Bindungsanalysen

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Die chemische Bindung

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Warum sind manche Stoffe fest und andere gasförmig oder flüssig? Weshalb zeigen manche Stoffe ein Farbigkeit, während andere farblos erscheinen? Warum reagieren bestimmte Stoffe miteinander und andere kann man zusammen lagern, ohne dass Interaktionen geschehen? Wasser ist ein gutes Lösungsmittel, aber nicht für alle Stoffe. Wieso?
Die Antworten auf diese Fragen kann man mit chemischen Bindung erklären, die den beteiligten Teilchen zu Grunde liegt! Sie bestimmt das chemische Verhalten, stoffliche Zustände und die äußere Erscheinung der Stoffe.

Chemische Bindungen beruhen auf der Annäherung von Atomen. Die dabei gewonnene Nähe führt zur unmittelbaren Anziehung von unterschiedlichen Ladungen. Kerne ziehen Elektronen anderer Atome ebenso an, wie ihre eigenen Elektronen. Die Außenelektronen fremder Atome sind dabei am meisten beeinflussbar.

Nach der Annäherung kommt es zur Durchdringung der Atomhüllen und damit zur Ausbildung von gemeinsamen Bereichen. Dort gibt es keine Zugehörigkeit von Elektronen zu ihrem Kern mehr. Die Elektronen – immer zwei – werden nun gemeinschaftlich genutzt. Es bilden sich gemeinsame „Elektronenpaare“ aus. Es entsteht die Elektronenpaarbindung oder Atombindung.

Nähern sich zwei Partner mit unterschiedlichen Anziehungskräften (EN -Werten), so entsteht eine polare Atombindung. Hier werden die Elektronen des schwächeren Partners (kleinerer EN Wert) stärker vereinnahmt und es entstehen Moleküle mit nach außen wirkenden Ladungsbereichen. Dies hat auf Löslichkeiten und den Aggregatzustand Auswirkungen.

Bei zu hoher Anziehungskraft eines Partners – Elektronegativität – können die Außenelektronen auch vollständig in die Hülle des stärkeren Atoms wechseln. Es entsteht dann Ionen. Diese Bindungsart nennt man Ionenbeziehung.
Unterscheiden sich zwei Atomarten in ihrer Elektronegativität (EN) um 1,7 oder mehr, so ist die Ionenbildung sehr wahrscheinlich. Bei Natrium (EN= 0,9) und Chlor (EN=3,0) beträgt der Unterschied 2,1. Wir kennen die Verbindung von Natrium und Chlor als Natriumchlorid, dem Kochsalz.

Weitere Bindungsanalysen

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Die Ordnung der Stoffe

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Zum Abschluss des Chemiekurses soll das erlangte Wissen auch verfügbar gemacht werden. Dazu ist es nötig, Analogien und Systematik aufzuzeigen. Die Gebiete Stoffe, Stoffgruppen, Reaktionen und technische Prozesse müssen für die Prüfung verfügbar sein. Das chemische Praktikum liefert eine gute praktische Vorbereitung auf die Prüfung.

Im Folgenden ein paar Anregungen zur Vorgehensweise:

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Die Ordnung der Stoffe

Bei der Ordnung des Gelernten sollte man Stoffe nach folgenden Kriterien einteilen können…

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Stoffe nach ihren Eigenschaften oder ihren Verwendungsmöglichkeiten einzuteilen, ist Sache desjenigen, der diese Einteilung vornehmen will. Eine allgemeine Einteilung nach diesen Kriterien kann es nicht geben.

Stoffe stellen die Gesamtheit der Materie dar, die uns umgibt.
Wir unterscheiden zunächst nur reine und gemischte Stoffe.

Für jeden Unterpunkt des Schemas lassen sich gesonderte Übersichten anfertigen. Denke zum Beispiel nur an das Schema, mit dem der Naturwissenschaftler arbeitet, um „Elemente“ genauer zu systematisieren, das PSE.

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Hydroxide – Basen

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Transportkennzeichen NaOH

Die Gruppe der Hydroxide wird durch ihren wichtigsten Vertreter – das Natriumhydroxid – bestimmt. Es sind salzähnliche Stoffe – Ionensubstanzen – , die das Hydroxidion \( (OH^- ) \) enthalten. Gut wasserlösliche Basen wie NaOH oder KOH bilden starke, ätzende Laugen, die den Indikator UNITEST blau färben. Des weiteren wären Ätzkali (Calciumhydroxid), Magnesiumhydroxid und Aluminiumhydroxid zu nennen, die von medizinischer und bautechnischer Bedeutung sind.

Gebildet werden die Basen (Hydroxide) durch die Reaktion von Metalloxiden mit Wasser.

\( Metalloxid + Wasser –> Metallhydroxid \)

Kaliumhydroxid (KOH) ist Hauptbestandteil von Reinigern für Oberflächen aus Edelstahl in Großküchen oder Anhaftungen und Verkrustungen an Grills und Backöfen. Die Fähigkeit organische Stoffe anzugreifen wird hier ausgenutzt. Das hygroskopische, weiße, feste und sehr gut wasserlösliche Kaliumhydroxid dient weiterhin zur Herstellung von Schmierseifen und Flüssigseifen.

Das weiße, schlecht lösliche Bariumhydroxid \( Ba(OH)_2 \) diente bis ins 18. Jahrhundert zur Herstellung von Eis. Seine Reaktion mit Wasser ist stark endotherm. Das ermöglichte eine Lagerung von Lebensmitteln auch in Gegenden, die ohne den obligatorischen Eiskeller der damaligen Zeit auskommen mussten. Bis heute hingegen nutzt man Bariumhydroxid als Zusatzstoff bei der Herstellung von optischem Glas . Dort sorgt für veränderte Strahlungsdurchlässe in TV-Glasscheiben, Sonnenbrillen und Fensterscheiben. und Im Labor des Chemikers dient es als Barytwasser zum qualitativen Nachweis von Kohlendioxid und Carbonaten.

Magnesiumhydroxid \( Mg(OH)_2 \) kommt in der Natur als Mineral Brucit vor. und wird vorallem zur Herstellung von Magnesiumoxid verwendet. In der Medizin findet es als Mittel zur Neutralisation von überschüssiger Magensäure und als leichtes Abführmittel Anwendung. Speiseöl wird es zur Entfernung von Schwefeldioxid zugesetzt. In der Abwassertechnik ist es ein Flockungsmittel. Als Lebensmittelzusatzstoff E 528 wird es Kakaoprodukten zugemischt. Es dient hier als Säureregulator und Aufschlussmittel,

Aluminiumhydroxid \( Al(OH)_3 \) ist das weltweit bedeutendste Flammschutzmittel, es zeigt hierbei eine sehr gute Rauchgasunterdrückung bei niedriger Dichte. Bei über 200°C wird aus dem Mineral Wassser abgespalten. Das feste, weiße und schlecht wasserlösliche salzartige Substrat wird in der Natur im Mineral Bauxit AlO(OH) als Gibbsit, Bayerit und Nordstrandit gefunden. 95% des Bauxits werden jedoch zur Aluminiumproduktion benutzt. Aluminiumhydroxid wird weiterhin zur Ummantelung des Minerals Titanoxid benutzt, welches in Sonnenschutzcremes eingesetzt wird, als Mittel zur Bekämpfung überschüssiger Magensäure, initiiert den Gewebsreiz als Bestandteil von Impfstoffen und darf dort in der EU zu 1250 µg in einer Dosis enthalten sein.

1933 wurde Calciumhydroxid \( Ca(OH)_2 \) als Mineral gefunden und erhielt den Namen Portlandit, wegen seiner Ähnlichkeit zum synthetisch erzeugten Portlandzement. Das Mineral ist selten zu finden und hat deshalb bergbautechnisch keine Bedeutung. Man stellt den dringend benötigten Löschkalk, so heißt die Base, durch das Kalklöschen nach dem Kalkbrennen aus dem dabei entstehenden Produkt Branntkalk CaO her. Das Calciumhydroxid wird nämlich hauptsächlich zur Herstellung von Mörtel verwendet. Wie auch Magnesium- oder Aluminiumhydroxid wird Calciumhydroxid als Mittel gegen überschüssige Magensäure eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete sind die Zahnmedizin, wo es zur Desinfektion und zur Anregung der Dentinbildung eingesetzt wird. Als Säureregulator in der Lebensmittelindustrie (E 526) und es entfernt als Atemkalk das Kohlendioxid aus Narkose- und Atemgeräten.

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