Grundlagen der Chemie

Das ist dein Starterpack für die Chemie im Abitur! Hier findest du alles Wichtige auf einen Blick, von Atommodellen bis zu organischen Verbindungen. Die Konzepte bauen logisch aufeinander auf.

Atommodelle - Vom Kern zur Elektronenhülle

Das Rutherford'sche Atommodell zeigt dir den Grundaufbau: Ein winzig kleiner, positiv geladener Atomkern (nur 10⁻¹⁴ m groß) sitzt im Zentrum. Um ihn herum bewegen sich Elektronen in einer 10.000-mal größeren Atomhülle (10⁻¹⁰ m).

Niels Bohr entwickelte das Schalenmodell weiter. Die Elektronen kreisen nicht wild umher, sondern bewegen sich auf festen Energieniveaus - den K-, L-, M-Schalen. Je näher zum Kern, desto weniger Energie haben die Elektronen.

Die K-Schale ist dem Kern am nächsten und hat das niedrigste Energieniveau. Die äußerste Schale bestimmt die chemischen Eigenschaften des Atoms - sie ist für Reaktionen entscheidend.

Merktipp: Stell dir die Schalen wie Stockwerke vor - je höher, desto mehr Energie!

Bindungsarten - Wie Atome zusammenhalten

Ionenbindung entsteht, wenn Atome Elektronen komplett abgeben oder aufnehmen. Natriumchlorid (NaCl) ist das perfekte Beispiel: Na⁺-Ionen und Cl⁻-Ionen ziehen sich durch elektrostatische Kräfte an und bilden ein Ionengitter.

Bei der Elektronenpaarbindung teilen sich Atome Elektronen, anstatt sie abzugeben. So entstehen Moleküle wie Wasser (H₂O) oder Methan (CH₄). Die Atome "kooperieren", um die stabile Edelgaskonfiguration zu erreichen.

Metallbindung funktioniert anders: Die Metallatome geben ihre äußeren Elektronen ab und bilden ein "Elektronenmeer". Diese frei beweglichen Elektronen halten die positiven Ionen zusammen und machen Metalle leitfähig.

Praxistipp: Ionenbindung = Geben/Nehmen, Elektronenpaarbindung = Teilen, Metallbindung = Elektronenmeer

Zwischenmolekulare Kräfte - Die schwächeren Geschwister

Dipol-Dipol-Kräfte wirken zwischen Molekülen mit permanenten Ladungsunterschieden. Der positive Teil eines Moleküls zieht den negativen Teil eines anderen an - wie kleine Magnete.

Van-der-Waals-Kräfte sind die schwächsten Kräfte. Sie entstehen durch kurzzeitige Elektronenbewegungen, die temporäre Dipole erzeugen. Selbst unpolare Moleküle können sich so anziehen.

Wasserstoffbrücken sind besonders stark. Sie bilden sich zwischen Wasserstoff und stark elektronegativen Atomen wie Sauerstoff oder Stickstoff. Deshalb hat Wasser so ungewöhnliche Eigenschaften!

Ion-Dipol-Kräfte treten auf, wenn Ionen auf polare Moleküle treffen - wichtig beim Lösen von Salz in Wasser.

Eselsbrücke: Wasserstoffbrücken sind wie starke Freundschaften - selektiv aber sehr stabil!

Stöchiometrie und Nachweise - Rechnen und Beweisen

Stöchiometrisches Rechnen läuft immer nach dem gleichen Schema ab: Reaktionsgleichung aufstellen, Stoffmengen berechnen $n = m/M$, Verhältnisse vergleichen, gesuchte Werte ermitteln. Die wichtigste Formel ist n = m/M.

Für Nachweisreaktionen musst du drei Klassiker kennen: Wasser macht weißes Kupfersulfat blau. Sauerstoff lässt einen glimmenden Holzspan wieder aufflammen. Wasserstoff knallt in der Knallgasprobe.

Das EPA-Modell (Elektronenpaarabstoßungsmodell) erklärt Molekülformen. Elektronen stoßen sich ab und nehmen den größtmöglichen Abstand zueinander ein - deshalb haben Moleküle bestimmte räumliche Strukturen.

Lerntipp: Übe stöchiometrische Rechnungen mit konkreten Beispielen - das Schema wird schnell zur Routine!

Gaschromatographie - Gemische entschlüsseln

Gaschromatographie ist wie ein molekularer Fingerabdruck-Scanner. Das Verfahren trennt verdampfbare Stoffgemische durch eine mobile Gasphase (meist Helium oder Stickstoff), die durch eine Trennsäule fließt.

Das Prinzip basiert auf unterschiedlicher Verteilung zwischen stationärer und mobiler Phase. Jeder Stoff hat eine charakteristische Retentionszeit - die Zeit, die er braucht, um durch die Säule zu wandern.

Das Chromatogramm zeigt Peaks für jeden Stoff. Durch Vergleich mit bekannten Referenzen kannst du Stoffe identifizieren und über die Peakflächen sogar Mengenanteile bestimmen.

Konstante Bedingungen (Temperatur, Druck, Gasfluss) sind entscheidend für reproduzierbare Ergebnisse.

Anwendung: Forensik nutzt Gaschromatographie zur Analyse von Drogen, Sprengstoffen oder Brandbeschleunigern!

Organische Stoffklassen - Der große Überblick

Alkane (CₙH₂ₙ₊₂) sind die Grundbausteine mit Endung "-an". Alkene haben Doppelbindungen $Endung "-en"$ und Alkine Dreifachbindungen $Endung "-in"$. Alle drei zeigen hauptsächlich Van-der-Waals-Kräfte.

Alkohole $-ol$ und Alkansäuren $-säure$ können Wasserstoffbrücken bilden - deshalb sind sie oft wasserlöslich und haben höhere Siedepunkte. Die Hydroxyl- bzw. Carboxylgruppe macht den Unterschied.

Aldehyde $-al$ und Ketone $-on$ enthalten die Carbonylgruppe und zeigen Dipol-Dipol-Kräfte. Aldehyde lassen sich mit der Fehling-Reaktion nachweisen.

Ester und Ether sind Sauerstoffverbindungen mit charakteristischen Eigenschaften. Benzol ist der Grundkörper der Aromaten mit delokalisierten Elektronen.

Merkhilfe: Die funktionelle Gruppe bestimmt Name, Eigenschaften und zwischenmolekulare Kräfte!

Erdöl und Erdgas - Fossile Rohstoffe

Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan (CH₄) mit über 90% Anteil. Dazu kommen geringe Mengen Ethan, Propan und Butan. Es ist leichter als Luft und brennt sauber.

Erdöl ist ein komplexes Gemisch aus Kohlenwasserstoffen. Die Hauptbestandteile sind Alkane (Paraffine), aber auch Alkene und Aromaten wie Benzol sind enthalten. Schwefel-, Stickstoff- und Sauerstoffverbindungen kommen als Nebenbestandteile vor.

Die Zusammensetzung variiert je nach Lagerstätte und geologischer Formation. Durch Raffination entstehen verschiedene Produkte: Benzin, Diesel, Heizöl, Schmierstoffe und Petrochemikalien.

Beide Rohstoffe sind entstanden aus organischem Material unter hohem Druck und hohen Temperaturen über Millionen von Jahren.

Faktencheck: Deutschland importiert über 95% seines Erdöls - Recycling und alternative Energien werden immer wichtiger!

Erdölverarbeitung - Von Rohöl zu Produkten

Fraktionierte Destillation trennt Rohöl nach Siedepunkten. Im Destillationsturm steigen leichte Komponenten nach oben (Erdgas bei 20°C), schwere bleiben unten (Bitumen über 400°C). Dazwischen liegen Benzin, Kerosin und Diesel.

Cracken spaltet große Moleküle in kleinere auf. Thermisches Cracken nutzt hohe Temperaturen $500-900°C$ und Druck. Katalytisches Cracken arbeitet bei niedrigeren Temperaturen $450-550°C$ mit Katalysatoren.

Das Ziel ist die Herstellung leichter Kohlenwasserstoffe wie Benzin und Diesel aus schweren Ölfraktionen. Katalytisches Cracken ist selektiver und energiesparender.

Der kontinuierliche Prozess erzeugt verschiedene Fraktionen mit spezifischen Siedebereichen. Jede Fraktion hat unterschiedliche Anwendungen in Industrie und Alltag.

Umweltaspekt: Moderne Raffinerien arbeiten an effizienteren Verfahren, um weniger Energie zu verbrauchen!

Nomenklatur und Isomerie - Namen und Strukturen

Bei der Nomenklatur bestimmt die funktionelle Gruppe die Endung $z.B. -en für Doppelbindungen$. Die längste Kohlenstoffkette mit der funktionellen Gruppe wird zur Hauptkette. Seitenketten bekommen die Endung "-yl".

Die Schritte: Hauptkette finden, durchnummerieren, Seitenketten alphabetisch ordnen, gleiche mit Di-, Tri-, Tetra- zusammenfassen. So entstehen systematische Namen wie 2-Methylpropan.

Isomere haben gleiche Summenformel, aber unterschiedliche Strukturen. Beispiel C₄H₁₀: Butan (gerade Kette) und 2-Methylpropan (verzweigt).

Cis-trans-Isomerie tritt bei Doppelbindungen auf. Cis bedeutet gleiche Seite, trans gegenüberliegende Seite der Substituenten. Diese räumlichen Unterschiede können völlig verschiedene Eigenschaften bewirken.

Prüfungstipp: Zeichne dir Strukturformeln auf - so siehst du Isomere sofort!