und wir haben dann die Differenz 14- 7 auch 7 Neutronen. Der Sauerstoff 8 und 16. 8 ist hier oben mussen acht stehen. Ist ein Fehler.
16:43 Entschuldigung, da passt was nicht. So, jetzt noch mal der Sauerstoff. Ja, finden also den Sauerstoff hier. Die
16:57 untere Zahl ist die Protonzahl, Ordnungszahl, Kernladungszahl acht. Die obere Zahl ist die Massenzahl, die Nukleonenzahl, die Anzahl der
17:08 Protonen und Neutronen ist also 16. Entsprechend kommen wir dann auf äh die Neutronenzahl, Massenzahl Protonenzahl, also 16 - 8= 8 und die Elektronen
17:24 entsprechende Anzahl der Protonen, da das Atom ja ungeladen ist. Kommen wir zum Flur. Wir finden die neun als untere Zahl. Das ist die
17:34 Protonenzahl. Wir finden die 19 als Massenzahl. Wir haben Elektronen genauso viele wie Protonen und wir haben die Differenz. 19
17:46 - 9 sind 10. Das sind die Neutronen. Beim Natrium 11 und 23. Also 11 Protonen Ordnungszahl 11 Kernladungszahl 11 23 die Massenzahl
18:02 Protonen plus Neutronen oder das Atomgewicht. Die Elektronenzahl entspricht der Protonenzahl und die Neutronen berechnen wir wieder
18:13 aus der Differenz. Massenzahl Protonenzahl. Genauso geht es dann beim Phosphor oder auch beim Chlor
18:24 eine kurze Ergänzung und ging früher immer davon aus, dass die kleinsten Teilchen, die Neutronen, die Protonen und die Elektronen sind.
18:35 Schon 1964 wurde jedoch von Gelmann und von Zweig das Quarkmodell postuliert. Wie der Name zustande kam, Quark, ist nicht ganz klar.
18:48 Man kann sich das hier mal durchlesen. Angeblich soll es aus Freiburg stammen, wo die Marktfrauen Quark angepriesen haben. Das Ganze wurde dann in einem
18:59 Roman verarbeitet und wurde dann von Mann übernommen. Ob das wirklich so stimmt. Die Quarks sind auf jeden Fall
19:08 subatomare Teilchen und sie kommen nur in gebundenen Zuständen vor. Nach heutiger Auffassung, das muss man immer dazu sagen, gelten sie als nicht
19:18 weiter teilbar. Es gibt insgesamt sechs Quarken, Up, down und so weiter. Für uns sind die beiden ersten wichtig, denn diese sind
19:28 die Bausteine der Neutronen und der Protonen und diese bilden ja dann die Atomkerne. Die Neutronen und die Protonen bestehen
19:39 aus jeweils drei Quarks und zwar ein Protron aus zwei Up und einem Down und ein Neutron aus einem Up und zwei down. Mit den entsprechenden Ladungen der ein
19:53 deszelnen Quark kann man dann die Summe berechen. Und beim Proton kommen wir eben auf + E die Elementalladung und beim Neutron kommen wir auf 0.
20:06 Anders als das Elektron und das Proton oder das Proton besitzen die Quarks geringere Ladung als die Elementalladung.
20:18 Nur eine Ergänzung, die Elektronen sind auch das heutiger Kenntnisstand nicht weiterteilbar. Das nur als Ergänzung für das, was wir
20:28 brauchen, für die Praxis sind die Quarks ohne Interesse. Das war der erste Teil der allgemeinen Chemie, eine Einführung auch in Atomen
20:41 und Elementarteilchen. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit.