Chemie - Grundlagen, Aufbauwissen, Anwendungen und Experimente
von: Peter Kurzweil, Paul Scheipers
Vieweg+Teubner (GWV), 2011
ISBN: 9783834882806
Sprache: Deutsch
337 Seiten, Download: 17566 KB
Format: PDF, auch als Online-Lesen
geeignet für:
| Vorwort | 6 | ||
| Inhaltsverzeichnis | 8 | ||
| Teil I Allgemeine undanorganische Chemie | 10 | ||
| 1 Chemie in Technik und Umwelt | 11 | ||
| 1.1 Von der Alchemie ins 21. Jahrhundert | 11 | ||
| 1.2 Chemie im Rohstoffwandel | 12 | ||
| 1.3 Der Stoffbegriff | 13 | ||
| 1.4 Chemische und physikalische Vorgänge | 14 | ||
| 1.5 Aggregatzustände und Eigenschaften der Materie (Stoffe) | 15 | ||
| 1.6 Gemische (Mischungen) | 15 | ||
| 1.6.1 Homogene und heterogene Systeme | 15 | ||
| 1.6.2 Legierungen | 16 | ||
| 1.6.3 Lösungen | 16 | ||
| 1.7 Trennung von Stoffgemischen | 17 | ||
| 1.8 Analyse und Synthese: So funktioniert Chemie! | 19 | ||
| 1.9 Chemische Experimente die begeistern! | 21 | ||
| 1.10 Aufgaben mit Lösungen | 22 | ||
| Literatur zur Allgemeinen und Anorganischen Chemie | 23 | ||
| 2 Aufbau der Materie (Atomlehre) | 24 | ||
| 2.1 Vorstellungen vom Atom | 24 | ||
| 2.2 Aufbau der Atome aus Elementarteilchen | 25 | ||
| 2.3 Der Atomkern | 26 | ||
| 2.3.1 RUTHERFORDs Streuversuch | 26 | ||
| 2.3.2 Elementsymbole und Atommassen | 27 | ||
| 2.4 Einblick in die Welt der Quanten | 28 | ||
| 2.5 Optische Linienspektren der Elemente | 29 | ||
| 2.6 Das BOHR’sche Atommodell | 30 | ||
| 2.7 Das wellenmechanische Atommodell (Orbitalmodell) | 33 | ||
| 2.8 Elektronenkonfiguration | 38 | ||
| 2.9 Aufgaben mit Lösungen | 39 | ||
| Literatur zur Physikalischen Chemie und Datensammlungen | 39 | ||
| 3 Periodensystem der Elemente (PSE) | 40 | ||
| 3.1 Der Elementbegriff | 40 | ||
| 3.2 Elementnamen und -symbole | 41 | ||
| 3.3 Vorkommen der Elemente | 41 | ||
| 3.4 Aufbau des Periodensystems | 43 | ||
| 3.5 Elektronenkonfiguration der Elemente | 44 | ||
| 3.6 Periodische Eigenschaften | 47 | ||
| 3.6.1. Metall- und Nichtmetallcharakter | 47 | ||
| 3.6.2 Säure- und Basenbildner | 50 | ||
| 3.6.3. Valenzelektronen und Oktettregel | 50 | ||
| 3.7 Aufgaben mit Lösungen | 51 | ||
| 4 Kernchemie und Kernenergie | 53 | ||
| 4.1 Elementarteilchen | 53 | ||
| 4.2 Natürliche und künstliche Radioaktivität | 55 | ||
| 4.3 Isotope und Massendefekt | 57 | ||
| 4.4 Stabilität der Nuklide | 58 | ||
| 4.5 Natürliche Zerfallsreihen | 59 | ||
| 4.6 Radioaktives Zerfallsgesetz | 59 | ||
| 4.7 Radioaktive Altersbestimmung | 61 | ||
| 4.8 Dosimetrie und Strahlenschutz | 62 | ||
| 4.8.1 Biologische Strahlenwirkung | 62 | ||
| 4.8.2 Dosimetrische Größen | 62 | ||
| 4.8.3 Dosis- und Strahlenmessgeräte | 64 | ||
| 4.9 Ionisierende Strahlung, Röntgenspektroskopie und Analytik | 65 | ||
| 4.10 Kernreaktionen | 68 | ||
| 4.11 Teilchenbeschleuniger | 70 | ||
| 4.12 Kernspaltung und Kernenergie | 70 | ||
| Kernreaktoren | 71 | ||
| Urananreicherung und Brennstoffkreislauf | 73 | ||
| 4.13 Kernfusion | 74 | ||
| 4.14 Aufgaben mit Lösungen | 75 | ||
| Literatur zur Radiochemie und instrumentellen Analytik | 77 | ||
| 5 Chemische Bindung und Struktur | 78 | ||
| 5.1 Ionenbindung | 79 | ||
| 5.1.1 Ionenwertigkeit | 82 | ||
| 5.1.2 Koordinationszahl im Ionengitter | 83 | ||
| 5.1.3 Gitterenergie | 84 | ||
| 5.1.4 Hydratation | 84 | ||
| 5.2 Atombindung (kovalente Bindung) | 85 | ||
| 5.2.1 Strukturformeln nach LEWIS | 85 | ||
| 5.2.2 Atom- und Molekülorbitale | 86 | ||
| 5.2.3 Hybridorbitale und Molekülgeometrie | 87 | ||
| 5.2.4 Hybridorbitale mit d-Elektronen | 88 | ||
| 5.2.5 Atomgitter | 89 | ||
| 5.3 Die metallische Bindung | 90 | ||
| 5.3.1 Kristallstruktur der Elemente | 90 | ||
| 5.3.2 Halbleiter | 92 | ||
| 5.4 Koordinationsverbindungen | 94 | ||
| 5.4.1 Komplexstabilität und Magnetismus | 97 | ||
| 5.4.2 Ligandenfeldtheorie | 98 | ||
| 5.5 Zwischenmolekulare Kräfte (Nebenvalenzbindungen) | 100 | ||
| 5.5.1 Unspezifische Wechselwirkungen | 100 | ||
| 5.5.2 Spezifische Wechselwirkungen | 101 | ||
| 5.6 Kristallstruktur und Molekülsymmetrie | 103 | ||
| 5.6.1 Kristallformen und -systeme | 103 | ||
| 5.6.2 Symmetrieelemente in Kristallen | 106 | ||
| 5.6.3 Kristallstrukturanalyse | 106 | ||
| 5.7 Reale Kristalle, Gefüge und Materialkenngrößen | 107 | ||
| 5.7.1 Gitterdefekte und Metallografie | 107 | ||
| 5.7.2 Spannungs-Dehnungs-Diagramm | 109 | ||
| 5.7.3 Härte | 109 | ||
| 5.8 Legierungen | 110 | ||
| 5.8.1 Kristallgemische und Mischkristalle | 110 | ||
| 5.8.2 Eisen-Kohlenstoff-Legierungen | 111 | ||
| 5.8.3 Legierung und Behandlung der Stähle | 112 | ||
| 5.8.4 Nichteisenmetalle | 114 | ||
| 5.8.5 Sintermetalle | 116 | ||
| 5.9 Technische Keramik | 117 | ||
| 5.10 Verbundwerkstoffe (Komposite) | 117 | ||
| 5.11 Chemische Experimente die begeistern! | 118 | ||
| 5.12 Aufgaben mit Lösungen | 119 | ||
| Literatur zur chemischen Bindung und Werkstofftechnik | 123 | ||
| 6 Chemische Reaktionen und Thermochemie | 124 | ||
| 6.1 Vom Atom zur chemischen Formel | 124 | ||
| 6.1.1 Chemische Formeln | 124 | ||
| 6.1.2 Wertigkeitsbegriffe | 125 | ||
| 6.1.3 Chemische Gleichungen | 126 | ||
| 6.2 Chemische Mengenbegriffe | 127 | ||
| 6.3 Volumenverhältnisse bei chemischen Reaktionen | 129 | ||
| 6.4 So gelingen stöchiometrische Berechnungen! | 131 | ||
| 6.5 Energieänderungen bei chemischen Reaktionen | 133 | ||
| 6.5.1 Exotherme und endotherme Reaktionen | 133 | ||
| 6.5.2 Freie Enthalpie | 133 | ||
| 6.5.3 Thermochemische Gesetze | 134 | ||
| 6.5.4 Verbrennungswärme | 136 | ||
| 6.5.5 Aktivierungs- und Zündenergie | 137 | ||
| 6.6 Chemisches Gleichgewicht: Nichts Stabiles! | 138 | ||
| 6.6.1 Reaktionsgeschwindigkeit | 138 | ||
| 6.6.2 Massenwirkungsgesetz (MWG) | 139 | ||
| 6.6.3 LE CHATELIER-Prinzip | 140 | ||
| 6.7 Katalyse: Wie man Reaktionen Beine macht! | 141 | ||
| 6.8 Chemische Experimente die begeistern! | 144 | ||
| 6.9 Aufgaben mit Lösungen | 145 | ||
| Literatur zur Technischen Chemie, Thermodynamik und Reaktionstechnik | 149 | ||
| 7 Säuren, Basen, Luftschadstoffe | 150 | ||
| 7.1 Wie wirken Säuren und Basen? | 150 | ||
| 7.2 Benennung anorganischer Säuren und Salze leicht gemacht! | 152 | ||
| 7.3 Säuren in Technik, Umwelt und Lebensmitteln | 154 | ||
| 7.3.1 Salzsäure | 154 | ||
| 7.3.2 Chlorsäuren | 155 | ||
| 7.3.3 Fluorwasserstoffsäure | 155 | ||
| 7.3.4 Schwefelsäure | 156 | ||
| 7.3.5 Schweflige Säure | 157 | ||
| 7.3.6 Salpetersäure | 158 | ||
| 7.3.7 Salpetrige Säure | 159 | ||
| 7.3.8 Phosphorsäure | 160 | ||
| 7.3.9 Kohlensäure | 161 | ||
| 7.4 Anorganische Basen | 161 | ||
| 7.5 Wie misst man die Stärke von Säuren und Basen? | 163 | ||
| 7.5.1 Dissoziationsgrad und Protolyse | 163 | ||
| 7.5.2 pK-Wert und Ionenprodukt | 164 | ||
| 7.5.3 Supersäuren | 165 | ||
| 7.6 Acidität, Basizität und pH-Rechnung | 166 | ||
| 7.7 Neutralisation, Hydrolyse, Titrationskurven | 168 | ||
| 7.8 Indikatoren und pH-Puffer | 170 | ||
| 7.9 Konzentrationsmaße | 171 | ||
| 7.10 Verdünnen von Säuren und Basen | 174 | ||
| 7.11 Titrationsformel und Maßanalyse | 174 | ||
| 7.12 Chemische Experimente die begeistern! | 177 | ||
| 7.13 Aufgaben mit Lösungen | 178 | ||
| 8 Lösungen, Fällungsreaktionen, Wasserchemie | 180 | ||
| 8.1 Löslichkeit und Löslichkeitsprodukt | 180 | ||
| 8.2 Wann muss man mit Aktivitäten rechnen? | 182 | ||
| 8.3 Fällungen und Gravimetrie | 184 | ||
| 8.4 Fremdioneneinfluss auf die Fällung von Niederschlägen | 184 | ||
| 8.5 Wasser und Abwasser | 186 | ||
| 8.5.1 Wasserhärte | 186 | ||
| 8.5.2 Wasservollentsalzung | 187 | ||
| 8.5.3 Kennwerte der Wasserqualität | 188 | ||
| 8.5.4 Sauerstoffgehalt und Güteklassen | 189 | ||
| 8.5.5 Trinkwasseraufbereitung | 190 | ||
| 8.5.6 Chemie der Abwasserreinigung | 190 | ||
| 8.6 Aufgaben mit Lösungen | 192 | ||
| 8.7 Chemische Experimente die begeistern! | 193 | ||
| Literatur zur Analytischen Chemie und Umweltchemie | 193 | ||
| 9 Elektrochemie | 194 | ||
| 9.1 Oxidation, Reduktion, Redoxsysteme | 194 | ||
| 9.2 Ohne Grenzflächen keine Elektrochemie! | 196 | ||
| 9.3 Normalpotential und Spannungsreihe | 197 | ||
| 9.4 Galvanische Elemente und Korrosion | 199 | ||
| 9.5 Batterien und Akkumulatoren | 202 | ||
| 9.6 Brennstoffzellen | 204 | ||
| 9.7 Elektrolyse und Galvanotechnik | 207 | ||
| 9.7.1 FARADAY'sche Gesetze | 208 | ||
| 9.7.2 Elektrolytische Stoffgewinnung | 209 | ||
| 9.7.3 Galvanotechnik | 210 | ||
| 9.8 Elektrodenvorgänge | 212 | ||
| 9.9 Elektroanalytik | 213 | ||
| 9.9.1 Potentiometrische pH-Messung | 213 | ||
| 9.9.2 Amperometrie und Voltammetrie | 215 | ||
| 9.9.3 Konduktometrie | 217 | ||
| 9.9.4 Coulometrie | 217 | ||
| 9.10 Redoxkatalyse und biologische Energiewandlung | 218 | ||
| 9.11 Chemische Experimente die begeistern! | 219 | ||
| 9.12 Aufgaben mit Lösungen | 221 | ||
| Literatur zur Elektrochemie | 223 | ||
| Teil II Organische Chemie | 224 | ||
| 10 Kohlenwasserstoffe | 226 | ||
| 10.1 Alkane und die Vielfalt des Kohlenstoffs | 226 | ||
| 10.2 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe und Aromaten | 228 | ||
| 10.3 Reaktionen der Kohlenwasserstoffe | 229 | ||
| Radikalische Substitution (SR) | 229 | ||
| Elektrophile Addition (AE) – typisch Alkene! | 230 | ||
| Elektrophile Substitution (SE) bei Aromaten | 232 | ||
| 10.4 Aufgaben mit Lösungen | 234 | ||
| 10.5 Chemische Experimente die begeistern! | 235 | ||
| Literatur zur Organischen Chemie, Biochemie und Lebensmittelchemie | 235 | ||
| 11 Stoffklassen, Reaktionen und Anwendungen | 236 | ||
| 11.1 Funktionelle Gruppen und Nomenklatur | 236 | ||
| 11.2 Halogenkohlenwasserstoffe | 237 | ||
| Nucleophile Substitution und Eliminierung | 238 | ||
| 11.3 Alkohole, Phenole und Ether | 239 | ||
| 11.4 Aldehyde und Ketone | 242 | ||
| Nucleophile Addition an CO-Gruppen | 242 | ||
| Aldoladdition und -kondensation | 244 | ||
| 11.5 Carbonsäuren und ihre Derivate | 245 | ||
| Ester, Fette, Seifen, Waschmittel | 247 | ||
| Aromatische Carbonsäuren und ihre Ester | 248 | ||
| 11.6 Organische Stickstoffverbindungen | 249 | ||
| Nitroverbindungen und Explosivstoffe | 249 | ||
| Amine, Arzneimittel und Azofarbstoffe | 249 | ||
| Azofarbstoffe | 250 | ||
| Nitrile, Isocyanate, Urethane | 251 | ||
| Aminosäuren, Peptide, Proteine | 252 | ||
| 11.7 Chemische Experimente die begeistern! | 254 | ||
| 11.8 Aufgaben mit Lösungen | 255 | ||
| 12 Polymerchemie | 257 | ||
| 12.1 Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere | 257 | ||
| 12.2 Synthetische Kunststoffe | 259 | ||
| 12.2.1 Additionspolymerisation I: Kettenreaktionen bei Alkenen | 259 | ||
| 12.2.2 Additionspolymerisation II: Polyaddition | 260 | ||
| Polyurethane | 260 | ||
| Epoxidharze | 261 | ||
| Polyacetale | 261 | ||
| 12.2.3 Kondensationspolymerisation bei Carbonylverbindungen | 261 | ||
| Polyamide | 262 | ||
| Polyester | 262 | ||
| Phenoplaste | 263 | ||
| Aminoplaste | 264 | ||
| Polycarbonat | 264 | ||
| Silicone | 264 | ||
| 12.3 Biopolymere und Naturstoffderivate | 265 | ||
| Kautschuk – natürliche Polyolefine | 265 | ||
| Cellulose – Polysaccharide | 265 | ||
| 12.4 Polymerisationsverfahren und Copolymerisation | 266 | ||
| 12.5 Polymerstruktur und chemisch-physikalische Eigenschaften | 266 | ||
| 12.6 Kunststoffadditive | 268 | ||
| 12.7 Chemische Experimente die begeistern! | 269 | ||
| 12.8 Aufgaben mit Lösungen | 271 | ||
| Literatur | 271 | ||
| 13 Nachhaltige Chemie | 272 | ||
| 13.1 Atomökonomie und umweltverträgliche Chemikalien | 272 | ||
| 13.2 Heterogene Katalysatoren und grüne Chemie | 273 | ||
| Heterogene Katalyse mit Zeolithen | 273 | ||
| Heterogene Basenkatalysatoren | 274 | ||
| Heterogene Oxidationskatalysatoren | 275 | ||
| Heterogene LEWIS-Säure-Katalysatoren | 275 | ||
| 13.3 Homogene Katalysatoren und asymmetrische Synthese | 275 | ||
| Phosphinkomplexe | 275 | ||
| Hydroformylierung (Oxosynthese) | 276 | ||
| Technische Essigsäure-Synthese | 276 | ||
| Polymersynthese | 277 | ||
| EPDM-Elastomere | 278 | ||
| Phasentransferkatalyse | 279 | ||
| „Grüne“ LEWIS-Basen | 279 | ||
| 13.4 Biokonversion: Enzymatische Katalyse | 279 | ||
| 13.5 Erneuerbare Energien und Rohstoffe | 280 | ||
| 13.5.1 Energetische Verwertung von Biomasse | 280 | ||
| 13.5.2 Solarenergie und Fotokatalyse | 281 | ||
| 13.5.3 Fettsäuren, Tenside und Schmierstoffe | 281 | ||
| 13.5.4 Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen | 282 | ||
| 13.5.5 Plattform-Chemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen | 283 | ||
| 13.5.6 Synthesegas und Bioraffinerie | 283 | ||
| 13.6 Alternative Lösungsmittel und Energiequellen | 284 | ||
| 13.6.1 Überkritische und ionische Fluide | 284 | ||
| 13.6.2 Mikrowellen- und Sonochemie | 284 | ||
| 13.7 Aufgaben mit Lösungen | 285 | ||
| Literatur zur Nachhaltigen Chemie | 285 | ||
| Teeil III Anorganische Stoffchemie - Gefahrstoffe und Arbeitsschutz | 286 | ||
| 14 Chemie der Elemente | 287 | ||
| 14.1 Hauptgruppenelemente | 287 | ||
| I a Wasserstoff und Alkalimetalle (Gruppe 1 ) | 287 | ||
| Alkalimetalle (kurz: MI) | 289 | ||
| II a Erdalkalimetalle (Gruppe 2: MII) | 291 | ||
| III a Borgruppe (Gruppe 13:Triele, Erdmetalle) | 293 | ||
| IVa Kohlenstoffgruppe (Gruppe 14: Tetrele) | 295 | ||
| V a Stickstoffgruppe (Gruppe 15: Pentele, kurz Z) | 297 | ||
| VI a Chalkogene (Gruppe 16: Sauerstoffgruppe, kurz Y) | 299 | ||
| VII a Halogene (Gruppe 17: kurz X) | 301 | ||
| VIII a Edelgase (Gruppe 18) | 303 | ||
| 14.2 Nebengruppenelemente (Übergangsmetalle) | 304 | ||
| I b Kupfergruppe (Gruppe 11: Münzmetalle) | 304 | ||
| II b Zinkgruppe (Gruppe 13) | 306 | ||
| III b Scandiumgruppe, Seltenerdmetalle, Actinoide (Gruppe 3) | 307 | ||
| IV b Titangruppe (Gruppe 4) | 309 | ||
| V b Vanadiumgruppe (Gruppe 5) | 311 | ||
| VI b Chromgruppe (Gruppe 6) | 312 | ||
| VII b Mangangruppe (Gruppe 7) | 314 | ||
| VIII b Eisen- und Platinmetalle (Gruppe 8, d6 bis d8) | 314 | ||
| 14.3 Aufgaben mit Lösungen | 318 | ||
| Literatur zur Anorganischen Stoffchemie | 319 | ||
| 15 Chemikalien am Arbeitsplatz | 319 | ||
| 15.1 Umgang mit Gefahrstoffen | 319 | ||
| 15.2 Gefahrensymbole, Gefahrstofftransport, Chemikalienlager | 319 | ||
| EU-Gefahrensymbole und Risiken | 321 | ||
| Global Harmonisches System (GHS) und Gefahrguttransport (UN) | 321 | ||
| 15.3 Arbeitsschutzkennzahlen und Innenraumbelastungen | 324 | ||
| 15.4 Aufgaben mit Lösungen | 327 | ||
| Literatur und Internetadressen zu Toxikologie und Arbeitsschutz | 327 | ||
| Stichwortverzeichnis | 328 |