1. Atombau und PSE 1.1 Energie und Materie
Auch in anderen modernen Techniken werden chemische Vorgänge ausgenutzt, um Energie zu gewinnen, z.B. der PEM Brennstoffzelle (PEM=Proton Exchange Membrane). Dabei wird kontrolliert Wasserstoff mit Sauerstoff zusammengebracht und es entsteht Wasser. Es werden als Energie elektrische Energie (Strom) und Wärmeenergie frei. Die elektrische Energie wird z.B. genutzt, um einen Motor anzutreiben. In der Chemie formuliert man den Vorgang vereinfacht so: 2 H2 +O2 --->2 H2O +Energie Die Reaktion heißt eigentlich Knallgasreaktion, weil normalerweise, ohne die trickreiche Anordnung der Brennstoffzelle die beiden Gase explosionsartig miteinander reagieren. Auch in der Weltraumfahrt beim Space Shuttle wird diese Reaktion genutzt. Wie man sieht wird beim Liftoff des Space Shuttles bei der kontrollierten Knallgasreaktion neben Wärme auch extrem helles Licht abgestrahlt. Eine ähnlich intensive Verbrennung mit starker Wärme- und Lichtemission findet bei der Verbrennung des Metalls Magnesium in Luft statt. Dabei findet folgende Reaktion statt: 2 Mg + O2 ---> 2 MgO + Energie Tun wir mal so, wie wenn wir keine 2 Jahre Chemie in der Mittelstufe gehabt hätten und betrachten uns die beiden chemischen Gleichungen. Der Chemiker benutzt für jeden bei der Reaktion teilnehmenden Stoff eine Formel oder ein bestimmtes Symbol: O für Sauerstoff, Mg für Magnesium und H für Wasserstoff. Die Symbole findet man im Periodensystem der Elemente (PSE). Wie der Name schon sagt, bei einer Gleichung muß auf beiden Seiten das Gleiche stehen; in der Chemie verwendet man statt dem =-Zeichen einen Reaktionspfeil. Nehmen wir die Knallgasreaktion. Eine chemische Gleichung gibt uns verschiedene Information oder anders ausgedrückt, man kann sie auf verschiedene Art lesen: 1. Lesart: Der Stoff Wasserstoff reagiert mit dem Stoff Sauerstoff zu Wasser. 2. Lesart: Ein Teilchen Wasserstoff reagiert mit einem halben Teilchen Sauerstoff zu einem Teilchen Wasser. 3. Lesart: 2g Wasserstoff reagieren mit 8g Sauerstoff zu 18g Wasserstoff. Die 1. Lesart sagt einfach aus, welcher Stoff mit welchem zu welchem reagiert. Dabei nennt man die Stoffe die reagieren Ausgangsstoffe oder Edukte und die Stoffe die entstehen Endstoffe oder Produkte. Die 2. Lesart macht nun eine Aussage über die Menge der Teilchen, die miteinander reagieren. Die Gesamtzahl der Atome (egal ob geladen oder nicht) auf der linken und rechten Seite der Gleichung ist gleich. Die 3. Lesart sagt etwas über die Stoffmengen und Stoffmassen aus, die bei einem chemischen Vorgang mit einander reagieren. Seit den alten Griechen und Dalton (um 1800) wissen wir, daß Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen. Vereinfacht gesagt gibt es davon 3 Sorten, aus denen die Stoffe bestehen: Atome, Moleküle (=Verbindungen von Atomen) und Ionen (= geladene Atome oder Moleküle). Wenn wir uns diese Teilchen einfach kugelig vorstellen sieht das so aus:		Abb.1.1.1 PEM Brennstoffzelle   Abb. 1.1.2 Start des Space-Shuttles       Abb.1.1.3 Verbrennung von Mg-Pulver

Heute kann man mit dem Raster-Tunnelmikroskop Atome sichtbar machen. Dabei wird die äußere Form der Atome abgetastet. In der Abb.1.1.4 sind Silizium-Atome auf einer Kristalloberfläche zu sehen. Seit ca. 75 Jahren weiß man, daß Atome aus den folgenden noch kleineren Teilchen bestehen. Dies sind Protonen und Neutronen im Atomkern und Elektronen in der Atomhülle. Diese Elektronen sind ca. 2000 mal leichter als Protonen. Protonen (e+) sind positiv (+) , Elektronen (e-) (-) negativ geladen. Die Neutronen besitzen keine Ladung. (siehe unten rechts) Protonen und Neutronen heißen auch Nukleonen. Solche Teilchen sind sehr klein, ihr Durchmesser liegt im Bereich von pm (Picometer) bis nm (Nanometer). Zur Erinnerung hier die wichtigsten Längeneinheiten:

Abb. 1.1.4 Siliziumatome

Meter Millimeter Mikrometer 100m 10-3 m 10-6m 1 1/1000m 1/1 000 000m Nanometer Picometer 10-9m 10-12m 1/1000 000 000m 1/1000 000 000 000m

Atommassen, Molmasse

In der Natur hat man 92 verschiedene Atomsorten gefunden. Diese sind im Periodensystem der Elemente (PSE) aufgeführt (siehe Kapitel später). Beim Zusammentreten von Nukleonen zu einem Atomkern tritt stets ein Massendefekt auf, d.h. die Nukleonenmasse ist immer kleiner als die Summe der Protonen und Neutronen. Dies kommt daher, daß ein Teil der Masse in Energie umgewandelt wird, um den Kern zu stabilisieren. Bei mittelschweren Nukleonen beträgt der Massendefekt etwa 0,00814 g/mol. Der Zusammenhang der nuklearen Bindungsenergie mit der Masse wird durch die berühmte Relativitätsformel E = mc2 hergestellt. (E = Energie, m = Masse, und c = Lichtgeschwindigkeit). Seit Avogadro und Loschmidt kennen wir die Molzahl (=Avogadrozahl =Loschmidtzahl), also die Zahl der Atome (Teilchen in einem Mol). Dies sind 6,022 x 1023 Teilchen. (Loschmidt berechnete als erster 1821 die Anzahl Teilchen in einem m3 Gas) 1Mol = 602 000 000 000 000 000 000 000 Teilchen.   ein Mol Schwefel sind 6,02 x 1023 Schwefelatome   ein Mol Aluminium sind 6,02 x 1023 Aluminiumatome   ein Mol Wasser sind 6 x 1023 Wassermoleküle   ein Mol Kochsalz sind 6 x 1023 Natrium- und Chloridionen (je 1 Mol Na+ und 1 Mol Cl-) Unten sind die Mole von Schwefel, Eisen, Kochsalz, Kaliumdichromat und Saccharose (Rohrzucker) dargestellt.

Abb. 1.1.5 Massen der Elementarteilchen Elementarteilchen Masse (kg) Protonen 1,67252 x 10-27 Neutronen 1,67482 . 10-27 Elektronen 9,10908 . 10-31 Abb. 1.1.6 Massendefekt Abb. 1.1.7 Molmassen

Wie sich solche Atome oder Ionen miteinander verbinden werden wir später besprechen. Stoffe aus einzelnen Atomen kommen selten vor. Dies sind z.B. die Edelgase Ar, Ne, He, Kr, Xe und Radon. Was bedeuten nun die Zahlen vor und hinter den Symbolen? Die Zahl vorne ist klar. Sie gibt an wieviele von dem Teichen reagieren und die Zahl hinter den Teilchen bedeutet, wieviele vom selben Teilchen z.B in einem Molekül miteinander verbunden sind. Z.B. N2 bedeutet 2 N-Atome (Stickstoff) sind zu einem Stickstoffmolekül verbunden und reagieren damit zusammen. Bei der Verbrennung des Magnesiums kommt noch eine Besonderheit hinzu. Bei der Reaktionen entstehen Ionen (Mg2+ und O2-). Vollständigerweise müßte man die Formel Mg2+O2- auch so schreiben (Ionenschreibweise). Um alle Vorgänge zu vereinheitlichen kann man jedoch die Ladungen weglassen und die Molekülschreibweise anwenden, also MgO. Energieumsatz Wenden wir uns nun dem Energieumsatz bei chemischen Reaktionen zu. Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten. Kraft K = m × b; Arbeit A = K × s (Kraft: 1 dyn = 1 gcm / sec2 ; Arbeit: 1 Joule = 107 erg. Unser Beispiele oben sind solche mit einem recht großen Energieumsatz, d.h. es wird viel Energie frei. Welche Energieformen gibt es überhaupt? Man kann alle möglichen Formen einordnen in:

Abb. 1.1.9 Formeln   Abb. 1.1.10 Molare Lösungen Molarität = Mol/Liter mM = millimolar z.B. 1 molare HCl oder 1M HCl = 1Mol HCl in 1 Liter Wasser

Chemische Energie	Strahlungsenergie	Atomenergie	Wärmeenergie, kinetische Energie (=Bewegungsenergie)	elektrische Energie
Energie die in chemischen Stoffen enthalten ist = Enthalpie.	Energie der elektromagnetischen Strahlung UV, Licht, IR usw.	Energie, die aus Atomen durch Kernspaltung frei wird	Energie sich bewegender Teilchen	Energie des elektrischen Stroms

Die beiden Reaktionsbeispiele oben sind typisch bezüglich der Energiefreisetzung. In den meisten Fällen werden elektromagnetische Strahlung als Licht oder Wärme frei (bzw. benötigt). Wir wollen uns kurz klarmachen, welche Eigenschaften diese beiden Energieformen haben. Was ist Wärme? Wärme ist, vereinfacht gesprochen, die kinetische und potentielle Energie der Teilchen also die Energie der ungeordneten Teilchenbewegung (= Brownsche Bewegung). Als Beispiel kann ein ideales Gas dienen. Der gesamte Energieinhalt des idealen Gases ist die Summe der kinetischen Energien seiner Moleküle, d.h. Summe Ekin = Wärme Im engeren Sinne wird unter Wärme nur die Energieübertragung von einem System auf ein anderes verstanden. Dabei gibt es 3 Formen des Wärmetransports: Wärmestrahlung (nicht substanzgebunden) Wärme, die durch das Vakuum über Infrarotstrahlung übertragen. Beispiel: Aufwärmung des Körpers durch Sonnenstrahlung Wärmeleitung (substanzgebunden), Wärmetransfer von einer Substanz auf einen andere durch den direkten Kontakt der Teilchen. Beispiel: Man berührt eine heiße Herdplatte. Wärmeströmung (substanzgebunden), Wärme, die in Flüssigkeiten oder Gasen durch Dichteunterschiede von einem Ort zum anderen transportiert wird, indem sich die Moleküle bewegen. Beispiel: Warme Luft steigt auf. Falls kein Phasenübergang stattfindet, ist die Übertragung von Wärme stets mit einer Temperaturänderung verbunden und erfolgt stets in Richtung zur geringeren Temperatur. 1 Kalorie = 4.186 Joule = die Wärmemenge, die notwendig ist, um die Temperatur von 1 g Wasser um 1 °C zu erhöhen. Die Temperatur ist eine sog. Zustandsgröße der Thermodynamik und beschreibt die mittlere kinetische Energie der Moleküle eines Systems. (Temperatur ist ungeordnete Teilchenbewegung) Die Temperaturmessung erfolgt meist über Wärmeströmung (= Druckerhöhung) z. B. mit einem Thermometer oder mit den Wärmerezeptoren (= Ruffinische Endbüschel) der Haut. Man benutzt neben der Celsius-Skala die absolute Temperatur in K (Kelvin), um die Temperatur zu benennen. Bewegen sich die Teilchen nicht mehr, muß die Temperatur = 0° K sein oder -273,16 °C. Dies ist der absolute Nullpunkt. Eine solche Temperatur herrscht näherungsweise im Weltall (2,7°K).

Abb. 1.1.11 Wärme                                                 Abb. 1.1.12 Wärme

Weiterführende Quellen: Brennstoffzellen: http://www.innovation-brennstoffzelle.de/ NASA: http://spaceflight.nasa.gov/ Atommassen: http://ac16.uni-paderborn.de/lehrveranstaltungen/_aac/vorles/skript/kap_2/kap2_5/a_massen.html Thermodynamik: http://saftsack.fs.uni-bayreuth.de/thermo/skript.html und http://physik1.physik.uni-heidelberg.de/vrlsg/data/inhalt.htm und http://www.techfak.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/index.html und http://www.cond-mat.physik.uni-mainz.de/~metzger/preview/index.html Maxwell: http://comp.uark.edu/~jgeabana/mol_dyn/ und http://www-groups.dcs.st-andrews.ac.uk/~history/Mathematicians/Maxwell.html Kirchhoffsche Strahlungsgesetze: http://didaktik.physik.uni-wuerzburg.de/~pkrahmer/home/kirchho.html und http://www.geographie.ruhr-uni-bochum.de/agklima/vorlesung/strahlung/gesetze.html und http://www.adnex.de/data/strahlungsmessung/ Elektromagnetische Strahlung: http://www.ccinfo.de/technik/strahlen/strahlung.htm und http://www.tp2.ruhr-uni-bochum.de/~goeke/Vorlesung_SS2001/html/06-Beobachtungen-im-Universum.htm und http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/1166/infrarot.htm Photogallerie der Chemiker: http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/Gallery/GalleryMenu.html Laser: http://www.bell-labs.com/history/laser/laser_def.html Flammenfärbungen: http://library.thinkquest.org/3310/lographics/experiments/flmwatch.html Raster-Tunnelmikroskop: http://www.aip.org/history/einstein/atoms.htm