Überfachliche Grundlagen - Cheatsheet.pdf

Grundlagen der chemischen Elemente und Verbindungen

Definition:

Grundregeln und Prinzipien der chemischen Elemente und deren Verbindungen.

Details:

• Atomstruktur: Protonen, Neutronen, Elektronen
• Periodensystem: Gruppen und Perioden
• Elemente: Reine Stoffe aus gleichen Atomen
• Verbindungen: Stoffe aus unterschiedlichen Atomen
• Bindungstypen: Ionenbindung, kovalente Bindung, Metallbindung
• Stöchiometrie: Gesetz der konstanten Proportionen, Erhaltung der Masse
• Chemische Formeln: Empirische Formel, Molekülformel
• Reaktionsgleichungen: Bilanzierung, Reaktionsarten (Synthese, Zersetzung, Redox)
• Elementarwerkzeuge: Periodensystem, Molekülmodelle

Bindungstheorien und Struktur von Molekülen

Definition:

Theorien und Modelle, die chemische Bindungen und die geometrische Anordnung von Atomen in Molekülen beschreiben, um deren Eigenschaften zu erklären.

Details:

• Valence Bond Theory (VB): Überlappung von Atomorbitalen zur Bildung von σ- und π-Bindungen.
• Molecular Orbital Theory (MO): Kombination von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen, Bildung von bindenden und antibindenden Orbitalen.
• VSEPR-Modell: Vorhersage der molekularen Geometrie basierend auf der Abstoßung von Elektronenpaaren.
• Hybridisierung: Kombination von Atomorbitalen zu Hybridorbitalen, z.B. sp3, sp2, sp.
• Elektronegativität und Dipolmoment: Bestimmen die Polarität von Bindungen und Molekülen.
• Resonanzstrukturen: Veranschaulichung der Delokalisierung von Elektronen in Molekülen.

Funktionelle Gruppen und Reaktionsmechanismen

Definition:

Chemische Einheiten in Molekülen, die spezifische Reaktivität und Eigenschaften bestimmen. Reaktionsmechanismen beschreiben die Schritt-für-Schritt-Sequenz von Reaktionen, durch die chemische Verbindungen umgewandelt werden.

Details:

• Funktionelle Gruppen: Hydroxyl (\textit{-OH}), Carboxyl (\textit{-COOH}), Amin (\textit{-NH_2}), etc.
• Bestimmen physikalische und chemische Eigenschaften der Verbindungen.
• Reaktionsmechanismen: Nukleophile Substitution (\textit{S_N1, S_N2}), Elektrophile Addition, Radikalische Substitution.
• Beschreiben Elektronenfluss und Zwischenstufen.
• Wichtige Konzepte: Übergangszustände, Aktivierungsenergie, intermediäre Verbindungen.

Thermodynamik und kinetische Theorien

Definition:

Eigenschaften von Systemen im Gleichgewicht und die Gesetze, die die Energie- und Stoffumwandlung regeln; Untersuchung der Bewegungen von Teilchen und den daraus resultierenden Makro-Eigenschaften

Details:

• Erster Hauptsatz: \[ \text{d} U = \text{d} Q - \text{d} W \]
• Zweiter Hauptsatz: \[ \text{d} S \geq 0 \]
• Gibbsche freie Energie: \[ G = H - TS \]
• Arrhenius-Gleichung: \[ k = A e^{-E_a/RT} \]
• Maxwell-Boltzmann-Verteilung erstellt die Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen.
• Zusammenhang zwischen makroskopischen Messungen und mikroskopischen Bewegungen

Synthese und Charakterisierung von Festkörpern

Definition:

Synthese und Analyse von Materialien mit geordneten Strukturen und festen Aggregatzuständen.

Details:

• Synthesemethoden: Festkörperreaktionen, Sol-Gel-Prozess, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)
• Charakterisierungsmethoden: Röntgendiffraktometrie (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR)
• Wichtige Parameter bei der Synthese: Temperatur, Druck, Reaktionszeit, Ausgangsmaterialien
• Wichtige Parameter bei der Charakterisierung: Kristallstruktur, Morphologie, chemische Zusammensetzung

Organische Synthese- und Analysetechniken

Definition:

Methoden zur Herstellung und Untersuchung von organischen Verbindungen.

Details:

• Reaktionsmechanismen: radikalisch, nucleophil, elektrophil
• Chromatographie: Trennung und Reinigung
• Spektroskopie: NMR (\textsuperscript{1}H-NMR, \textsuperscript{13}C-NMR), IR, MS
• Reagenzien: Grignard, Organolithium, PCC, DIBAL-H
• Stereochemie: Konfiguration und Konformation
• Schutzgruppen: temporärer Schutz funktioneller Gruppen
• Multistep-Synthese: Sequenz von Reaktionen

Chemische Gleichgewichte und Phasenübergänge

Definition:

Gleichgewichtszustände in chemischen Reaktionen und das Verhalten von Stoffen während Phasenwechseln, unter Berücksichtigung der thermodynamischen Prinzipien.

Details:

• Gleichgewichtskonstante: \(K = \frac{{[C]^c[D]^d}}{{[A]^a[B]^b}}\)
• Le Chatelier's Prinzip: Störung eines Gleichgewichts führt zur Verschiebung, um die Störung zu minimieren.
• Phasenübergänge: Wechsel zwischen Fest, Flüssig und Gasförmig, beschrieben durch Enthalpieänderungen.
• Entropiezunahme beim Verdampfen und Schmelzen.
• Clausius-Clapeyron-Gleichung: \[ \frac{{dP}}{{dT}} = \frac{{\Delta H_{vap}}}{{T \Delta v}} \]