Chemie für Einsteiger und Durchsteiger (eBook)

Thomas Wurm hat nach dem Pharmaziestudium und einer Promotion in Physiologie mehrere Jahre in der pharmazeutischen Industrie im Bereich analytische bzw. galenische Entwicklung, Zulassung und Projektmanagement gearbeitet. Im Anschluss wendete er sich der Ausbildung im Berufsfeld Pharmazie zu. Er unterrichtet seither an einer Berufsfachschule u.a. die Fächer Arzneimittelkunde und Chemie in Theorie und Praxis.

Cover 1
Titelseite 5
Impressum 6
Inhaltsverzeichnis 7
Vorwort zur zweiten Auflage 15
1 Aufbau der Materie, Atombau und Periodensystem 17
1.1 Aufbau der Materie 17
1.1.1 Reinstoffe 17
1.1.2 Mischungen 17
1.1.3 Elemente und Verbindungen 18
1.2 Atombau 19
1.2.1 Der Atomkern 19
1.2.2 Die Elektronenhülle 23
1.3 Das Periodensystem der Elemente (PSE) 30
1.3.1 Ionisierungsenergie 32
1.3.2 Elektronenaffinität 33
1.3.3 Metalle und Nichtmetalle 34
1.3.4 Elektronegativität 35
1.4 Radioaktivität 35
1.4.1 Natürliche Radioaktivität 35
1.4.2 Die Halbwertszeit 36
1.4.3 Zerfallsreihen 37
1.4.4 Kernumwandlungen 37
1.4.5 Kernspaltung 37
1.4.6 Künstliche Nuklide 38
2 Reaktionsgleichungen und Stöchiometrie 43
2.1 Die Reaktionsgleichung 43
2.2 Umgesetzte Mengen und Massen 45
2.3 Die Stoffmenge Mol 46
2.4 Reaktionstypen in der Chemie 49
2.5 Konzentrationsangaben 49
2.5.1 Molare Lösungen 49
2.5.2 Prozentangaben 50
2.5.3 Kleine Konzentrationen 52
2.6 Die Aktivität 53
2.7 Rechenbeispiele 53
2.8 Mischungsrechnen 54
3 Bindungsarten 59
3.1 Die Ionenbindung 59
3.1.1 Kationenbildung 62
3.1.2 Anionenbildung 63
3.1.3 Salzbildung 63
3.1.4 Kristallwasser 65
3.1.5 Die molare Masse eines Salzes 66
3.1.6 Saure Salze 66
3.1.7 Kristallformen 67
3.2 Die Metallbindung 67
3.3 Die Elektronenpaarbindung 68
3.3.1 Lewis-Formeln 69
3.4 Mehrfachbindungen 70
3.4.1 Polare und unpolare Elektronenpaarbindungen 73
3.4.2 Die räumliche Anordnung von Molekülen 74
3.4.3 Anionenkomplexe 75
3.5 Komplexbindung 77
3.6 Bindungskräfte zwischen Molekülen 80
3.6.1 Ion-Dipol 80
3.6.2 Dipol-Dipol 80
3.6.3 Sonderfall Wasserstoffbrückenbindung 80
3.6.4 Induzierte Dipole und Van-der-Waals-Kräfte 81
3.6.5 Hydrophobe Bindungen 82
4 Kinetik und Thermodynamik 87
4.1 Chemische Kinetik 87
4.1.1 Die Reaktionsgeschwindigkeit 87
4.1.2 Die Stoßtheorie 89
4.1.3 Das chemische Gleichgewicht 90
4.1.4 Das Massenwirkungsgesetz 92
4.1.5 Das Prinzip des kleinsten Zwangs 94
4.1.6 Folgereaktionen 95
4.1.7 Die Reaktionsordnung 96
4.1.8 Molekularität einer Reaktion 97
4.2 Thermodynamik 98
4.2.1 Systeme 98
4.2.2 Energieformen 99
4.2.3 Energieinhalt 100
4.2.4 Energiedifferenzen 102
4.2.5 Die Enthalpie 103
4.2.6 Enthalpieberechnungen 105
4.2.7 Die innere Energie U 107
4.2.8 Die Entropie 108
4.2.9 Die Gibbs-Energie 110
4.3 Verbindungen zwischen Kinetik und Thermodynamik 112
4.3.1 Starten einer Reaktion 112
4.3.2 Katalysatoren 114
4.3.3 Die Gibbs-Energie und das chemische Gleichgewicht 114
5 Zustandsformen der Materie 121
5.1 Die Aggregatzustände 121
5.2 Phasenübergänge 123
5.3 Lösungen 124
5.3.1 Echte und kolloidale Lösungen 124
5.3.2 Löslichkeit 124
5.3.3 Allgemeine Regeln zur Löslichkeit 125
5.3.4 Das Löslichkeitsprodukt 126
5.3.5 Elektrolyte 127
5.3.6 Kolligative Eigenschaften 128
5.3.7 Die Oberflächenspannung 130
6 Säuren und Basen 133
6.1 Die Theorien von Arrhenius und Brönsted 133
6.2 Die Stärke von Säuren und Basen 135
6.2.1 Starke Säuren 136
6.2.2 Schwache Säuren 137
6.2.3 Die Reaktion des Anions einer schwachen Säure 137
6.2.4 Die Wertigkeit von Säuren und Basen 138
6.2.5 Der pKS-Wert 139
6.2.6 Starke und schwache Elektrolyte 140
6.2.7 Starke und schwache Basen 141
6.2.8 Die Säuredefinition nach Lewis 141
6.2.9 Ampholyte 142
6.3 Die Neutralisationsreaktion 143
6.4 Der pH-Wert 143
6.4.1 Die Dissoziation des Wassers 144
6.4.2 Die mathematische Herleitung 144
6.4.3 Reaktionen von Salzen in Wasser 146
6.4.4 pH-Wert-Berechnungen 148
6.5 Puffer 150
6.5.1 Bestandteile von Puffern 151
6.5.2 pH-Wert-Berechnungen und Pufferlösungen 151
7 Redoxreaktionen 157
7.1 Die Reaktion von Metallen mit Sauerstoff 157
7.2 Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen 158
7.3 Die Elektronenverteilung in Verbindungen 160
7.4 Oxidationszahlen 161
7.5 Häufig vorkommende Typen von Redoxreaktionen 162
7.5.1 Verbrennung 162
7.5.2 Rosten 163
7.5.3 Änderung der Sauerstoffanzahl im Molekül 163
7.5.4 Reaktionen von Metallen untereinander 164
7.5.5 Andere Redoxreaktionen ohne Beteiligung von Sauerstoff 164
7.6 Elementare Vorgänge bei Redoxreaktionen 165
7.7 Oxidations- und Reduktionsmittel 165
7.8 Das Aufstellen von Redoxgleichungen 166
7.8.1 Teilgleichungen 166
7.8.2 Basisches oder saures Milieu? 167
7.8.3 Die Bilanz 167
7.9 Disproportionierung und Komproportionierung 169
7.10 Die Spannungsreihe der Metalle 169
7.11 Elektrochemie 174
7.11.1 Elektrolyse 174
7.11.2 Galvanische Elemente 175
8 Angewandte anorganische Chemie 179
8.1 Anorganische Analytik 179
8.1.1 Identitätsprüfungen 179
8.1.2 Gehaltsbestimmungen 180
8.2 Großtechnische Prozesse 180
8.2.1 Roheisengewinnung und Stahlproduktion 180
8.2.2 Schwefelsäureherstellung 181
8.2.3 Salpetersäureherstellung 181
8.2.4 Salzsäureherstellung 182
8.2.5 Die Chlor-Alkali-Elektrolyse 182
8.2.6 Ammoniaksynthese 182
8.2.7 Sodaherstellung 182
9 Sonderstellung des Kohlenstoffs 183
9.1 Die Stellung des Kohlenstoffs im PSE 183
9.2 Die Bildung von Hybridorbitalen 184
9.3 Kohlenwasserstoffe 187
9.4 Die Vielfalt organischer Verbindungen: funktionelle Gruppen 187
9.5 Nomenklatur organischer Verbindungen 190
10 Kohlenwasserstoffe 195
10.1 Alkane 195
10.2 Verzweigte Alkane 195
10.2.1 Isomerie 198
10.3 Alkene 198
10.3.1 Polyene 199
10.4 Alkine 200
10.5 Aliphaten 200
10.6 Cyclische Kohlenwasserstoffe 201
10.7 Physikalische Eigenschaften der Kohlenwasserstoffe 202
10.8 Chemische Eigenschaften der Kohlenwasserstoffe 202
10.8.1 Alkane 203
10.8.2 Alkene 203
10.9 Aromatische Verbindungen 204
10.10 Erdöl und Kohle 206
10.11 Reaktionen der Aromaten 208
10.12 Halogenierte Kohlenwasserstoffe 209
11 Alkohole 213
11.1 Einwertige Alkohole 213
11.2 Mehrwertige Alkohole 215
11.3 Primäre, sekundäre und tertiäre Hydroxylgruppen 216
11.4 Reaktionen von Alkoholen 217
11.4.1 Etherbildung 217
11.4.2 Eigenschaften von Ethern 219
11.4.3 Organische Ester (niemals Esther!) 219
11.4.4 Nomenklatur der Ester 220
11.4.5 Anorganische Ester 220
11.4.6 Die Oxidation von Alkoholen 220
11.5 Phenole 222
11.5.1 Die saure Reaktion 223
11.5.2 Die Oxidation von Phenolen 223
11.5.3 Ether und Ester mit Phenolen 224
12 Aldehyde und Ketone 227
12.1 Die Carbonylgruppe 227
12.2 Nomenklatur der Aldehyde 228
12.3 Nomenklatur der Ketone 228
12.4 Reaktionen der Carbonylgruppe 229
12.4.1 Anlagerung von Wasser 231
12.4.2 Halbe und volle Acetale 231
12.4.3 Polymerisationen 232
12.4.4 Keto-Enol-Tautomerie 232
12.4.5 Die Aldolkondensation als C-Ketten-Verlängerung 233
12.4.6 Addition von Aminen 234
12.4.7 Reduzierende Eigenschaften/Oxidation 234
13 Amine 237
13.1 Die Aminogruppe 237
13.2 Primäre, sekundäre und tertiäre Amine 238
13.3 Die Basizität der Amine 239
13.4 Quartäre Amine 240
13.5 Aromatische Amine 241
13.6 Reaktionen mit salpetriger Säure/Nitrit 241
13.7 Weitere stickstoffhaltige Verbindungen 241
13.7.1 Ethylendiamin 241
13.7.2 Nitroverbindungen 241
14 Carbonsäuren 245
14.1 Die Carboxylgruppe 245
14.2 Die homologe Reihe der Carbonsäuren 247
14.3 Physikalische Eigenschaften 248
14.4 Die Säurestärke 248
14.5 Substituierte Carbonsäuren 249
14.5.1 Hydroxycarbonsäuren 250
14.5.2 Mehrwertige Carbonsäuren 251
14.5.3 Halogenierte Carbonsäuren 251
14.5.4 Ungesättigte Carbonsäuren 252
14.5.5 Aminocarbonsäuren 252
14.5.6 Aromatische Carbonsäuren 253
14.6 Derivate der Carboxylgruppe 253
14.6.1 Säurehalogenide 254
14.6.2 Säureanhydride 254
14.6.3 Säureamide 255
14.7 Typische Reaktionen von Carbonsäuren 256
14.7.1 Die Reaktion mit Wasser 256
14.7.2 Esterbildung und Verseifung 256
14.7.3 Inter- und intramolekulare Verbindungen 257
14.7.4 Schwefelhaltige Verbindungen 258
15 Reaktionstypen in der organischen Chemie 261
15.1 Grundsätzliches 261
15.1.1 Induktivität 261
15.1.2 Mesomerie 262
15.1.3 Elektrophile und nucleophile Teilchen 262
15.1.4 Radikale 263
15.1.5 Übergangszustände und Zwischenstufen 263
15.1.6 Reaktionstypen 264
15.2 Additionen 265
15.2.1 Elektrophile Addition 265
15.2.2 Verwandte Reaktionen 266
15.2.3 Nucleophile Addition 266
15.3 Substitutionen 267
15.3.1 Elektrophile Substitution 268
15.3.2 Die elektrophile Zweitsubstitution 269
15.3.3 Radikalische Substitution 270
15.4 Eliminierung 270
15.5 Umlagerung 271
15.6 Redoxreaktionen 271
16 Isomerie 277
16.1 Konformationsisomerie 277
16.2 Strukturisomerie 278
16.2.1 Ketten- oder Skelettisomerie 278
16.2.2 Stellungsisomerie 279
16.2.3 Tautomerie 279
16.2.4 Funktionsisomerie 279
16.2.5 Bindungs- oder Valenzisomere 280
16.2.6 Isomerie bei Cycloalkanen 280
16.3 Stereoisomerie 281
16.3.1 cis-trans- und E-Z-Isomerie 281
16.3.2 Spiegelbildisomerie 282
16.4 Optische Aktivität 287
17 Kunststoffe 291
17.1 Einteilung nach Materialeigenschaften 291
17.2 Halbsynthetische Kunststoffe 291
17.3 Vollsynthetische Kunststoffe 292
17.3.1 Polymerisation 292
17.3.2 Polykondensation 292
17.3.3 Weitere Kunststoffe 293
17.4 Silicone 293
18 Naturstoffe 295
18.1 Fette, Öle, Seifen, Wachse 295
18.1.1 Fette und Öle 295
18.1.2 Seifen 298
18.1.3 Wachse 299
18.2 Aminosäuren und Eiweiße 299
18.2.1 Aminosäuren 299
18.2.2 Eiweiße 301
18.3 Kohlenhydrate 303
18.3.1 Aldosen 303
18.4 Nucleinsäuren 311
18.4.1 Die DNA 311
18.4.2 Die RNA 314
19 Richtig gelöst 317
Literatur 371
Stichwortverzeichnis 373
EULA 381