Chemie (eBook)

Charles E. Mortimer, Ulrich Müller: Chemie 1
Vorderer Einband 2
Auf einen Blick 5
Innentitel 9
Impressum 10
Vorwort 11
Danksagung 12
Hinweise zur Benutzung 13
Inhaltsverzeichnis 15
1 Einleitung 21
1.1 Historische Entwicklung der Chemie 22
1.2 Elemente, Verbindungen, Gemische 25
1.3 Stofftrennung 27
1.3.1 Heterogene Gemische 27
1.3.2 Homogene Gemische 29
1.4 Maßeinheiten 30
1.5 Genauigkeit und signifikante Stellen 31
1.6 Mittelwert und Standardabweichung 32
2 Einführung in die Atomtheorie 34
2.1 Die Dalton-Atomtheorie 34
2.2 Das Elektron 35
2.2.1 Die Ladung des Elektrons 36
2.3 Das Proton 36
2.4 Das Neutron 37
2.5 Aufbau der Atome 37
2.5.1 Natürliche Radioaktivität 37
2.5.2 Das Rutherford-Atommodell 38
2.6 Atomsymbole 39
2.7 Isotope 39
2.8 Atommassen 40
3 Stöchiometrie Teil I: Chemische Formeln 43
3.1 Moleküle und Ionen 43
3.1.1 Moleküle 43
3.1.2 Ionen 44
3.1.3 Andere Atomaggregate 45
3.2 Empirische Formeln 45
3.3 Das Mol 45
3.4 Prozentuale Zusammensetzung von Verbindungen 47
3.5 Ermittlung chemischer Formeln 48
4 Stöchiometrie Teil II: Chemische Reaktionsgleichungen 52
4.1 Chemische Reaktionsgleichungen 52
4.1.1 Verbrennungsprozesse 53
4.1.2 Umrechnung auf umgesetzte Massen 54
4.2 Begrenzende Reaktanden 55
4.3 Ausbeute bei chemischen Reaktionen 56
4.4 Konzentration von Lösungen 56
5 Energieumsatz bei chemischen Reaktionen 61
5.1 Energiemaße 62
5.2 Temperatur und Wärme 62
5.3 Kalorimetrie 63
5.4 Reaktionsenergie und Reaktionsenthalpie 64
5.5 Der Satz von Hess 66
5.6 Bildungsenthalpien 67
5.7 Bindungsenergien 70
6 Die Elektronenstruktur der Atome 74
6.1 Elektromagnetische Strahlung 75
6.2 Atomspektren 76
6.2.1 Das Bohr-Atommodell 77
6.3 Ordnungszahl und das Periodensystem der Elemente 79
6.3.1 Das Moseley-Gesetz 81
6.3.2 Einteilung des Periodensystems 81
6.4 Wellenmechanik 83
6.4.1 Die De-Broglie-Beziehung 83
6.4.2 Die Heisenberg-Unschärferelation 84
6.4.3 Das Elektron im Kasten 85
6.4.4 Die Schrödinger-Gleichung 86
6.5 Quantenzahlen 87
6.5.1 Das Pauli-Prinzip 91
6.6 Orbitalbesetzung und die Hund-Regel 91
6.7 Die Elektronenstruktur der Elemente 94
6.8 Halb- und vollbesetzte Unterschalen 96
6.9 Einteilung der Elemente 99
7 Eigenschaften der Atome und die Ionenbindung 102
7.1 Atomgröße 103
7.2 Ionisierungsenergien 105
7.3 Elektronenaffinitäten 107
7.4 Die Ionenbindung 109
7.5 Gitterenergie 110
7.6 Arten von Ionen 112
7.7 Ionenradien 114
7.8 Nomenklatur von Ionenverbindungen 116
8 Die kovalente Bindung 119
8.1 Konzept der kovalenten Bindung 119
8.2 Übergänge zwischen Ionenbindung und kovalenter Bindung 121
8.3 Elektronegativität 123
8.4 Formalladungen 125
8.5 Mesomerie (Resonanz) 127
8.6 Nomenklatur von binären Molekülverbindungen 129
9 Molekülstruktur, Molekülorbitale 131
9.1 Ausnahmen zur Oktettregel 132
9.2 Elektronenpaar-Abstoßung und Molekülstruktur 132
9.3 Hybridorbitale 137
9.4 Molekülorbitale 139
9.5 Molekülorbitale in mehratomigen Molekülen 143
9.6 Delokalisierte Bindungen 144
9.7 Stark polare kovalente Bindungen 148
9.8 Hypervalente Atome 148
9.9 Die Bindung in Metallen 150
9.10 Halbleiter 153
10 Gase 155
10.1 Druck 156
10.2 Das Avogadro-Gesetz 157
10.3 Das ideale Gasgesetz 158
10.4 Stöchiometrie und Gasvolumina 160
10.5 Die kinetische Gastheorie 162
10.5.1 Herleitung des idealen Gasgesetzes mit der kinetischen Gastheorie 162
10.6 Das Dalton-Gesetz der Partialdrücke 163
10.7 Molekülgeschwindigkeiten in Gasen 165
10.8 Das Graham-Effusionsgesetz 166
10.9 Reale Gase 167
10.10 Verflüssigung von Gasen 169
11 Flüssigkeiten 173
11.1 Intermolekulare Anziehungskräfte 174
11.2 Wasserstoff-Brücken 176
11.3 Der flüssige Zustand 177
11.4 Verdampfung 178
11.5 Dampfdruck 179
11.6 Siedepunkt 180
11.7 Verdampfungsenthalpie 180
11.8 Gefrierpunkt und Schmelzpunkt 181
11.9 Dampfdruck von Festkörpern 182
11.10 Phasendiagramme 182
12 Feststoffe 185
12.1 Arten von kristallinen Feststoffen 186
12.2 Kristallstruktur und Symmetrie 187
12.3 Kristallstrukturen von Metallen 190
12.4 Ionenkristalle 193
12.5 Defektstrukturen 196
12.6 Flüssigkristalle 197
12.7 Nanostrukturen 197
13 Strukturaufklärung 201
13.1 Röntgenbeugung 201
13.2 Kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie 206
14 Lösungen 211
14.1 Allgemeine Betrachtungen 212
14.2 Der Auflösungsprozess 213
14.3 Hydratisierte Ionen 214
14.4 Lösungsenthalpie 215
14.5 Abhängigkeit der Löslichkeit von Druck und Temperatur 216
14.6 Konzentration von Lösungen 217
14.7 Dampfdruck von Lösungen 220
14.8 Gefrierpunkt und Siedepunkt von Lösungen 221
14.9 Osmose 223
14.10 Destillation 226
14.11 Elektrolyt-Lösungen 227
14.12 Interionische Wechselwirkungen in Lösungen 228
14.13 Kolloide Lösungen und Gele 229
14.14 Tenside und Mizellen 229
14.15 Ionische Flüssigkeiten 231
15 Reaktionen in wässriger Lösung 234
15.1 Metathese-Reaktionen 234
15.2 Oxidationszahlen 237
15.3 Reduktions-Oxidations-Reaktionen 239
15.4 Arrhenius-Säuren und -Basen 242
15.5 Saure und basische Oxide 244
15.6 Nomenklatur von Säuren, Hydroxiden und Salzen 245
15.7 Volumetrische Analyse 247
15.8 Äquivalentmasse und Äquivalentkonzentration 249
16 Reaktionskinetik 253
16.1 Reaktionsgeschwindigkeit 254
16.2 Konzentrationsabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 255
16.3 Zeitabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 256
16.3.1 Reaktionen erster Ordnung 256
16.3.2 Reaktionen zweiter Ordnung 258
16.3.3 Reaktionen nullter Ordnung 259
16.4 Einstufige Reaktionen 260
16.4.1 Kollisionstheorie 261
16.4.2 Theorie des Übergangszustands 262
16.5 Geschwindigkeitsgesetze für einstufige Reaktionen 263
16.6 Reaktionsmechanismen 264
16.7 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 266
16.8 Katalyse 267
17 Das chemische Gleichgewicht 273
17.1 Reversible Reaktionen und chemisches Gleichgewicht 274
17.2 Die Gleichgewichtskonstante Kc 275
17.2.1 Heterogene Gleichgewichte 278
17.3 Die Gleichgewichtskonstante Kp 278
17.4 Das Prinzip des kleinsten Zwanges 280
18 Säuren und Basen 284
18.1 Das Arrhenius-Konzept 285
18.2 Das Brønsted-Lowry-Konzept 285
18.3 Die Stärke von Brønsted-Säuren und -Basen 286
18.4 Säurestärke und Molekülstruktur 287
18.4.1 Säuren, in denen Wasserstoff-Atome nicht an Sauerstoff-Atome gebunden sind 288
18.4.2 Oxosäuren 289
18.5 Das Lewis-Konzept 290
18.6 Lösungsmittelbezogene Säuren und Basen 292
19 Säure-Base-Gleichgewichte 295
19.1 Das Ionenprodukt des Wassers. pH-Wert 296
19.2 Schwache Elektrolyte 297
19.3 Indikatoren 302
19.4 Pufferlösungen 303
19.5 Mehrprotonige Säuren 306
19.6 Salze schwacher Säuren und Basen 309
19.7 Säure-Base-Titrationen 311
19.7.1 Titration einer starken Säure mit einer starken Base 311
19.7.2 Titration einer schwachen Säure mit einer starken Base 312
19.7.3 Titration einer schwachen Base mit einer starken Säure 313
19.8 Erweiterung des Säure-Base-Konzepts auf Festkörper 313
20 Löslichkeitsprodukt und Komplex-Gleichgewichte 317
20.1 Das Löslichkeitsprodukt 317
20.2 Fällungsreaktionen 319
20.3 Fällung von Sulfiden 322
20.4 Komplex-Gleichgewichte 323
21 Grundlagen der chemischen Thermodynamik 328
21.1 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 329
21.2 Enthalpie 330
21.3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 331
21.4 Die freie Enthalpie 333
21.5 Freie Standard-Enthalpien 335
21.6 Absolute Entropien 335
21.7 Gleichgewicht und freie Reaktionsenthalpie 337
21.8 Temperaturabhängigkeit von Gleichgewichtskonstanten 339
22 Elektrochemie 342
22.1 Elektrischer Strom 343
22.2 Elektrolytische Leitung 344
22.3 Elektrolyse 345
22.4 Stöchiometrische Gesetze bei der Elektrolyse 346
22.5 Galvanische Zellen 348
22.6 Die elektromotorische Kraft 349
22.7 Elektrodenpotenziale 350
22.8 Freie Reaktionsenthalpie und elektromotorische Kraft 354
22.9 Konzentrationsabhängigkeit des Potenzials 356
22.10 Potenziometrische Titration 360
22.11 Elektrodenpotenziale und Elektrolyse 360
22.12 Korrosion und Korrosionsschutz 361
22.13 Elektrochemische Herstellung von nanostrukturierten Materialien 362
22.14 Galvanische Zellen für den praktischen Gebrauch 363
22.15 Brennstoffzellen 365
23 Wasserstoff 369
23.1 Vorkommen und physikalische Eigenschaften 369
23.2 Herstellung von Wasserstoff 370
23.2.1 Technische Herstellungsverfahren 370
23.2.2 Laboratoriumsmethoden 372
23.3 Chemische Eigenschaften des Wasserstoffs 372
23.4 Technische Verwendung von Wasserstoff 374
24 Halogene 375
24.1 Eigenschaften der Halogene 375
24.2 Vorkommen und Herstellung der Halogene 377
24.3 Interhalogen-Verbindungen 379
24.4 Halogenwasserstoffe 381
24.5 Halogenide 382
24.6 Oxosäuren der Halogene 383
24.6.1 Hypohalogenige (oder Unterhalogenige) Säuren und Hypohalogenite 384
24.6.2 Chlorige Säure und Chlorite 386
24.6.3 Halogensäuren und Halogenate 386
24.6.4 Perhalogensäuren und Perhalogenate 387
24.7 Verwendung der Halogene 387
25 Die Edelgase 389
25.1 Vorkommen und Gewinnung der Edelgase 389
25.2 Eigenschaften der Edelgase 390
25.3 Verwendung der Edelgase 391
26 Die Elemente der 6. Hauptgruppe (Gruppe 16) 392
26.1 Allgemeine Eigenschaften der Chalkogene 393
26.2 Vorkommen und Gewinnung von Sauerstoff 394
26.3 Reaktionen des Sauerstoffs 394
26.4 Verwendung von Sauerstoff 397
26.5 Ozon 397
26.6 Schwefel, Selen und Tellur 398
26.7 Vorkommen und Gewinnung von Schwefel, Selen und Tellur 399
26.8 Wasserstoff-Verbindungen von Schwefel, Selen und Tellur 400
26.9 Schwefel-, Selen- und Tellur-Verbindungen in der Oxidationsstufe +IV 401
26.10 Schwefel-, Selen- und Tellur-Verbindungen in der Oxidationsstufe +VI 403
26.11 Verwendung von Schwefel, Selen und Tellur 406
27 Die Elemente der 5. Hauptgruppe (Gruppe 15) 408
27.1 Allgemeine Eigenschaften 409
27.2 Die Elementstrukturen von Phosphor, Arsen, Antimon und Bismut 410
27.3 Der Stickstoffzyklus 411
27.4 Vorkommen und Herstellung der Elemente der 5. Hauptgruppe 412
27.5 Nitride und Phosphide 413
27.6 Wasserstoff-Verbindungen 414
27.7 Halogen-Verbindungen 416
27.8 Oxide und Oxosäuren des Stickstoffs 417
27.9 Luftverschmutzung 420
27.10 Oxide und Oxosäuren des Phosphors 424
27.11 Oxide und Oxosäuren von Arsen, Antimon und Bismut 426
27.12 Verwendung der Elemente der 5. Hauptgruppe 427
28 Kohlenstoff, Silicium und Bor 429
28.1 Allgemeine Eigenschaften der Elemente der 4. Hauptgruppe 430
28.2 Die Strukturen der Elemente der 4. Hauptgruppe 432
28.3 Vorkommen, Gewinnung und Verwendung von Kohlenstoff und Silicium 434
28.4 Carbide, Silicide und Silane 436
28.5 Oxide und Oxosäuren des Kohlenstoffs 438
28.6 Siliciumdioxid und Silicate 439
28.7 Schwefel- und Stickstoff-Verbindungen des Kohlenstoffs 442
28.8 Allgemeine Eigenschaften der Elemente der 3. Hauptgruppe (Gruppe 13) 442
28.9 Elementares Bor 443
28.10 Bor-Verbindungen 444
28.11 Borane (Borhydride) 445
29 Metalle 448
29.1 Physikalische Eigenschaften von Metallen 449
29.2 Vorkommen von Metallen 451
29.3 Metallurgie: Aufbereitung von Erzen 452
29.4 Metallurgie: Reduktion 454
29.5 Metallurgie: Raffination 459
29.6 Metallurgie: Wiederaufbereitung 460
29.7 Die Alkalimetalle 461
29.8 Die Erdalkalimetalle 464
29.9 Die Metalle der 3. Hauptgruppe 467
29.10 Die Metalle der 4. Hauptgruppe 470
29.11 Die Übergangsmetalle 472
29.12 Die Lanthanoide 477
30 Komplex-Verbindungen 481
30.1 Struktur von Komplex-Verbindungen 482
30.2 Stabilität von Komplexen 486
30.3 Nomenklatur von Komplexen 487
30.4 Isomerie 487
30.5 Die Bindungsverhältnisse in Komplexen 489
31 Organische Chemie Teil I: Kohlenwasserstoffe 499
31.1 Alkane 500
31.1.1 Konformation der Alkane und Cycloalkane 502
31.1.2 Gewinnung von Alkanen und Cycloalkanen 504
31.1.3 Eigenschaften der Alkane 506
31.2 Alkene 506
31.3 Alkine 507
31.4 Arene 508
31.5 Reaktionen der Kohlenwasserstoffe. Radikalische Substitution. Addition 509
31.6 Cycloaddition und die Bedeutung der Orbitalsymmetrie für chemische Reaktionen 512
31.7 Reaktionen von Arenen. Elektrophile Substitution 512
32 Organische Chemie Teil II: Funktionelle Gruppen 517
32.1 Halogenalkane. Nucleophile Substitution. Eliminierungsreaktionen 518
32.2 Metallorganische Verbindungen 521
32.3 Alkohole, Phenole und Thiole 522
32.4 Ether 525
32.5 Carbonyl-Verbindungen 526
32.6 Carbonsäuren und ihre Derivate 531
32.7 Amine und Carbonsäureamide 538
32.8 Aminosäuren und Peptide 541
32.9 Azo- und Diazo-Verbindungen 542
32.10 Heterocyclische Verbindungen 543
33 Stereochemie, Polymerchemie und supramolekulare Chemie 546
33.1 Stereochemie organischer Verbindungen 546
33.1.1 Prochiralität 549
33.2 Racemat-Trennung und Synthese chiraler Moleküle 550
33.3 Polymerchemie 551
33.4 Supramolekulare Chemie 558
34 Naturstoffe und Biochemie 562
34.1 Terpene 564
34.2 Kohlenhydrate 565
34.3 Fette, Öle und Wachse 569
34.4 Botenstoffe, Hormone und Vitamine 571
34.5 Natürliche Farbstoffe 574
34.6 Proteine 577
34.7 Nucleinsäuren 581
34.8 Proteinsynthese 583
34.9 Gentechnik 586
34.10 Enzyme und Coenzyme 590
34.11 Schlussbemerkung: Biochemie und Chemie 593
35 Kernchemie 595
35.1 Der Atomkern 596
35.2 Kernreaktionen 597
35.3 Radioaktivität 598
35.3.1 ?-Zerfall 598
35.3.2 ?-Strahlung 599
35.3.3 ?--Zerfall (Elektronen-Emission) 600
35.3.4 ?+-Zerfall und Elektronen-Einfang 600
35.3.5 Spontane Kernspaltung 600
35.4 Messung der Radioaktivität 601
35.5 Die radioaktive Zerfallsgeschwindigkeit 602
35.5.1 Aktivität 603
35.5.2 Altersbestimmung mit 14C 604
35.6 Biologische Effekte der Radioaktivität 605
35.7 Radioaktive Zerfallsreihen 607
35.7.1 Geologische Altersbestimmung 608
35.8 Künstliche Kernumwandlungen 609
35.8.1 Teilchen-Beschleuniger 609
35.8.2 Neutronen als Projektile 610
35.8.3 Künstliche Nuclide. Transurane 610
35.9 Kernspaltung 611
35.9.1 Kernbindungsenergie 611
35.9.2 Kernspaltung 612
35.9.3 Kernreaktoren 613
35.10 Kernfusion 615
35.11 Verwendung von radioaktiven Nucliden 616
36 Umgang mit gefährlichen Stoffen 621
36.1 Einteilung und Kennzeichnung der Gefahrstoffe 622
36.2 Europäisches Gefahrstoffrecht 627
36.3 Giftstoffe, Toxikologie 633
Anhang 637
Anhang A: Normalpotenziale bei 25 °C 638
Anhang B: Gleichgewichtskonstanten bei 25 °C 639
B.1 Dissoziationskonstanten 639
B.2 Löslichkeitsprodukte L bzw. LS 640
B.3 Komplexzerfallskonstanten 640
Anhang C: Thermodynamische Daten bei 25 °C 641
Anhang D: Mittlere Bindungsenergien 642
Anhang E: Lösungen zu den Übungsaufgaben 643
1 Einleitung 643
2 Einführung in die Atomtheorie 643
3 Stöchiometrie Teil I: Chemische Formeln 644
4 Stöchiometrie Teil II: Chemische Reaktionsgleichungen 644
5 Energieumsatz bei chemischen Reaktionen 645
6 Die Elektronenstruktur der Atome 645
7 Eigenschaften der Atome und die lonenbindung 646
8 Die kovalente Bindung 646
9 Molekülstruktur. Molekülorbitale 647
10 Gase 649
11 Flüssigkeiten 650
12 Feststoffe 650
13 Strukturbestimmung 651
14 Lösungen 651
15 Reaktionen in wässriger Lösung 652
16 Reaktionskinetik 653
17 Das chemische Gleichgewicht 654
18 Säuren und Basen 654
19 Säure-Base-Gleichgewichte 655
20 Löslichkeitsprodukt und Komplex-Gleichgewichte 656
21 Grundlagen der chemischen Thermodynamik 656
22 Elektrochemie 656
23 Wasserstoff 658
24 Halogene 658
26 Die Elemente der sechsten Hauptgruppe 658
27 Die Elemente der fünften Hauptgruppe 659
28 Kohlenstoff, Silicium und Bor 660
29 Metalle 661
30 Komplexverbindungen 662
31 Organische Chemie Teil I: Kohlenwasserstoffe 664
32 Organische Chemie Teil II: Funktionelle Gruppen 665
33 Stereochemie, Polymerchemie und supramolekulare Chemie 667
34 Naturstoffe und Biochemie 667
35 Kernchemie 668
36 Umgang mit gefährlichen Stoffen 669
Glossar 670
Sachverzeichnis 693
Ausklapptafel 1 716
Ausklapptafel 2 717
Die ausführlichen Lösungswege zu den Übungsaufgaben im Internet 718