Lernzettel 6 zu Redoxreaktionen, OC - guennet.de

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Redoxreaktion / Redoxreihe der Metalle
Was versteht man unter einer Oxidation?
Lernzettel zu Redoxrekationen, OC
Unter einer Oxidation versteht man Elektronenabgabe. Diese findet an der Anode der
galvanischen Zelle statt. Bei der Oxidation wird die Oxidationszahl des jeweiligen Stoffes erhöht.
Was versteht man unter einer Reduktion?
Unter einer Reduktion versteht man Elektronenaufnahme. Diese findet an der Kathode der
galvanischen Zelle statt. Bei der Reduktion wird die Oxidationszahl verringert.
Was versteht man folglich unter einer Redoxreaktion?
Unter einer Redoxreaktion versteht man eine Elektronenübertragungsreaktion, bei der sowohl
oxidiert, wie auch reduziert wird.
Stöchiometrie in einer Redoxreaktion
- Für eine Galvanische Zelle ist es wichtig zu wissen, was eine Redoxreaktion ist und wie sie
ausgeglichen werden kann.
- Bsp: Gleichen Sie folgende Reaktionsgleichung aus.
H 3 O + + MnO − 4 + Fe 2+ → Mn 2+ + Fe 3+
o Bei Befolgung der Oxidationszahlregeln muss man zuerst die OZ verteilen um auf die
Reduzierten, bzw. Oxidierten Elemente zu schließen:
o
+I −II +VII −II +II +II
+ + →
H 3 O + MnO − 4 Fe 2+ Mn 2+
REDUKTION Mn
+III
+ Fe 3+
OXIDATION Fe
o Das Mangan wird reduziert, weil es Elektronen aufnimmt, was man an der
Verminderung der Oxidationszahl sehen kann
o Das Eisen wurde oxidiert, weil es Elektronen abgibt und somit eine kleinere OZ erhält.
- Nun schreibt man die Reduktionsgleichung und Oxidationsgleichung in s.g. Halbreaktionen
ab:
o Oxidation: Fe 2+ → Fe 3+
o Reduktion: MnO − 4 → Mn 2+
- Wie man feststellt, sind die Reaktionsgleichungen nicht ausgeglichen. Allgemein kann man
folgende Regeln verwenden:
o Die Elemente auf beiden Seiten ausgleichen (abgesehen von O und H), wenn nötig mit
Koeffizienten
o Jedes O mit einem H 2 O auf der anderen Seite ausgleichen
o Nun die Zahl vor dem H 2 O mit 2 multiplizieren, und dementsprechend Hydronium-
Ionen (H 3 O + ) auf der anderen Seite hinzufügen.
©Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther
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o Die Zahl, die nun vor den Hydronium-Ionen stehen, addiert man nun noch zu den
Wasser-Molekülen
o Nun nur noch die Elektronen ausgleichen
- Somit ergibt sich:
o Oxidation: Fe 2+ → Fe 3+ + e −
o Reduktion: MnO − 4 + 8H 3 O + + 5e − → Mn 2+ + 12H 2 O
- Nun muss man nur noch die Elektronen in beiden Gleichungen gleichstellen, indem man die
obere Gleichung mit 5 multipliziert. Man erhält:
o Oxidation: 5Fe 2+ → 5Fe 3+ + 5e −
o Reduktion: MnO − 4 + 8H 3 O + + 5e − → Mn 2+ + 12H 2 O
- Nun kann man die Reaktionen in einer Redoxreaktion aufschreiben und erhält:
o 5Fe 2+ + MnO − 4 + 8H 3 O + + 5e − → 5Fe 3+ + 5e − + Mn 2+ + 12H 2 O
o Die 5 Elektronen auf beiden Seiten lassen sich wegkürzen und man erhält als
Endergebnis:
o 5Fe 2+ + MnO − 4 + 8H 3 O + → 5Fe 3+ + Mn 2+ + 12H 2 O
Standardpotentiale / rechnen mit Standardpotentialen
Aufbau und Funktion der Standard-Wasserstoff-Halbzelle
- Das Potential einer Wasserstoff-Halbzelle ist definitionsgemäß 0.
- Ein Platinblech taucht man in eine saure Lösung mit einer Hydronium-Ionen von 1 mol*l -1 .
Das Blech wird nun unter STP mit Wasserstoff umspült. Die Platin-Elektrode hat die
Eigenschaft, Wasserstoff an ihrer Oberfläche zu adsorbieren, was sie auch tut. Die
Platinelektrode wird nun versuchen, ein elektrochemisches Equilibrium (Gleichgewicht)
zwischen adsorbierten Wasserstoff-Molekülen und hydratisierten Wasserstoff-Ionen
herzustellen.
- Der Elektronenaustausch findet an der Elektronenoberfläche statt, wodurch die Platin-
Elektrode ein bestimmtes Potential erhält
- Somit gilt für die allgemeine Bestimmung von Standard-Elektronenpotentialen die Redox-
Schreibweise: (Donator//Akzeptor)
Me /Me z+ (c = 1 Mol L )//H+ (c = 1 Mol L )/H 2
- Somit ist die Wasserstoff-Halbzelle die Akzeptorzelle.
Wie werden Elektrodenpotentiale gemessen?
- Um die Standardelektrodenpotentiale eines Stoffes zu messen, muss man einen international
anerkannten Vergleichswert haben. Man hat sich dazu entschlossen die Standard Hydrogen
Elektrode (SHE) auch Wasserstoffelektrode als 0-Zelle anzuerkennen. Die Wasserstoff-Platin-
Zelle hat die kleinste messbare Spannung und man hat deshalb diese Elektrode als
Standardvergleichselektrode benützt.
- Man hat die Elektrodenpotentiale als Tabelle in einer s.g. Spannungsreihe aufgeführt. Je
negativer das Element ist, desto lieber will das Element seine Elektronen abgeben (Bsp:
Lithium mit -3.04 V ist ein sehr gutes Reduktionsmittel, weil es gerne die Elektronen abgibt
und somit selbst Oxidiert wird.)
©Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther
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- Je größer der Wert ist, desto lieber will ein Stoff Elektronen aufnehmen und dient somit als
Oxidationsmittel
- Aus diesem „Verlangen“ zweier Stoffe, Elektronen abzugeben und aufzunehmen lässt sich
das Elektrodenpotential bestimmen.
- Beispiel zur Errechnung der Redoxpotentiale:
o Zink-Lithium-Halbzelle.
o 1. Aufschreiben und feststellen der Elektrodenpotentiale:
• Zink: Zn 2+ + 2e − ↔ Zn | − 0,76V
• Lithium: Li + + e − ↔ Li | − 3,04V
• Lithium ist der Donator; Zink der Akzeptor
o 2. Aufschreiben der beiden Stoffe in Donator // Akzeptor Schreibweise
• Li /Li + //Zn 2+ /Zn
o 3. Aufschreiben der daraus zu schließenden Reaktionen und ausgleichen der e - :
• Oxidaion: 2Li ↔ 2Li + + 2e − | − 3,04V
• Reduktion: Zn 2+ + 2e − ↔ Zn | − 0,76V
• Redox: : 2Li+Zn 2+ ↔ 2Li + + Zn
o 4. Berechnung des Redoxpotentials mit:
• ∆E° = E° AKZEPTOR − E° DONATOR
• ∆E° = E° Zink − E° Litium
• ∆E° = −0,76V − −3,04V
• ∆E° = 2,28 V
- Der errechnete Wert ist als Spannung über ein Voltmeter zu messen
Galvanische Zelle
Was ist eine Galvanische Zelle?
- Eine Galvanische Zelle ist ein Gerät, das aus chemischer Energie elektrische Energie formen
kann.
- In der Zelle findet eine spontane Reaktion statt, die einen Elektronenaustausch mit sich zieht.
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Wie ist eine Galvanische Zelle aufgebaut?
Diaphragma
- Es muss unbedingt beachtet werden, dass die beiden Elektronen in einer Elektrolyt-Lösung
stehen.
Welche Reaktion läuft in einer Galvanischen Zelle ab?
- Allgemein lässt sich sagen, dass die Galvanische Zelle auf einer Redox-Reaktion beruht. Eine
Redox-Reaktion ist eine Reaktion bei der sowohl oxidiert, wie auch reduziert wird.
- Oxidieren heißt Elektronenabgabe und findet an der Anode statt; Erhöhung der
Oxidationszahl
- Reduzieren heißt Elektronenaufnahme und findet an der Kathode statt; Verminderung der
Oxidationszahl
- Oxidationsmittel: Die Substanz, die Elektronen aufnimmt selbst reduziert wird
- Reduktionsmittel: Eine Substanz, dass das Potential hat, eine andere Substanz zu reduzieren
und wird somit selbst oxidiert
- Bestimmung der reduzierten und oxidierten Elemente mit Hilfe der Oxidationszahlen.
Was ist eine elektrochemische Doppelschicht
- Eine Ladungsschicht, die sich zwischen Elektrode und Elektrolyt bildet.
- An der äußeren Schicht des Metalls befinden sich Elektronen, die frei werden, wenn sich
positive Metall-Ionen ablösen
- Gleichzeitig werden diese positiven Ionen und die anderen positiven Teilchen der Elektrolyt-
Lösung wieder von den Elektronen angezogen, sodass sie sich an der Grenze zum Metall
anlagern
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- Ist die elektrochemische Doppelschicht dick genug, können sich keine Metall-Ionen mehr
lösen und die Reaktion stoppt
Wie hängen Redoxreaktionen mit Galvanischen Zellen zusammen?
- In einer Galvanischen Zelle finden an den Elektroden auch Reduktion und Oxidation statt.
- An der Anode wird Oxidiert, also Elektronen abgegeben. Deshalb wird diese Elektrode auch
häufig als Minuspol bezeichnet. Bei diesem Prozess wollen die Atome der Anode Ionen
bilden und lösen sich somit in der Elektrolyt-Lösung und geben ihre Elektronen durch die
Anode ab.
- Dieses passiert auch nur, weil die Ionen in der Elektrolyt-Lösung auf der Kathoden-Seite sich
gerne zu ihrem elementaren Zustand begeben wollen und somit Elektronen benötigen um
dies zu erreichen. Diese Elektronen bekommen sie von der Anode. Aus diesem Grunde
findet an der Kathode Reduktion statt, also Elektronenaufnahme!
- Da die beiden Elektroden durch z.B. ein Kabel verbunden sind, kann man ein Messgerät
einbinden. Beim Einbau eines Spannungsmessgerätes kann man das Potential dieser Zelle
messen.
- Als Potential versteht man zwischen den Elektroden der beiden Halbzellen einer Galvanische
Zelle die Potentialdifferenz, also eine messbare Spannung. [Es drückt also vereinfacht nichts
anderes aus, als das Verlangen eines Stoffes dem anderen Stoff gegenüber Elektronen
abzugeben oder aufzunehmen]
Konzentrationszellen
1. Die Nernst-Gleichung
- Mit Hilfe der Nernst-Gleichung kann man das Standard-Potential eines Daniell-Elements
(Zn/Zn 2+ //CU 2+ /Cu) ausrechnen, wobei bei beiden Halbzellen das gleiche Elektrodenmaterial
und die gleiche Metallsalzlösung benützt; mit dem Unterschied, dass eine der beiden
Salzlösungen weniger konzentriert ist.
- Die Nernst-Gleichung lautet:
o U = E Me 0,059V c Me z+
Me z+
+ ∗ log
z
1 Mol , wobei z die Anzahl der Ionenladung darstellt.
L
o Als Kurzform: 0,059V c(Oxidations albzel le)
∗ log
z c(Reduktions albzelle )
2. Die Konzentrationszelle
- Unter der Konzentrationszelle versteht man eine galvanische Zelle, die auf zwei gleichen
Halbzellen beruht, mit dem einzigen Unterschied, dass die Konzentration des Elektrolyten in
einer der beiden Halbzellen geringer ist als die Konzentration der anderen
- Die Elektroden bestehen aus dem selben Material und die Elektrolytlösungen sind identisch
im Hinblick auf die Ionenart
- Da die beiden Halbzellen ihre Konzentration ausgleichen wollen, entsteht eine messbare
Spannung
- Unter einer Konzentrationszelle versteht man aber auch, wenn man die Elektrode eine
Lösung mit Ionen der Elektrode gibt (Bsp: Cu-Elektrode mit Cu-Lösung und Zn-Elektrode mit
Zn-Lösung)
- Da sich beim Stromfluss die Konzentrationen ausgleichen, werden sich in der Halbzelle mit
der geringeren Elektrolytkonzentration die Atome der Elektrode lösen. Dabei verlieren diese
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Elektronen, werden also Oxidiert und die Elektrode in der geringeren Konzentration wird
somit zur Anode
- Die Elektrode in der höheren Konzentration wird zur Kathode, da an dieser reduziert wird
Anwendung in der Technik (galvanische Zellen)
a) Brennstoffzelle
Entladung
Oxidation: 2H 2 + 4H 2 0 → H 3 O + + 4e −
Reduktion: O 2 + 4H 3 O + + 4e − → 6H 2 0
Redoxreaktion: : 2H 2 + O 2
Vorteile:
- Leicht
- Effizient
- Zuverlässig
- Leise
- Gute Luftqualität
Nachteile:
Entladung
→
← 2 H 2 O
Aufladung
- Hohe Kosten
- Geringe Reichweite bei Autos mit Brennstoffzellenmotor
Anwendungsgebiet:
- Raumfahrt
- Autos
- Stationärer Betrieb
- Häufig mit Photovoltaik-Zellen gekoppelt
b) Zink-Luft-Batterie
Entladung
Oxidation: Zn → Zn 2+ + 2e −
Reduktion: : O 2 + 2 H 2 O + 4e − → 4OH −
Redoxreaktion: Zn + O 2 + 2 H 2 O
Vorteile:
- Preiswert
- Umweltfreundlich
- Geringe Selbstentladung
- Gute Lagerbarkeit
Nachteile:
Entladung
→ 2 Zn(OH) 2
- Zink ist selten in der Natur relativ teuer
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Anwendungsgebiet:
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- Hörgeräte
- Taschenrechner
- Digitaluhren
- Weidezäune
- Baustellenbeleuchtungen
c) Alkali-Mangan-Batterie
Entladung
Oxidation: Zn → Zn 2+ + 2e −
Reduktion: 2MnO 2 + 2H + + 2e − → 2MnOOH
Redoxreaktion: : Zn + 2MnO 2 + 2H +
Entladung
→ Zn 2+ + 2MnOOH
Vorteile:
- Spannungsrehabilisierung nach gewisser Ruhephase
Nachteile:
- großer Spannungsabfall innerhalb von kurzer Zeit
- Es kann zur Tiefenentladung kommen
Anwendungsgebiete:
- MP3-Player
- Digitalkameras
- Fernbedienung
- Taschenrechner
Was versteht man unter einem Akkumulator?
Ein Akkumulator ist ein elektrochemisches System, welches das Prinzip der galvanischen Zelle zur
Energiegewinnung und das der Elektrolyse zum Wiederaufladen verwendet. Die chemischen
Reaktionen sind also reversibel.
1. Welche Vorgänge spielen sich beim Ladevorgang, welche beim Entladevorgang des Blei-
Akkumulators ab?
Im geladenen Zustand besteht der positive Pol aus Blei(IV) Oxid PbO 2 und der negative Pol aus Blei
Pb. Als Elektrolyt-Lösung wird eine 20-40%ige, Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) verwendet.
Bei der Entladung läuft folgende Reaktion ab:
Pluspol: PbO 2 + SO 4 2− + 4H 3 O + + 2e − → PbSO 4 + 6H 2 O
Minuspol: Pb + SO 4 2− → PbSO 4 + 2e −
Gesamtreaktion: Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 → 2PbSO 4 + 2H 2 O
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Es sei zu beachten, dass im entladenen Zustand beide Pole aus PbSO 4 bestehen.
Bei der Aufladung sind die obigen Gleichungen umzudrehen:
Gesamtreaktion: 2PbSO 4 + 2H 2 O → Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4
Dabei sei zu beachten, dass man beim Aufladen eine Spannung anlegen muss,
entgegengesetzt der Stromflussrichtung bei der galvanischen Zelle.
2. Die drei untersuchten Akkumulatoren:
Nickel-Cadmium-Akkumulator
Entladung:
Oxidation: Cd + 2OH − → Cd(OH) 2 + 2e −
Reduktion: 2NiO OH + 2H 2 O + 2e − → 2Ni(OH) 2 + 2OH −
Redoxreaktion: 2NiO OH + 2H 2 O + Cd
Entladung
→
← Cd(OH) 2 + 2Ni(OH) 2 + 2OH −
Aufladung
Vorteile
- Besonders belastbar und betriebssicher
- Können hohe Ströme aufgrund des
geringen Innenwiderstandes liefern
Nachteile
- Nickel gilt als allergieauslösend
- Cadmium ist giftig und in der EU
verboten
- Großer Memory Effekt
- Kann bei Überhitzung / Überladung
gasen
Anwendungsgebiete:
- Modellbau, Mobiltelefone, Camcorder, USV
Reaktionsgleichung bei der Gasung:
Bei der Überladung eines NiCd-Akkus kommt es zur Zersetzungsspannung, bei der die Anzihungskräft
zwischen den Elektronen und der Anionen und Kationen im Elektrolyten so groß wird, dass es zur
Zersetzung des Elektrolyten kommt.
Negative Elektrode: 4H 2 O + 4e − → 2H 2 + 4OH −
Positive Elektrode: 4OH − → 2H 2 O + O 2 + 4e −
Gesamtreaktion: 2H 2 O → 2H 2 + O 2
Nickel-Metallhydrid-Akkumulator
Entladung:
Oxidation: 2Me − H + 2OH − → 2Me + 2H 2 O + 2e −
Reduktion: 2NiOOH + 2H 2 O + 2e − → 2Ni(OH) 2 + 2OH −
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Entladung
Redoxreaktion: 2Me − H + 2NiOOH
→
← 2Me + 2Ni(OH) 2
Aufladung
Vorteile
- Lange Lebensdauer
- Schnelladefähig
- Hohe Belastbarkeit
- Umweltfreundlich
Nachteile
- Nickel gilt als allergieauslösend
- Großer Memory-Effekt
- Hohe Selbstentladung (z.B. durch
Nebenreaktionen in den Elektroden;
Kurzschlüsse in den Batterien)
Anwendungsgebiete:
- Hybrid-Autos, Spielzeuge, Kameras, USV
Lithium-Ionen-Akkumulator
Entladung:
Oxidation: Grapit 2− ∗ 2Li + → Grapit + 2Li + + 2e −
Reduktion: MnO 2 + 2Li + + 2e − → Li 2 MnO 2
Redoxreaktion: Grapit 2− ∗ 2Li + + MnO 2
Entladung
→
← Graphit + Li 2 MnO 2
Aufladung
Vorteile
- Hohhe Leistungsdichte
- Sehr hohe Spannung
- Keine giftigen Bestandteile
Nachteile
- Hohe Wärmeentwicklung
- Teuer (Lithium, hermetische
Abkapslung)
- Hohe Selbstentladung (s.o.)
- Schlechte Leistung bei niedriger
Temperatur (Elektrolyt wird starrer)
Anwendungsgebiete:
- Handys, Camcorders, Digitalkameras, Laptops
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Korrosionsschutz und Elektrolyse
1. Was versteht man unter einer Elektrolyse?
Unter der Elektrolyse versteht man das Aufspalten einer chemischen Verbindung mit Hilfe von
elektrischem Strom in ihre Elemente. Die Spannung, die dabei angelegt werden muss ergibt sich aus
dem Redoxpotential der aus den Ausgangsstoffen resultierenden galvanischen Zelle sowie aus einem
Überpotential, welches benötigt wird, um die Elektrolyse zu starten. Bei der Elektrolyse entsteht
auch gleichzeitig ein galvanisches Element, das der Elektrolyse entgegenstrebt: Dieses versteht man
auch als Polarisationsspannung.
Um eine Elektrolyse durchführen zu können, so wird an den – Pol (Anode) der galvanischen Zelle der
Pluspol angelegt und an den + Pol (Kathode) der galvanischen Zelle der Minuspol angelegt. Die Anode
wird somit in der Elektrolyse zur Kathode und die Kathode zur Anode. Das Oxidations-
Reduktionsverständnis ändert sich jedoch nicht. An der Kathode wird nach wie vor reduziert und an
der Anode oxidiert.
2. Was versteht man unter aktiven / passiven Korrosionsschutz?
- Passiver Korrosionsschutz:
o Überzug eines Werkstoffes mit Lack, Gummi etc. aber auch galvanotechnische
Deckschichten (Vergoldung, Versilberung,…)
o Beim passiven Korrosionsschutz muss die das Metall abdichtende material komplett
dicht sein, damit keine Lokalelemente entstehen
- Aktiver Korrosionsschutz:
o Aufbringung von unedleren Schichten auf ein Metall (siehe Opferanode)
o Kathodischer Korrosionsschutz: Fremdstrom dient als Anode, um einen unedleren
Stoff zu „simulieren“. Somit gibt es kein verschleiß material, da die Anode und der
Gegenpol mittels Fremdspannung geschützt werden,
3. Was versteht man unter einer Opferanode
- Eine Opferanode besteht meistens aus einem unedlen Metall, welches oxidiert werden kann.
Sie wird meistens bei Schiffen eingesetzt, da sich das Metall der Schiffshaut nicht auflösen
soll / korrodieren soll, wird ein im Vergleich zum Schiffsmetall unedleres Metall aufgesetzt.
- Nach der elektrochemischen Spannungsreihe muss dieses ein niedrigeres Potential besitzen,
als das der Schiffshaut. Nur dann oxidiert dieses
- Es liegt also ein Lokalelement Opferanode//Schiffmetall vor. Die Opferanode wird also
oxidiert, da dann Elektronen an das Schiffmetall abgegeben werden und gleichzeitig
Opferanodenmaterial in Ionenform in Wasser übergeht. Dadurch können sich keine
Metallionen der Schiffwand lösen und das Schiff bleibt heile *freu*
- Opferanoden sollten beim Schiffbau regelmäßig gewechselt werden.
Energie in der Organischen Chemie
- Berechnung der molaren Standardreaktionsenthalpien aus Tabellendaten
o Allgemein lässt sich die molare Standardreaktionsenthalpie von Reaktionen
folgendermaßen berechnen:
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Reaktionsgleicung: v a AB + v b CD → v c AC + v d BD
∆ R H m ∅ = ∑(∆ R H m ∅ (PRODUKTE)) − ∑(∆ R H m ∅ (EDUKTE))
∆ R H m ∅ = ∆ f H m ∅ v c AC + ∆ f H m ∅ v d BD − [∆ f H m ∅ v a AB + ∆ f H m ∅ v b CD ]
o
o
o
o
Wichtig ist der Satz von Hess: Die Enthalpieänderung eines Gesamtprozesses ist die
Summe der Enthalpieänderung der einzelnen Prozesse. In anderen Worten ist die
Energie die während einer Reaktion absorbiert oder abgegeben wurde unabhängig
von der Anzahl der Reaktionen um das gewünschte Produkt zu erreichen.
Demnach können chemische Reaktionen so manipuliert werden, dass man wie bei
math. Algebra die Standardbildungsenthalpie eines Stoffes ausrechen kann, ohne
diesen erst experimentell erzeugen zu müssen.
Bsp: Es soll die Standardbildungsenthalpie von Pentan errechnet werden.
• C+O 2 CO 2 ∆ R H ∅ m = − 393,5kJ
mol
• H 2 + 1 O 2
2H 2 O ∆ R H ∅ m = − 285,8kJ
mol
• C 5 H 12 + 8 O 2 5 CO 2 + 6H 2 O ∆ R H m ∅ = −
3535 ,6kJ
Um nun die Standardbildungsenthalpie von Pentan zu errechnen dreht man die letzt
Reaktionsgleichung um:
• 5 CO 2 + 6H 2 O C 5 H 12 + 8 O 2 ∆ R H m ∅ = +
mol
3535 ,6kJ
mol
; Die Energie wird positiv!!!
• Außerdem muss man die Teilreaktionsgleichungen ausgleichen, sodass die
Anzahl der CO2 und H2O gleich ist:
• 5C+5O 2 5CO 2 ∆ R H ∅ m = − 393,5kJ
∗ 5
mol
• 6H 2 + 3 O 2 6H 2 O ∆ R H ∅ m = − 285,8kJ
∗ 6
mol
Nun schreibt man alleszusammen auf und kürzt (links und rechts muss gleich
sein); außerdem ausgleichen:
5C+5O 2 +6 H 2 + 3 O 2 +5 CO 2 + 6H 2 O 5CO 2 + 6H 2 O + C 5 H 12 + 8 O 2
Bleibt übrig:
5C + 6H 2 C 5 H 12 ; 5*(− 393,5kJ
mol
)+6*(− 285,8kJ
)+
mol
3535 ,6kJ
mol
=− 145,7,6kJ
mol
(auch hier müssen die jeweiligen Energien mit den Koeffizienten der Reaktion
multipliziert werden)
o
Ist die errechnete Reaktionsenthalpie negativ, so ist die Reaktion exotherm. Ist die
errechnete Reaktionsenthalpie positiv, so ist die Reaktion endotherm.
Nomenklatur
- Homologe Reihe der Alkane, Alkene, Alkine, Alkohole, Aldehyde und Carbonsäuren
o Unter einer homologen Reihe versteht man eine Reihe von Stoffen, die sich durch
eine allgemeine Summenformel darstellen lassen und bei der ein Stoff dieser Reihe
aus dem vorherigen Stoff durch Hinzufügen eines weiteren Kettengliedes gebildet
wird.
o Alkane: C n H 2n+2
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o
o
Lernzettel zu Redoxrekationen, OC
Alkene: Besitzen im Gegensatz zu den Alkanen eine oder mehrere C-C-
Doppelbindungen. Dadurch kommt eine geringere Anzahl an gebundenen
Wasserstoffatomen zustande
Alkine: Besitzen C-C-Dreifachbindungen, sodass pro Bindung 4 Wasserstoffatome
weniger auftreten als bei einem gleich langen Alkan.
Alkohole besitzen eine Hydroxylgruppe (-OH) anstelle eines Wasserstoffes an einem
C-Atom. Endung auf –ol.
o
Aldehyde sind chemische Verbindungen, die als funktionelle Grupp eine
Carbonylgruppe (-CHO) besitzen. Die von den Alkanen abgeleitete Reihe der
Aldehyde bildet die homologe Reihe der Alkanale. Erste Oxidationsstufe primärer
Alkohole. Endung auf –al.
o Ketone beinhalten als funktionelle Gruppe eine Keto-Gruppe (>C=O). Endung auf –
on. Oxidationsprodukt sekundärer Alkohole
o
Carbonsäuren beinhalten die Carboxylgruppe (-COOH). Zweite Oxidationsstufe
primärer Alkohole, erste Oxidationsstufe der Aldehyde. Endung auf –säure.
- Benennung von organischen Verbindungen
o Unter der Nomenklatur von Organischen Elementen versteht man die IUPAC-
Schreibweise zur Nennung organischer Verbindungen, also Kohlen-Wasserstoffe.
o Die Benennung erfolgt für ein Stammsystem sowie für Substituenten
o Prinzipiell wird unterschieden in 3 Gruppen:
o Alkane, Alkene und Alkine
• Alkane: besitzen in der gesamten Kette nur Einfachbindungen zwischen den
Kohlenstoff-Atomen gesättigte Kohlenstoffe, da es nur Einfachbindungen
gibt
• Alkene: besitzen sowohl Doppel- wie auch Einfachbindungen zwischen den
C-Atomen. Wenn es nur eine Doppelbindung ist, handelt es sich schon um
Alkene ungesättigte Kohlenstoffe
• Alkine: besitzen sowohl Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen zwischen
den C-Atomen ungesättigte Kohlenstoffe
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CHEM
o
Lernzettel zu Redoxrekationen, OC
Um eine Benennung eines Kohlenwasserstoffes vorzunehmen geht man im Prinzip
folgendermaßen vor. Wir gehen hier von einem Beispiel aus, um expurgativ zu
benennen:
• Zunächst einmal schaut man, welche Bindungsarten vorkommen und gibt
dem Molekül somit schon mal einen Rahmen. In diesem Beispiel gibt es eine
Dreifachbindung. Es handelt sich also um ein Alkin, hat also die Endung –in.
• Dann zählt man an einer Kohlenwasserstoff-Kette die Anzahl der Kohlenstoff-
Atome. Dabei muss man jedoch beachten, dass immer die längste Kette
gezählt wird und eventuelle Seitenketten später benannt werden. Hier eine
kleine Tabelle für die jeweiligen Namen zu den Atomanzahlen:
Anzahl der Name
Kohlenstoffe
1 Meth-
2 Eth-
3 Prop-
4 But-
5 Pent-
6 Hex-
7 Hept-
8 Oct-
9 Non-
10 Dec-
Bei unserem Beispiel handelt es sich also um eine Kette mit 7 Kohlenstoff-
Atomen. Somit muss es sich schon mal um ein Heptin handeln.
• Nun zählt man die Elektronenbindungen durch:
Dabei zählt man sowohl von links (schwarz), wie auch von rechts die
Elektronenbindungen durch. Für welche Zählart man sich letztendlich
entscheidet, hängt davon ab, dass man am Ende eine möglichst kleine
Summe an Koeffizienten erhalten sollte. In diesem Falle ist es offensichtlich
von rechts zu zählen, da sich bereits die erste Doppelbindung ganz rechts
befindet.
In IUPAC-Schreibweise sieht das dann unter Einbeziehung unserer
Vorherigen Erkenntnisse so aus:
1,3,5-Heptin
Man schreibt also die Stelle der Doppel und Dreifachbindungen mit
Kommata getrennt auf.
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CHEM
Lernzettel zu Redoxrekationen, OC
• Leider wars das noch nicht! Es geht weiter: Wir müssen Doppel- und
Dreifachbindungen getrennt voneinander ausweisen. Das schaut dann so
aus:
Hepta-1,5-di-en-3-in
Dies ist dann der letztendliche Name des Moleküls. Man erkennt:
1. Zuerst kommt die Anzahl der Kohlenstoff-Atome: Hepta
2. Die Stellen der Doppelbindungen, gefolgt durch ein di, da wir zwei
Doppelbindungen haben und ein –en, welches aussagt, dass es sich bei
diesen Beiden Bindeungen um Doppelbindungen handelt.
3. Es folgt die 3 als Stelle der Dreifachbinung, eigentlich gefolgt durch ein
mono (nur einmal vorkommenden Bindungstypen zählt man nicht auf,
deswegen entfällt es) und ein –in, welches signalisiert, dass es sich an
der 3. Bindung um eine Dreifachbindung handelt.
Die Vorsilben für –an, -en und –in, die die Anzahl der Bindungsart angeben
lautet folgendermaßen:
Anzahl der Vorsilbe:
Bindungen
1 Mono-
2 di-
3 Tri-
4 Tetra-
5 Penta-
6 Hexa-
7 Hepta-
8 Octa-
9 nona
o
Hier sind noch einige Beispiele:
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- Oxidation von Alkoholen
o Bei Alkoholen unterscheidet man zusätzlich, wie viele weitere Kohlenstoffatome sich
an den Kohlenstoff-Atom befinden, an dem sich die Hydroxyl-Gruppe befindet.
o
Oxidationskette
n-Alkan
prim. C-Atom
n-Alkan
sek. C-Atom
i-Alkan
tert.C-Atom
1. OXIDATIONSSCHRITT
Primärer Alkohol Sekundärer Alkohol Tertiärer Alkohol
2. OXIDATIONSSCHRITT
Alkanal (Aldehyd)
Alkanol (Keton)
3. OXIDATIONSSCHRITT
Alkansäure (Carbonsäure)
o
Der letzte Schritt kann nicht weiter oxidiert werden.
Weitere funktionelle Gruppen sind:
• Radikale:
• Carbonsäure:
• Carbonsäureester (-carboxylat):
• Amine: (Amino-):
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CHEM
• Ether (-ether):
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• Ester (-ester):
- Zwischenmolekulare Wechselwirkungen und ihre Auswirkungen auf Stoffeigenschaften
o Allgemein lässt sich sagen, dass je höher die molare Masse, desto höher ist die
Elektronendichte und desto höher ist der Siedepunkt
o Je stärker die Bindungskräfte, desto höher der Siedepunkt, da dieser erst
überwunden werden muss
• Es gilt: Dispersionskräfte

CHEM
Reaktionsmechanismen
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- Radikalische Substitution
o Die radikalische Substitution ist die Reaktion von Halogenen mit gesättigten
Kohlenwasserstoffen und sie erfolgt in 3 Schritten:
• Kettenstartreaktion: Ein Halogenmolekül wird homolytisch (Licht, Druck etc)
gespalten in zwei Radikale (Atom mit ungepaartem Elektron)
X 2 → 2X ∙
• Es folgt der Schritt der Kettenreation:
X ∙ +R − H → X − H + R ∙ ; Das Halogenradikal greift die
Kohlenwasserstoffkette R-H an und es entsteht ein Alkylradikal.
Dieses greift nun ein weiteres Halogenmolekül an, spaltet es
chemisch und es bindet sich mit dem entstandenen Halogenatom.
Außerdem entsteht ein weiteres Halogenradikal, welches erneut
einen gesättigten Kohlenwasserstoff angreift und die Kettenreaktion
beginnt erneut
R ∙ +X 2 → R − X + X ∙
• Es folgt letztendlich der Schritt der Kettenabbruchreaktion, die auftritt, wenn
zwei Radikale aufeinander treffen:
R ∙ +X ∙→ R − X oder R ∙ +R ∙→ R − R oder 2 ∗ X ∙→ X 2
- Nukleophile Substitution
o Ein Nukleophil, also ein negatives Teilchen, welches von positiven Atomkernen
angezogen wird, ist Ausgangspunkt von diesem wichtigem Reaktionstypus. Es ist ein
Elektronenpaardonator, also eine Lewis-Base. Bei dieser Reaktion wird ein
Heteroatom vom Typ R-X (X=elektronenanziehendes Heteroatom =kein C,H-Atom)
von diesem Nukleophil ersetzt
- Elektrophile Substitution
o Ein Elektrophil ist ein positiv geladenes Teilchen, welches Elektronen anzieht, also
kationisch (Lewis-Säure). Bei der Elektrophilen Substitution wird ein Atom oder eine
Atomgruppe gegen dieses Teilchen getauscht. Besonders häufig bei der Elektrophilen
aromatischen Substitution, bei der durch frei-delokalisierte Elektronenpaare die
Elektronen für ein Elektrophil relativ leicht zugänglich sind.
- Elektrophile Addition
o Bei diesem Reaktionsmechanismus reagieren ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit
Wasser (Hydratisierung), Halogenen (Halogenierung), etc verbunden.
o Im ersten Schritt wird ein Alken oder Alkin durch die hohe Elektronendichte der
Doppelbindung bzw. Dreifachbindung polarisiert und heterolytisch, also in zwei
meta-Ionen gespalten. Das angreifende Molekül greift deshalb an der Doppelbindung
an elektrophil. Dabei entstehen ein Anion und ein Kation. Das Kation (ehemalige
Alken oder Alkin) bleibt in diesem und bindet sich im zweiten Schritt mit dem
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CHEM
Standardreaktionen
Substituenten, das Anion kann, da es negativ geladen ist einen s.g. nucleophilen
Rückseitenangriff durchführen, auf Basis einer nukleophilen Substitution.
- Veresterung
o Bei einer Veresterung paart sich ein Alkohol mit einer Säure zu einem Ester. Da es
sich um eine Kondensatinsreaktion handelt wird immer Wasser abgespalten.
o Zunächst wird die Carbonsäure protoniert:
o
Das durch die Protonierung entstandene Carbeniumion wird von einem freien
Elektronenpaar des Alkohols angegriffen (nukleophiler Angriff)
o
Anschließend erfolgt die Abspaltung von Wasser und die Deprotonierung:
Die funkionelle Gruppe R-COO-R zeichnet die Ester aus.
- Verseifung
o Die Verseifung macht sich Ester zum Nutze und führt eine hydrolytische Spaltung
durch, mit Hilfe einer Lauge. Dafür greift zunächst das Laugen-typische Hydroxid-Ion
an dem Ester an
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o
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Dem entstandenen Ion wird durch Abspaltung eines Alkoholat-Ions wieder eine
Carbonsäure erstellt
o
Nun folgt der irreversible Schritt, der die Verseifung ausmacht: Der
Protonenübergang von der Carbonsäure zum Alkoholat-Ion:
Bei der Verseifung entstehen als Produkte immer Alkohol und das entsprechende
Salz der Säure.
- Cracken
o Unter dem Reaktionsmechanismus des Crackens versteht man das spalten von
langen Kohlenwasserstoffe in kürzere Kohlenwassestoffe. Bei diesem Vorgang
unterscheidet man in zwei Hauptkategorien zwischen:
• Thermisches Cracken wird benutzt, um siedende Alkane unter hohen Druck
zu brechen, da sie in starke Schwingungen geraten sind.
Steam Cracken: langkettige Alkane werden unter Zugabe von
Wasserdampf in kurzkettige Alkene gespalten.
Visbreaking: dieses Verfahren dient der Verringerung des
dickflüssigen Rückbestandes aus dem Steamcracken, indem der
Rückbestand lange bei ca. 400°C im Behälter verweilt. Durch
schnelles Abkühlen entstehen dabei kurzkettige Alkane
Delayed Coocking: dieses Verfahren wird angewandt um selbst die
teerähnlichen Rückstände aus dem Steam Cracking zu verarbeiten.
Dazu wird dieses Material in einem Hochofen bei 30bar und 500°C
erhitzt und ein heißes Gas wird in den Öfen nah oben getrieben, wo
es abgesaugt werden kann
• Katalytisches Cracken
Fluid Catalytic Cracken: Bei diesem Verahren wird ein schweres
Vakuumdestillat in einer Raffinerie zu Gasen, Flüssiggasen und
Kerosin verarbeitet. Die Spaltung erfolgt bei 450°C. Dabei entsteht
sehr viel Koks, welches der Katalysation dient. Bei diesem Prozess
werden n-Alkane produziert.
Hydrockracken: Koksbildung wird vermieden, da Wasserstoff
hinzugefügt wird. Unter 350°C und ca 70-80bar wird das
Vakuumdestillat zu n-Alkanen und iso-Alkanen umgeformt. Vorteil:
sehr schnell; Nachteil: teuer
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Kunststoffe
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- Kunststofftypen und Aufbau und Eigenschaften von diesen
o Thermoplast
• Kunststoffe, die durch Erwärmung in den Flüssigen Zustand übergehen und
dann beliebig verformt werden können. Bei Abkühlung nehmen sie wieder
eine feste Form an.
• Der Vorrang ist reversibel, kann also unendlich oft wiederholt werden,
solange eine Temperatur von 250°C nicht überschritten wird thermische
Zersetzung
• Aufgebaut aus langkettigen Kohlewasserstoffen, ohne oder nur sehr wenigen
Verzweigungen. Intermolekulare Kräfte sind VAN der WAALS-Bindungen
• Verarbeitung im Spritzgießverfahren und Druckluft, z.B. zur PET-
Flaschenherstellung
• Struktur:
o
Duroplast
• Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung nicht wieder verformt werden
können (Nur noch mechanische Verarbeitung)
• Bei Erwärmung, gehen duroplastische Kunststoffe kaputt, da ihre
Schmelztemperatur über der Zersetzungstemperatut liegt
• Aufgebaut aus engmaschig vernetzten Polymeren, die über
Elektronenpaarbindungen miteinander verbunden sind.
• Herstellung oft durch Polykondensation
• Struktur:
o
Elastomere
• Kunststoffe, die sich unter Druck oder Zug verformen lassen, dann jedoch
wieder in ihre ursprüngliche Form zurückformen.
• Aufgebaut aus langkettigen Polymeren, die an einigen Stellen über
Elektronenpaarbindungen verbunden sind. (jedoch nicht so engmaschig wie
beim Duroplasten)
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• Bei tiefer Temperatur sind Elastomere eher starr und spröde, da sie für die
Ausdehnung thermische Energie benötigen.
• Bei Wärmezufuhr nimmt ihr Dehnungsvermögen zu, solange die
Zersetzungstemperatur nicht überschritten wird.
• Struktur:
- Reaktionstypen
o Radikalische Polymerisation
• Als Ausgangsstoff dient eine C=C-Doppelbindung an beiden Enden des
Monomers.
• Damit die Reaktion jedoch beginnt, muss ein Radikal vorliegen.
• Dann wird die C=C-Doppelbindung aufgespalten.
• Es entsteht eine C-C-Einfachbindung und zwei freie Elektronen. Eins der
freien Elektronen kann nun noch eine Verbindung zu einem weiteren
Monomer aufbauen.
• An diesem wird ebenfalls eine Doppelbindung aufgespalten, sodass zwei
Elektronen frei werden. Eins bildet die C-C-Einfachbindung zum anderen
Monomer, das andere sorgt als Radikal für die Fortführung der Reaktion.
• So können langkettige Polymere entstehen, die auf Polymerisate genannt
werden.
• Bei der Polymerisation entstehen vor allem langlkettige Thermoplaste
• Reaktionsgleichung:
o
Polykondensation
• Ausgangsstoffe sind Monomere mit zwei funktionellen Gruppen, geeignet
sind:
Hydroxlgruppen
Carboxylgruppe
Aminogruppen
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• Die Monomere reagieren an den funktionellen Gruppen unter Abspaltung
eines kleinen Moleküls, z.B. Wasser
• Zunächst bilden sich Dimere, dann Polykondensate
• Bei der Polykondensation entstehen aus bifunktionellen Monomeren
(Monomere mit zwei funktionellen Gruppen) thermoplastische Kunstoffe,
bei trifunktinellen Monomeren(Monomer mit drei funktionellen Gruppen)
hingegen duroplastische Kunststoffe.
• Reaktionsgleichung:
o
Polyaddition
• Ähnlich wie bei der Polykondensation sind Monomere mit Funktionellen
Gruppen notwendig.
• Jedoch braucht man für die Addition funktionelle Gruppen mit
Doppelbindungen, die dann aufgelöst werden können, sodass eine
Verbindung zwischen beiden entsteht
• Es werden jedoch weder andere Stoffe frei (Polykondensation) noch wird ein
Radikal als Start benötigt(Polymerisation)
• Bei der Polyaddition entstehen aus bifunktionellen Monomeren (Monomere
mit zwei funktionellen Gruppen) thermoplastische Kunstoffe, bei
trifunktinellen Monomeren(Monomer mit drei funktionellen Gruppen)
hingegen duroplastische Kunststoffe
• Die Polymere werden nach der Polyaddition auch Polyaddukte genannt
• Reaktionsgleichung:
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- Copolymerisation
o Die Copolymerisation läuft genauso wie die Polymerisation ab
o Der einzige Unterschied besteht darin, dass nicht immer die selben Monomere
aneinander polymerisiert werden, sondern unterschiedliche Monomere
o Damit ist es möglich dem Kunststoff bestimmt Eigenschaften zu geben
- Verwertung von Kunststoffen
o Upcycling
• Nicht mehr benötigte Kunststoffe werden, thermisch, bzw. chemisch soweit
bearbeitet, dass sie danach einen höheren Qualitätsgrad besitzen, also z.B.
längere Ketten
o Recycling
• Werkstoffliche Verwendung
Aus den Sekundärrohstoffen können durch Schmelzverfahren und
neues Gießen wieder neue Kunststoffprodukte hergestellt werden
Voraussetzung ist ein thermoplastischer Kunststoff
Besonders gut eigen sich sortenreine Kunststoffe
Mischkunststoffe können zerkleinert und nur in kleinen Mengen der
normalen Produktion zugemengt werden und führen zu
minderwertigen Kunststoffen (Downcycling)
• Rohstofflich Verwertung
Die Makromoleküle des Kunstsoffst werden wieder in Monomre
aufgespalten und können dann in den bereits bekannte Verfahren
wieder zusammengefügt werden
Dieser Vorgang ist jedoch sehr aufwendig und teuer
o Downcycling
• Nicht mehr benötigte Kunststoffe werden, thermisch, mechanisch oder
chemisch soweit bearbeitet, dass sie danach einen geringeren Qualitätsgrad
besitzen, also z.B. kürzere Ketten
o Thermische Verwertung
• Als letzte Möglichkeit besteht noch die Verbrennung, wobei die entstehende
Wärme genutzt und beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt
werden kann
• Dies setzt jedoch eine gute Filterung der Abgase voraus, da giftige Gase
entstehen
- Gründe für die Herstellung
o Geringeres Gewicht als Metall und Keramiken
o Höhere Bruchsicherheit als Gas und Keramik
o Chemische Beständigkeit gegenüber anorganischen Verbindungen, jedoch stark
zersetzend bei organischen Lösemitteln
o Geringe Verarbeitungstemperaturen Konstruktion räumlich komplizierter Teile
o Farbigkeit
o Geringe Wärmeleitfähigkeit Wärmedämmung, Isolation
o Eine elektrische Leitfähigkeit Isolation von Kabeln
o Günstige Herstellung
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