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Martin Kratzel: Allgemeine und anorganisch-pharmazeutische Chemie Teil 1/2011

Allgemeineund

anorganisch-pharmazeutischeChemie

Teil 1 / 2011


Allgemeine Informationen zur(schriftlichen) Prfung (1)

Anzahl der Fragen:Kratzel: 10 Fragen Jger: 5 Fragen

Punkte pro Frage: 2 Summe: 30 Punkte


Allgemeine Informationen zur(schriftlichen) Prfung (2)

Beurteilung: fr ein positives Ergebnis mssen min. 50%

bei beiden Prfern erreicht werden 10 P. bei Kratzel, 5 P. bei Jger

Notenschlssel: > 19-21 Punkte: gengend (4) > 22-24 Punkte: befriedigend (3) > 25-27 Punkte: gut (2) > 28-30 Punkte: sehr gut (1)


Inhalt Teil 1

Das AtomAufbau der Atome, ElementeRadioaktivitt

Atommodelle Elektronenkonfiguration der

Elemente Angeregte Atome

Absorption / Emission


I. Das Atom


Atombau

Atom: Kleinstes Teilchen einesElements, mit chemischen Verfahrennicht weiter zerlegbar

Elementarteilchen (des Atoms)ProtonenNeutronenElektronen


Atomkern(Nukleonen)

Protonenpositiv geladen relative Masse: ca. 1 u (= 1,66 . 10-24 g)

Neutronenkeine elektrische Ladung relative Masse: ca. 1 u

1 u = 1 ame (= atomare Masseneinheit)

SI-System


Elektronen

negativ geladenbesitzen praktisch keine Masse

(Masse ist ca. 2000x kleiner als Masseder Protonen/Neutronen)


Aufbau der Atome

AtommodelleModell nach Rutherford

positiv geladener Kern(d 10 fm)

Protonen Neutronen

Atomare Stabilitt, Radioaktivitt

negativ geladene Atomhlle(d 100 pm)

Elektronen Chemische Eigenschaften, Verhalten in

chemischen Reaktionen


Kernkrfte und Massendefekt

Zusammenhalt des Atomkerns wirddurch die kontinuierlicheUmwandlung. n1 + p2+ p1+ + n2bewirkt

Sehr starke Kernkrfte= hohe nukleare Bindungsenergie Massendefekt


E = m . c2

Beispiel: Helium 2 Protonen: 2 . 1,00727 u = 2,01454 u 2 Neutronen: 2 . 1,00866 u = 2,01732 u 2 Elektronen: 2 . 0,00055 u = 0,00110 u Summe der Einzelmassen: 4,03296 u Masse des Helium-Atoms: 4,00259 u Massendefekt: 0,03037 u

Massendefekt

Freiwerdende Energie fr 1 kg Helium:E = 6,75 . 1014 J


Elemente

Element besteht aus identischenAtomen

Chemische Charakterisierung einesElements:Kernladungszahl (Z)Massenzahl (A)


Ordnung der Elemente (1)Kernladungszahl (Z)

Zahl der Ladungen (= Zahl der Protonenim Atomkern)

Kernladungszahl= Zahl der Protonen= Zahl der Elektronen= Ordnungszahl (im PS)

Periodensystem


Ordnung der Elemente (2)Massenzahl (A)

Zahl der Masseneinheiten imAtomkern

Massenzahl= Kernladungszahl +. Neutronenzahl


Ordnung der Elemente (3)

Kernladungszahl Elementsymbol Massenzahl

1H1

2He4

3Li6

4Be9

5B10

6C12

7N14

8O16

9F19

10Ne20

= bliche Anordnung,d.h. nicht genormt


Isotope (1)

= Nuklide gleicher Protonenzahl,aber unterschiedlicher Neutronenzahl

z.B. C: 12C: 98,89% 13C: 1,11% 14C: Spuren

1H1,008

2He4,003

3Li6,939

4Be9,012

5B10,811

6C12,011

7N14,007

8O15,999

9F18,998

10Ne20,183


Relative Atommassen

Relative Atommasseneinheit (1 ame) = 1/12 der Masse des 12C-Nuklids


Symboldarstellung

Massenzahl Elementsymbol (Ordnungszahl)


Symboldarstellung


Beispiele - richtig oder falsch?

C 12C 13C c


Symboldarstellung

Erweitere Symbolik:

Massenzahl LadungszahlElementsymbol

(Ordnungszahl) Atomzahl



SymboldarstellungErweitere Symbolik:

Massenzahl LadungszahlElementsymbol

(Ordnungszahl) Atomzahl

Beispiele - richtig oder falsch?

Na+ Cl1 SO4 C6H12O6 6 O2 3H22


Zusammenfassung und Tipps (mit Ausnahme von Isotopen)

Information zu Atomen immer rechtsvom Atomsymbol

oben und unten nicht verwechseln!unterscheide Index und Faktor

Teufel steckt im Detail!

Symboldarstellung

2 O O2


Isotope (2)

Reinelementez.B.: F, Na, Al, ...

MischelementeH: 1H, 2H, 3HHe: 3He, 4HeLi: 6Li, 7LiBe: 9Be, 10Be ...


Isotope (3)

Isotopeneffekteunterschiedliches (chemisches)

Verhalten von Isotopen geringaber stark ausgeprgt bei Elementen

niedriger Massenzahl 1H (99,986%) 2H: Deuterium (0,014%) 3H: Tritium (Spuren, instabil)


Loschmidt-Zahl, Mol-Begriff

Mengen verschiedener Elemente, diezahlenmig der Atommasse inGramm entsprechen, enthalten diegleiche Zahl an Atomen:

NA = 6,022 . 1023

Loschmidt-Zahl = Avogadro-Zahl Stoffmenge, die NA Teilchen enthlt,

ist 1 Mol


Radioaktiver Zerfall

Eine Eigenschaft des Atomkerns

Natrliche radioaktive Strahlung -Strahlen -Strahlen -Strahlen


-Strahlen

Heliumkerne doppelt positiv geladen im elektrischen und

magnetischen Feld ablenkbar Reichweite: sehr gering

(Korpuskularstrahlung)


-Strahlen

Elektronen (einfach) negativ geladen im elektrischen Feld und

magnetischen Feld ablenkbar Reichweite: gering

(Korpuskularstrahlung)


-Strahlen

Elektromagnetische Strahlung sehrkurzer Wellenlnge

hohe Energie weder im elektrischen noch im

magnetischen Feld ablenkbar Reichweite: hoch


Natrliche RadioaktivittRadioaktive Verschiebungsstze (1)

-Strahler:A A-4 4

E1 E2 + HeZ Z-2 2

238 234 4

U Th + He 92 90 2


Natrliche Radioaktivitt Radioaktive Verschiebungsstze (2)

-Strahler:

40 40

K Ca + e- 19 20

234 234

Th Pa + e- 90 91

A A

E1 E2 + e-Z Z+1 Bei Kernen

mit zu vielen Neutronen



Emission von Positronen:

58 58

Cu Ca + e+ 29 28

8 8

B Be + e+ 5 4

A A

E1 E2 + e+Z Z-1 Bei Kernen

mit zu vielen Protonen

Nickel



Elektroneneinfang:

59 59

Ni + e+ Co 28 27

7 7

Be + e- Li 4 3

A A

E1 + e- E2Z Z-1 Elektron wird aus

der Elektronenhlle eingefangen

Gleiches Ergebniswie (3) - auf

anderem Weg

-


Natrliche RadioaktivittZerfallsreihen

Uran-Zerfallsreihe: U-238 Pb-206 Actinium-Zerfallsreihe: U-235 Pb-207 Thorium-Zerfallsreihe: Th-232 Pb-208


Natrliche Radioaktivitt Uran-Zerfallsreihe

238 234 234 234 230

U Th Pa U Th 92 - 90 - 91 - 92 - 90 -

226 222 218 214 214

Ra Rn Po Pb Bi 88 - 86 - 84 - 82 - 83 -

214 210 210 210 206

Po Pb Bi Po Pb 84 - 82 - 83 - 84 - 82


Kinetik des radioaktiven Zerfalls (1)

Zeitgesetz 1. Ordnung:

-dN/dt: Zerfallsgeschwindigkeit : Zerfallskonstante N: Anzahl der Atome zur Zeit t

-dN/dt = . N


Kinetik des radioaktiven Zerfalls (2)


Knstliche Radioaktivitt (1)

Emission von Protonen

A A-1 1

E1 E2 + HZ Z-1 1

65 64 1

Zn Cu + H30 29 1


Knstliche Radioaktivitt (2)

Emission von Neutronen

17 16 1

O O + n8 8 0

A A-1 1

E E + nZ Z 0


Kernumwandlung (1)

durch Beschieen mit Helium-Kernen (1)Freiwerden von Protonen

A 4 A+3 1

E1 + He E2 + HZ 2 Z+1 1

14 4 17 1

N + He O + H 7 2 8 1


Kernumwandlung (2)

durch Beschieen mit Helium-Kernen (2)Freiwerden von Neutronen

A 4 A+3 1

E1 + He E2 + nZ 2 Z+2 0

9 4 12 1

Be + He C + n4 2 6 0


Kernumwandlung (3)

durch Beschieen mit Neutronen (1)Freiwerden von Protonen

A 1 A 1

E1 + n E2 + HZ 0 Z-1 1

14 1 14 1

N + n C + H 7 0 6 1


Kernumwandlung (4)

durch Beschieen mit Neutronen (2)Freiwerden von Heliumkernen

A 1 A-3 4

E1 + n E2 + HeZ 0 Z-2 2


Kernspaltung

durch Beschieen mit langsamenNeutronen (Hahn, Meitner)

E1,2: Ba, Kr, Sr, Y, I, Br, La, ...

235 1 236

U + n [ U] E1,2 + 3n + W 92 0 92

238 1 239 239

U + n [ U] Pu 92 0 92 94


Uran

Uran-238: 99,28% Uran-235: 0,71% Uran-234: 0,0006%

235 231 4

U Th + He 92 90 2

238 234 4

U Th + He 92 90 2


Massendefekt / Ordnungszahl


Protonenzahl / Neutronenzahl


Anwendungsgebieteaktiver und stabiler Isotope

Synthese radioaktiv-markierterSubstanzen

Diagnostik Strahlentherapie Radiocarbon-Methode


Einige biochemisch wichtigeRadionuclide


Radiocarbon-Methode

14 1 14 1

N + n C + H7 0 6 1


Radiocarbon-Methode

14 1 14 1

N + n C + H7 0 6 1

14 14

C N + e6 7


Anwendungsgebieteknstlicher Radioaktivitt

Medizin: berfhrung stabilerIsotope in instabile Radioisotope(Positronen-Strahler) durchProtonenbeschu

Positronen-Emissions-Tomographie (PET) 11C: t1/2 = 20,4 min 18F: t1/2 = 109,6 min


II. Atommodelle


Atommodelle

Rutherford-Modell Bohr-(Rutherford)-Modell Wellenmechanisches Atommodell


Rutherford-Modell

Atom ist Mini-Planetensystem Coulomb-Kraft (elektrostatische

Anziehung) und Zentrifugalkrafthalten sich die Waage

nicht mit klassischer Physikvereinbar


Bohr-Modell (1)

Bohr-Postulate (1+2)Elektronen kreisen auf stabilen Bahnen,

ohne Energie zu verlierenZahl dieser Bahnen ist begrenzt,

Drehimpuls m.v.r mu ganzzahligesVielfaches von h/2 sein

Definierte Energieniveaus Hauptquantenzahlen


Bohr-Modell (2)

Bohr-Postulate (3)Energieabgabe bzw. -aufnahme bei

bergang zwischen den Energieniveaus


(Schlagworte zum)Wellenmechanischen Modell

Teilchen-Wellen-Dualismus Heisenbergsche Unschrferelation Schrdinger-Gleichung: Verbindung

der Wellenfunktion des Elektrons mitseiner Energie und denRaumkoordinaten


: keine anschauliche Bedeutung

|2|: gibt im zeitlichen Mittel die rumliche Ladungsverteilungdes Elektrons an

Wellenfunktionen als Lsung derSchrdinger-Gleichung:

= Eigenfunktionen = Atomorbitale

Energiewerte dieser Eigen-funktionen: Eigenwerte


Quantenzahlen (1)

Hauptquantenzahl (n):Hauptenergie-Niveau1,2,...,7

Nebenquantenzahl (l):Rumliche Verteilung0,1,2,3; max. n-1


Quantenzahlen (2)

Magnetquantenzahl (m):Orientierung im Raum-l,...,+l; nur ganzzahlige Werte

Spinquantenzahl (s):Eigenrotation des e-

-1/2, +1/2


Atomorbitale (1)

s-OrbitalNebenquantenzahl: l = 0


2s-Orbital


Atomorbitale (2) p-Orbital

Nebenquantenzahl: l = 1Magnetquantenzahl: m = -1, 0, +1


Schnere () p-Orbitale


RelativeOrbital-Grssen


Atomorbitale (3) d-Orbital

Nebenquantenzahl: l = 2Magnetquantenzahl: m = -2, -1, 0,

+1, +2


Atomorbitale (4) f-Orbital

Nebenquantenzahl: l = 3Magnetquantenzahl: m = -3, -2, -1, 0, +1,

+2, +3


Orbitalbesetzung

Pauli-Prinzip: In einem Atom gibtes keine Elektronen mitidentischen Quantenzahlen

Jedes Orbital kann maximalzwei Elektronen aufnehmen

Hundsche-Regel (der maximalenMultiplizitt): Einfachbesetzunghat Vorrang vor Doppelbesetzung


Relative Energien der Orbitale


Periodensystem (1)I II III IV V VI VII 0

11H1,008

2He4,003

23Li6,939

4Be9,012

5B10,811

6C12,011

7N14,007

8O15,999

9F18,998

10Ne20,183

311Na22,990

12Mg9,012

13Al26,982

14Si28,086

15P30,974

16S32,064

17Cl35,453

18Ar39,948

419K39,102

20Ca40,08

31Ga69,72

32Ge72,59

33As74,922

34Se78,96

35Br79,909

36Kr83,80

537Rb85,47

38Sr87,62

49In114,82

50Sn118,69

51Sb121,75

52Te127,60

53I126,90

54Xe131,30

655Cs132,91

56Ba137,34

81Tl204,38

82Pb209,17

83Bi208,98

84Po(210)

85At(210)

86Rn(222)

787Fr(223)

88Ra(226)

24,312


Periodensystem (2)IA IIA IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA

11H1,008

2He4,003

23Li6,939

4Be9,012

5B10,811

6C12,011

7N14,007

8O15,999

9F18,998

10Ne20,183

311Na22,990

12Mg24,312

13Al26,982

14Si28,086

15P30,974

16S32,064

17Cl35,453

18Ar39,948

419K39,102

20Ca40,08

21Sc44,956

22Ti47,88

23V50,942

24Cr51,996

25Mn54,938

26Fe55,847

27Co58,933

28Ni58,69

29Cu63,54

30Zn65,37

31Ga69,72

32Ge72,59

33As74,922

34Se78,96

35Br79,909

36Kr83,80

537Rb85,47

38Sr87,62

39Y88,905

40Zr91,22

41Nb92,906

42Mo95,94

43Tc(99)

44Ru101,07

45Rh102,91

46Pd106,42

47Ag107,87

48Cd112,40

49In114,82

50Sn118,69

51Sb121,75

52Te127,60

53I126,90

54Xe131,30

655Cs132,91

56Ba137,34

57La138,91

72Hf178,49

73Ta180,95

74W183,85

75Re186,2

76Os190,2

77Ir192,2

78Pt195,09

79Au196,97

80Hg204,59

81Tl204,38

82Pb209,17

83Bi208,98

84Po(210)

85At(210)

86Rn(222)

787Fr(223)

88Ra(226)

89Ac(227)

658Ce140,12

59Pr140,91

60Nd144,24

61Pm(145)

62Sm150,36

63Eu151,96

64Gd157,25

65Tb158,92

66Dy162,50

67Ho164,93

68Er167,26

69Tm168,93

70Yb173,04

71Lu174,97

790Th232,04

91Pa(231)

92U238,03

93Np(237)

94Pu(242)

95Am(243)

96Cm(247)

97Bk(249)

98Cf(251)

99Es(254)

100Fm(253)

101Md(256)

102No(253)

103Lr(257)


IA IIA IIIB IVB VB VIB VIIB VIII IB IIB IIIA IVA VA VIA VIIA 0

11H1,008

2He4,003

1s 1 2

23Li6,939

4Be9,012

5B10,811

6C12,011

7N14,007

8O15,999

9F18,998

10Ne20,183

2s 1 2 2 2 2 2 2 22p 1 2 3 4 5 6

311Na22,990

12Mg9,012

13Al26,982

14Si28,086

15P30,974

16S32,064

17Cl35,453

18Ar39,948

3s 1 2 2 2 2 2 2 23p 1 2 3 4 5 6

419K39,102

20Ca40,08

21Sc44,956

22Ti47,88

23V50,942

24Cr51,996

25Mn54,938

26Fe55,847

27Co58,933

28Ni58,69

29Cu63,54

30Zn65,37

31Ga69,72

32Ge72,59

33As74,922

34Se78,96

35Br79,909

36Kr83,80

4s 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 24p 1 2 3 4 5 6

3d(!) 1 2 3 5 5 6 7 8 10 10 10 10 10 10 10 10

537Rb85,47

38Sr87,62

39Y88,905

40Zr91,22

41Nb92,906

42Mo95,94

43Tc(99)

44Ru101,07

45Rh102,91

46Pd106,42

47Ag107,87

48Cd112,40

49In114,82

50Sn118,69

51Sb121,75

52Te127,60

53I126,90

54Xe131,30

5s 1 2 2 2 1 1 2 1 1 1 2 2 2 2 2 2 25p 1 2 3 4 5 6

4d(!) 1 2 4 5 5 7 8 10 10 10 10 10 10 10 10 10

655Cs132,91

56Ba137,34

57La138,91

72Hf178,49

73Ta180,95

74W183,85

75Re186,2

76Os190,2

77Ir192,2

78Pt195,09

79Au196,97

80Hg204,59

81Tl204,38

82Pb209,17

83Bi208,98

84Po(210)

85At(210)

86Rn(222)

6s 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 26p 1 2 3 4 5 6

5d(!) 1 2 3 4 5 6 7 9 10 10 10 10 10 10 10 104f(!) 0-14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14

787Fr(223)

88Ra(226)

7s 1 2

24,312


Angeregte Atome

Elektronen werden in hhere,unbesetzte Orbitale gehobenAngeregter ZustandAbsorption (von Energie)

Rckkehr in den GrundzustandEmission (von Energie)


Grundzustand / AngeregterZustand

Absorption

EmissionE

E = h . = h . c /


Spektralanalyse

Absorptions-Spektren (Kirchhoffsches Gesetz)

Emissions-SpektrenFlammenfrbung


Prisma und (Licht)-Spektrum

Lichtstrahl(Tageslicht)

(Licht)-Spektrum

Prisma


Energie und Wellenlnge

Infrarot (IR)

Ultraviolett (UV)

Bereich dessichtbaren

Lichtes

E

700 nm

400 nm

Pfeilrichtung= Zunahme!

Lichtstrahl(Tageslicht)


Energie und Wellenlnge

E = h E ... Energieh ... Plancksches. Wirkungsquantum ... Frequenz

= c ... Wellenlngec ... Licht-

geschwindigkeit


EmissionsspektroskopieFlammenfrbung durch Na+

nur 1 Linie = 589 nm

Lichtstrahl(Bunsenbrenner-flammemit Na+)


Absorptionsspektroskopie

z.B.:Cu-Lampe

Probe MessungderLichtintensitt


Absorptionsspektroskopie

z.B.:Cu-Lampe

Probeenthlt Cu !

Messungder

Lichtintensitt

Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) hohe Selektivitt hohe Empfindlichkeit Nachweisgrenze / Bestimmungsgrenze sehr klein

wichtige Begriffein der Analytik !


Singulett-ZustandAngeregter Singulett-Zustand

Absorption

E

Fluoreszenz

S0 S1

Lebensdauer: 10-9...10-7 s


Beispiel: Bor

S01s

2s

2pAnregung

S11s

2s

2p


Angeregter Triplett-Zustand

Absorption

Phosphoreszenz

E

Spin-umkehr

S0 S1 T1Lebens-dauer: > 10-4 s

10-9 s


Beispiel: Beryllium

S01s

2s

2pAnregung

S11s

2s

2pSpin-Umkehr

T11s

2s

2p


Anregung vonFluoreszenz und Phosphoreszenz

durch UV-Strahlung


Fluoreszenz: Farben leuchtenwhrend Bestrahlung durch UV-Rhre

UV


Phosphoreszenz: Farben leuchtennach Bestrahlung durch UV-Rhre noch nach...

UV


Atomkern und Atomhlleaus heutiger Sicht (1)

Atomkern:Protonen und Neutronen sind nicht

atomar, sondern aus Quarks aufgebautGluonen vermitteln die Anziehung von

Protonen und Neutronen starkeWechselwirkung


Atomkern und Atomhlleaus heutiger Sicht (2)

Atomhlle:Elektronen sind atomarOrbitaltheorie vielfach besttigt, bis

heute kein Gegenbeweis

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