Chemie kann grundsätzlich als die Lehre von Atomen und Molekülen verstanden werden. In diesem Modul werden wir die Experimente untersuchen, die zeigen, dass alle Materie aus Atomen besteht, die sich zu Molekülen verbinden. Die kluge Analyse dieser Experimente veranschaulicht wissenschaftliches Denken vom Feinsten und ermöglicht es uns, die Existenz und die Eigenschaften von Teilchen zu verstehen, die nicht direkt beobachtet werden können. Durch die Messung der relativen Massen der verschiedenen Arten von Atomen können wir außerdem beginnen, die Massenverhältnisse von Reaktanten und Produkten während einer chemischen Reaktion vorherzusagen.

Der Nachweis der Existenz von Atomen und das Wissen, dass sie sich zu Molekülen verbinden, bietet keine Möglichkeit, vorherzusagen, wie oder warum sich diese Atome verbinden könnten. Dazu sind genauere Informationen über die Struktur und die Eigenschaften der einzelnen Atome erforderlich. In diesem Modul erweitern wir unser Verständnis von Atomen, indem wir Beobachtungen machen, die die innere Struktur des Atoms offenbaren, einschließlich eines Modells für die Anordnung der Elektronen um den Atomkern.

Das Modell der Elektronenhülle erklärt nicht alle beobachtbaren Eigenschaften der Atome, einschließlich der Energien und Bewegungen der Elektronen. In diesem Modul stellen wir fest, dass diese Energien quantisiert sind. Wir beobachten auch Verhaltensweisen, die die überraschende Tatsache offenbaren, dass die Bewegung der Elektronen durch Wellen oder "Orbitale" beschrieben wird, die die Wahrscheinlichkeit für die Bewegung der Elektronen um den Kern liefern. Dieses Modul führt uns in die seltsame Welt der Quantenmechanik.

Um die Arten von Verbindungen, die gebildet werden können, und die Eigenschaften dieser Verbindungen zu verstehen, müssen wir verstehen, wie sich Atome zu Molekülen zusammenschließen. In diesem Modul entwickeln wir ein Modell für die Bindung von Nicht-Metall-Atomen an Nicht-Metall-Atome, eine sogenannte kovalente Bindung. Anhand dieses Modells können Sie vorhersagen, welche Kombinationen von Atomen stabil und welche instabil sind. Beobachtungen der Strukturen der Moleküle führen zu einem Modell zum Verständnis der Molekulargeometrien und der mit diesen Geometrien verbundenen Eigenschaften. Auf dieser Grundlage können wir verstehen und vorhersagen, wie die Molekularstruktur mit der molekularen Reaktivität und Funktion zusammenhängt.

In diesem Modul erweitern wir unser Modell der Bindungen, indem wir die Eigenschaften von Verbindungen zwischen Metallen und Nicht-Metallen beobachten. Diese Eigenschaften offenbaren die Existenz von Ionenbindungen, die im Gegensatz zu kovalenten Bindungen stehen. Wir betrachten auch die Eigenschaften von reinen Metallen und von Metallverbindungen, was zu einem Modell führt, das die Bindung zwischen Metallatomen erklärt. Wir entwickeln eine Methode zur Unterscheidung und Vorhersage der drei Arten von Bindungen: kovalente, ionische und metallische.

Chemische Reaktionen sind mit Energieänderungen verbunden, meist mit der Übertragung von Wärme in oder aus der Reaktion. Viele chemische Reaktionen werden speziell wegen der Freisetzung von Wärme oder anderen Formen von Energie durchgeführt. In diesem Modul entwickeln wir ein Mittel, um diese Energieübertragungen zu messen, und wir nutzen diese Messungen, um Gesetze zu entwickeln, die die Energieübertragungen regeln. Diese Gesetze ermöglichen es uns, die Energieänderungen während einer Reaktion zu berechnen und vorherzusagen und die Energie einer Reaktion anhand der Energien der Bindungen zwischen den Atomen zu verstehen, die sich während einer Reaktion auflösen und bilden.

Eine der Stärken der Chemie ist die Fähigkeit, die Eigenschaften einzelner Moleküle mit den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Verbindungen dieser Moleküle zu verbinden. Mit anderen Worten, wir wollen die atomare molekulare Welt mit der makroskopischen Welt der Materialien in Beziehung setzen. Wir beginnen diese Studie mit der Beobachtung der physikalischen Eigenschaften von Gasen und der Ableitung einer Gleichung, die diese Eigenschaften miteinander in Beziehung setzt. Ausgehend von diesem Gesetz können wir ein Modell entwickeln, das beschreibt, wie diese physikalischen Eigenschaften aus den Eigenschaften und Bewegungen der einzelnen Moleküle resultieren. Das Verständnis der Bedeutung der Temperatur ist ein wichtiger Teil dieser Studie.

Substanzen können in verschiedenen physikalischen Zuständen existieren, die wir "Phasen" nennen Dazu gehören fest, flüssig und gasförmig. In diesem Modul untersuchen wir die Übergänge zwischen diesen Phasen, die nur bei bestimmten Kombinationen von Temperatur und Druck beobachtet werden können. Außerdem beobachten wir, dass die Phasen bei diesen spezifischen Temperaturen und Drücken miteinander im Gleichgewicht sind. Aus unseren Beobachtungen entwickeln wir ein Modell zur Beschreibung des Phasengleichgewichts, indem wir die Konzepte der kinetischen Molekulartheorie verwenden, die wir im vorherigen Modul abgeleitet haben.

Chemische Reaktionen laufen sehr unterschiedlich schnell ab. Manche laufen so langsam ab, dass wir sie erst mit großem zeitlichen Abstand bemerken, und andere laufen explosionsartig schnell ab. In diesem Modul entwickeln wir Messungen der Reaktionsgeschwindigkeiten und bestimmen die Faktoren, die eine Reaktion schneller oder langsamer ablaufen lassen können. Diese Beobachtungen werden in Gleichungen zusammengefasst, die als Ratengesetze bezeichnet werden, wobei jede Reaktion ihr eigenes empirisches Ratengesetz hat. Mithilfe der kinetischen Molekulartheorie entwickeln wir ein Modell, um zu verstehen, wie und warum jeder Faktor im Ratengesetz für die Bestimmung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion wichtig ist.

Bei vielen chemischen Reaktionen wird beobachtet, dass sie "zu Ende gehen", d.h., dass im Wesentlichen alle Reaktanten verbraucht werden, um Produkte im Rahmen der Stöchiometrie der Reaktion zu erzeugen. Andere chemische Reaktionen laufen jedoch nicht bis zur Vollendung ab. Vielmehr beobachten wir, dass Reaktanten und Produkte bei bestimmten beobachtbaren Konzentrationen oder Drücken gleichzeitig existieren können. Dieses Gleichgewicht zwischen Reaktanten und Produkten folgt einer Gleichung, die Gleichgewichtskonstante genannt wird. In diesem Modul beobachten wir viele Beispiele von Gleichgewichtsreaktionen, wir messen ihre Gleichgewichtskonstanten und nutzen diese, um Vorhersagen darüber zu treffen, wie die Ausbeute chemischer Reaktionen maximiert werden kann. Zu diesen wichtigen Reaktionen gehören auch die Reaktionen mit Säuren und Basen.

Einer der subtilsten Aspekte der Chemie besteht darin, die Faktoren zu verstehen, die eine chemische Reaktion günstig oder ungünstig machen. In diesem Modul gehen wir diesem Verständnis nach, indem wir beobachten, was einen Prozess "spontan" macht, und wir entwickeln das Konzept der Entropie als Vorhersageinstrument für Spontaneität. Wir betrachten den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und entwickeln daraus ein Modell zur Vorhersage des chemischen Gleichgewichts, das auf einer neuen Größe namens "freie Energie" basiert Abschließend setzen wir die freie Energie mit der Gleichgewichtskonstante in Beziehung, die wir in einem früheren Modul beobachtet haben, und gelangen so zu einer der schönsten Theorien der gesamten Wissenschaft.