Die Wichtigsten Elemente Der Organischen Chemie at Universität Graz | Flashcards & Summaries

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Lernmaterialien für Die wichtigsten Elemente der organischen Chemie an der Universität Graz

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Wasserstoff: Nenne Ordnungszahl, Atomgewicht und Isotope

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Das chemische Symbol für das Element Wasserstoff ist H (hydrargenium (gr.): Wasserbildner; lat. hydrogenium). Die Ordnungszahl Z ist 1 und sein Atomgewicht beträgt 1,01 atomare Massenein- heiten (u). Damit ist Wasserstoff das leichteste aller Elemente. Insgesamt gibt es drei Isotope.
Im Fall von Wasserstoff wurden sie ausnahmsweise mit einem eigenen Namen versehen:

 1H (Protium, bestehend aus einem Elektron e- und einem Proton p+),

 2H (D für Deuterium, schwerer Wasserstoff, ein zusätzliches Neutron n) und

3H (T für Tritium, superschwerer Wasserstoff, zusätzlich zwei Neutronen n).


Der Wasserstoff steht zwar im Periodensystem in der ersten Gruppe, nimmt aber unter allen Elementen eine Sonderstellung ein.



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Beschreibe Tritium.

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Der Tritiumkern ist nicht stabil und wandelt sich in einem radioaktiven β-Zerfall in 3He um.


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Was passiert wenn Wasserstoff ein Elektron aufnimmt/abgibt?

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Der Atomkern besitzt ein Proton, und die Elektronenhülle (das 1s-Orbital) ist mit einem Elektron besetzt. Nimmt der Wasserstoff ein Elektron auf, nimmt er die Edelgaskonfiguration des He ein, bei der Abgabe eines Elektrons bleibt ein isoliertes Proton als H+-Ion übrig. Dieses kann allerdings nicht frei existieren, sondern lagert sich z.B. an Lösungsmittelmoleküle wie H2O an.


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Warum unterscheidet sich Wasserstoff von den ander Elementen in der 1.Hauptgruppe?

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Im Vergleich zu den anderen s1-Elementen, also den Alkalimetallen bzw. der 1. Hauptgruppe im Periodensystem, besitzt Wasserstoff eine doppelt so große Ionisierungsenergie und ist ein Nichtmetall. Er kann eine kovalente Bindung eingehen.


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Welches ist das häufigste Element im Weltall?

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Wasserstoff bildet mit Abstand den größten Anteil der Gesamtmasse unseres Kosmos und ist somit das häufigste Element im Weltall.


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Wie kommt Wasserstoff elementar vor und für was kann es verwendet werden?

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Elementar kommt er als H2-Molekül vor, bei dem zwei Atome Wasserstoff durch eine kovalente Einfachbindung verbunden sind. Wasserstoff ist ein Gas, das aufgrund seiner geringen Molekular- masse von nur 2,02 g · mol−1 eine extrem geringe Dichte hat. Es ist wesentlich leichter als Luft und kann daher verwendet werden, um Ballons und Luftschiffen Auftrieb zu verleihen. Das birgt allerdings ein enormes Gefahrenpotential, da Wasserstoff im Gemisch mit Sauerstoff explosionsartig zu Wasser reagiert.

O2+2H2 ⇄2H2O

Diese sogenannte Knallgasreaktion kann bei etwa 400°C gezündet werden und setzt mit
-242 kJ · mol−1sehr viel Energie frei. 1937 führte diese Reaktion zur Explosion und dem katastroph- alen Absturz des Luftschiffs Hindenburg. Heutzutage wird zur Erzeugung von Auftrieb nur das ungefährliche Helium verwendet.


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Wie kommt Wasserstoff auf der Erde vor?

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Auf der Erde kommt Wasserstoff vor allem gebunden vor und ist viel seltener als im Weltall. Der größte Anteil von Wasserstoff ist in Wasser (H2O) bzw. in Form von OH−-Ionen in Mineralien gebunden. Aber auch Erdgas (z.B. Methan CH4) und Erdöl enthalten Wasserstoff. Aufgrund der geringen Elektronegativität und der geringen Affinität Elektronen aufzunehmen, hat Wasserstoff in den meisten Verbindungen die Oxidationsstufe +1 (z.B. in Wasser H2O und Ammoniak NH3). Mit stark elektropositiven Metallen bildet Wasserstoff Metallhydride.


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Wo findet Wasserstoff Verwendung?

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Wasserstoff hat viele Anwendungen in der Industrie und ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung z.B. für die Ammoniaksynthese, Raffinerieprozesse und für die Methanolsynthese. Weitere Anwendungsgebiete sind unter anderem die Verwendung bei Hydrierungen (z.B. Fetthärtung) und als Verbrennungsgas, mit welchem besonders hohe Temperaturen erreicht werden können (z.B. beim Schweißen).

Aufgrund seiner hohen Energiedichte ist der Wasserstoff ein bedeutender Energieträger. Wasserstoff kann mit Sauerstoff verbrannt werden oder in sogenannten Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden. In beiden Fällen ist das Reaktionsprodukt Wasser. Damit wird bei der Energieerzeugung kein klimaschädliches Treibhausgas freigesetzt, was ein großer Vorteil gegenüber fossilen Energieträgern wie Erdöl oder Kohle ist, bei deren Verbrennung das Treibhausgas CO2 freigesetzt wird. Dies gilt allerdings nur wenn der Wasserstoff über erneuerbare Primärenergiequellen erzeugt wurde.


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Beschreibe die grundlegenden Eigenschaften der Halogene.

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Die Elemente der 7. Hauptgruppe (Gruppe 17 des Periodensystems) nennt man die Halogene (hals, (griech.) Salz; gennáo (griech.) erzeugen = Salzbildner). Dazu gehören Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br), Iod (I) und das radioaktive Astat (At) - das seltenste natürliche Element auf der Erde. Sie können daher durch die Aufnahme eines weiteren Elektrons die Edelgaskonfiguration erreichen. Die Eigenschaften innerhalb der Gruppe sind sehr ähnlich.

Alle Halogene weisen eine starke Elektronegativität auf und sind gute Oxidationsmittel, wobei Fluor das elektronegativste Element im Periodensystem und damit auch das stärkste Oxidationsmittel ist.



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Was sind Halogenid-Ionen?

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Die Halogene sind sehr reaktionsfreudig und nehmen leicht ein Elektron auf, wobei sie einfach negativ geladene Anionen bilden. Diese Ionen werden Halogenid-Ionen (Fluorid, Chlorid, etc.) genannt. Während Fluor nicht oxidiert werden kann, können Chlor, Brom und Iod in Verbindung mit einem elektronegativeren Element wie z.B. dem Sauerstoff auch noch die Oxidationsstufen+1, +3, +5 und + 7 erreichen. Ein Beispiel ist das Perchlorat-Ion ClO− bei dem Chlor die Oxidationsstufe +VII hat.


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Worin unterscheidet sich Aspertat von den übrigen Halogenen?

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Die Elektronegativität der Elemente nimmt innerhalb der Gruppe mit steigender Ordnungszahl ab. Dies ist ein allgemeines Prinzip, das für alle Gruppen des Periodensystems gültig ist. Aus diesem Grund haben die schweren Elemente innerhalb einer Gruppe oft metallischen Charakter, während die leichteren Elemente derselben Gruppe Nichtmetalle sind. Im Fall der Halogene sind sämtliche Elemente vom Fluor bis zum Iod Nichtmetalle, während das radioaktive Astat bereits metallischen Charakter besitzt.


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Wie viele Elemente kommen natürlich auf der Erde vor?

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Etwa 90 Elemente kommen natürlich auf der Erde vor und bilden so die Grundlage sämtlicher chemischer Verbindungen. Von diesen wiederum bilden nur einige wenige Elemente den überwiegenden Anteil unserer Erdoberfläche und Atmosphäre, also den uns zugänglichen Teil der Erde. Von diesen wiederum sind nur einige in größeren Mengen in Biomolekülen zu finden. In diesem Kapitel werden die wichtigsten vorgestellt, wobei für die Funktionalität von Organismen auch andere Elemente, zum Beispiel „Spurenelemente“ vorhanden sein müssen.


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Q:

Wasserstoff: Nenne Ordnungszahl, Atomgewicht und Isotope

A:

Das chemische Symbol für das Element Wasserstoff ist H (hydrargenium (gr.): Wasserbildner; lat. hydrogenium). Die Ordnungszahl Z ist 1 und sein Atomgewicht beträgt 1,01 atomare Massenein- heiten (u). Damit ist Wasserstoff das leichteste aller Elemente. Insgesamt gibt es drei Isotope.
Im Fall von Wasserstoff wurden sie ausnahmsweise mit einem eigenen Namen versehen:

 1H (Protium, bestehend aus einem Elektron e- und einem Proton p+),

 2H (D für Deuterium, schwerer Wasserstoff, ein zusätzliches Neutron n) und

3H (T für Tritium, superschwerer Wasserstoff, zusätzlich zwei Neutronen n).


Der Wasserstoff steht zwar im Periodensystem in der ersten Gruppe, nimmt aber unter allen Elementen eine Sonderstellung ein.



Q:

Beschreibe Tritium.

A:

Der Tritiumkern ist nicht stabil und wandelt sich in einem radioaktiven β-Zerfall in 3He um.


Q:

Was passiert wenn Wasserstoff ein Elektron aufnimmt/abgibt?

A:

Der Atomkern besitzt ein Proton, und die Elektronenhülle (das 1s-Orbital) ist mit einem Elektron besetzt. Nimmt der Wasserstoff ein Elektron auf, nimmt er die Edelgaskonfiguration des He ein, bei der Abgabe eines Elektrons bleibt ein isoliertes Proton als H+-Ion übrig. Dieses kann allerdings nicht frei existieren, sondern lagert sich z.B. an Lösungsmittelmoleküle wie H2O an.


Q:

Warum unterscheidet sich Wasserstoff von den ander Elementen in der 1.Hauptgruppe?

A:

Im Vergleich zu den anderen s1-Elementen, also den Alkalimetallen bzw. der 1. Hauptgruppe im Periodensystem, besitzt Wasserstoff eine doppelt so große Ionisierungsenergie und ist ein Nichtmetall. Er kann eine kovalente Bindung eingehen.


Q:

Welches ist das häufigste Element im Weltall?

A:

Wasserstoff bildet mit Abstand den größten Anteil der Gesamtmasse unseres Kosmos und ist somit das häufigste Element im Weltall.


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Q:

Wie kommt Wasserstoff elementar vor und für was kann es verwendet werden?

A:

Elementar kommt er als H2-Molekül vor, bei dem zwei Atome Wasserstoff durch eine kovalente Einfachbindung verbunden sind. Wasserstoff ist ein Gas, das aufgrund seiner geringen Molekular- masse von nur 2,02 g · mol−1 eine extrem geringe Dichte hat. Es ist wesentlich leichter als Luft und kann daher verwendet werden, um Ballons und Luftschiffen Auftrieb zu verleihen. Das birgt allerdings ein enormes Gefahrenpotential, da Wasserstoff im Gemisch mit Sauerstoff explosionsartig zu Wasser reagiert.

O2+2H2 ⇄2H2O

Diese sogenannte Knallgasreaktion kann bei etwa 400°C gezündet werden und setzt mit
-242 kJ · mol−1sehr viel Energie frei. 1937 führte diese Reaktion zur Explosion und dem katastroph- alen Absturz des Luftschiffs Hindenburg. Heutzutage wird zur Erzeugung von Auftrieb nur das ungefährliche Helium verwendet.


Q:

Wie kommt Wasserstoff auf der Erde vor?

A:

Auf der Erde kommt Wasserstoff vor allem gebunden vor und ist viel seltener als im Weltall. Der größte Anteil von Wasserstoff ist in Wasser (H2O) bzw. in Form von OH−-Ionen in Mineralien gebunden. Aber auch Erdgas (z.B. Methan CH4) und Erdöl enthalten Wasserstoff. Aufgrund der geringen Elektronegativität und der geringen Affinität Elektronen aufzunehmen, hat Wasserstoff in den meisten Verbindungen die Oxidationsstufe +1 (z.B. in Wasser H2O und Ammoniak NH3). Mit stark elektropositiven Metallen bildet Wasserstoff Metallhydride.


Q:

Wo findet Wasserstoff Verwendung?

A:

Wasserstoff hat viele Anwendungen in der Industrie und ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung z.B. für die Ammoniaksynthese, Raffinerieprozesse und für die Methanolsynthese. Weitere Anwendungsgebiete sind unter anderem die Verwendung bei Hydrierungen (z.B. Fetthärtung) und als Verbrennungsgas, mit welchem besonders hohe Temperaturen erreicht werden können (z.B. beim Schweißen).

Aufgrund seiner hohen Energiedichte ist der Wasserstoff ein bedeutender Energieträger. Wasserstoff kann mit Sauerstoff verbrannt werden oder in sogenannten Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden. In beiden Fällen ist das Reaktionsprodukt Wasser. Damit wird bei der Energieerzeugung kein klimaschädliches Treibhausgas freigesetzt, was ein großer Vorteil gegenüber fossilen Energieträgern wie Erdöl oder Kohle ist, bei deren Verbrennung das Treibhausgas CO2 freigesetzt wird. Dies gilt allerdings nur wenn der Wasserstoff über erneuerbare Primärenergiequellen erzeugt wurde.


Q:

Beschreibe die grundlegenden Eigenschaften der Halogene.

A:

Die Elemente der 7. Hauptgruppe (Gruppe 17 des Periodensystems) nennt man die Halogene (hals, (griech.) Salz; gennáo (griech.) erzeugen = Salzbildner). Dazu gehören Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br), Iod (I) und das radioaktive Astat (At) - das seltenste natürliche Element auf der Erde. Sie können daher durch die Aufnahme eines weiteren Elektrons die Edelgaskonfiguration erreichen. Die Eigenschaften innerhalb der Gruppe sind sehr ähnlich.

Alle Halogene weisen eine starke Elektronegativität auf und sind gute Oxidationsmittel, wobei Fluor das elektronegativste Element im Periodensystem und damit auch das stärkste Oxidationsmittel ist.



Q:

Was sind Halogenid-Ionen?

A:

Die Halogene sind sehr reaktionsfreudig und nehmen leicht ein Elektron auf, wobei sie einfach negativ geladene Anionen bilden. Diese Ionen werden Halogenid-Ionen (Fluorid, Chlorid, etc.) genannt. Während Fluor nicht oxidiert werden kann, können Chlor, Brom und Iod in Verbindung mit einem elektronegativeren Element wie z.B. dem Sauerstoff auch noch die Oxidationsstufen+1, +3, +5 und + 7 erreichen. Ein Beispiel ist das Perchlorat-Ion ClO− bei dem Chlor die Oxidationsstufe +VII hat.


Q:

Worin unterscheidet sich Aspertat von den übrigen Halogenen?

A:

Die Elektronegativität der Elemente nimmt innerhalb der Gruppe mit steigender Ordnungszahl ab. Dies ist ein allgemeines Prinzip, das für alle Gruppen des Periodensystems gültig ist. Aus diesem Grund haben die schweren Elemente innerhalb einer Gruppe oft metallischen Charakter, während die leichteren Elemente derselben Gruppe Nichtmetalle sind. Im Fall der Halogene sind sämtliche Elemente vom Fluor bis zum Iod Nichtmetalle, während das radioaktive Astat bereits metallischen Charakter besitzt.


Q:

Wie viele Elemente kommen natürlich auf der Erde vor?

A:

Etwa 90 Elemente kommen natürlich auf der Erde vor und bilden so die Grundlage sämtlicher chemischer Verbindungen. Von diesen wiederum bilden nur einige wenige Elemente den überwiegenden Anteil unserer Erdoberfläche und Atmosphäre, also den uns zugänglichen Teil der Erde. Von diesen wiederum sind nur einige in größeren Mengen in Biomolekülen zu finden. In diesem Kapitel werden die wichtigsten vorgestellt, wobei für die Funktionalität von Organismen auch andere Elemente, zum Beispiel „Spurenelemente“ vorhanden sein müssen.


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