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Chemie für Einsteiger und Durchsteiger, 2. Auflage

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Chemie für Einsteiger und Durchsteiger, 2. Auflage

Thomas Wurm

ISBN: 978-3-527-82091-7 February 2019 378 Pages

Vorwort zur zweiten Auflage xiii

1 Aufbau der Materie, Atombau und Periodensystem 1

1.1 Aufbau der Materie 1

1.1.1 Reinstoffe 1

1.1.2 Mischungen 1

1.1.3 Elemente und Verbindungen 2

1.2 Atombau 3

1.2.1 Der Atomkern 3

1.2.2 Die Elektronenhülle 7

1.3 Das Periodensystem der Elemente (PSE) 14

1.3.1 Ionisierungsenergie 16

1.3.2 Elektronenaffinität 17

1.3.3 Metalle und Nichtmetalle 18

1.3.4 Elektronegativität 19

1.4 Radioaktivität 19

1.4.1 Natürliche Radioaktivität 19

1.4.2 Die Halbwertszeit 20

1.4.3 Zerfallsreihen 21

1.4.4 Kernumwandlungen 21

1.4.5 Kernspaltung 21

1.4.6 Künstliche Nuklide 22

2 Reaktionsgleichungen und Stöchiometrie 27

2.1 Die Reaktionsgleichung 27

2.2 Umgesetzte Mengen und Massen 29

2.3 Die Stoffmenge Mol 30

2.4 Reaktionstypen in der Chemie 33

2.5 Konzentrationsangaben 33

2.5.1 Molare Lösungen 33

2.5.2 Prozentangaben 34

2.5.3 Kleine Konzentrationen 36

2.6 Die Aktivität 37

2.7 Rechenbeispiele 37

2.8 Mischungsrechnen 38

3 Bindungsarten 43

3.1 Die Ionenbindung 43

3.1.1 Kationenbildung 46

3.1.2 Anionenbildung 47

3.1.3 Salzbildung 47

3.1.4 Kristallwasser 49

3.1.5 Die molare Masse eines Salzes 50

3.1.6 Saure Salze 50

3.1.7 Kristallformen 51

3.2 Die Metallbindung 51

3.3 Die Elektronenpaarbindung 52

3.3.1 Lewis-Formeln 53

3.4 Mehrfachbindungen 54

3.4.1 Polare und unpolare Elektronenpaarbindungen 57

3.4.2 Die räumliche Anordnung von Molekülen 58

3.4.3 Anionenkomplexe 59

3.5 Komplexbindung 61

3.6 Bindungskräfte zwischen Molekülen 64

3.6.1 Ion-Dipol 64

3.6.2 Dipol-Dipol 64

3.6.3 Sonderfall Wasserstoffbrückenbindung 64

3.6.4 Induzierte Dipole und Van-der-Waals-Kräfte 65

3.6.5 Hydrophobe Bindungen 66

4 Kinetik und Thermodynamik 71

4.1 Chemische Kinetik 71

4.1.1 Die Reaktionsgeschwindigkeit 71

4.1.2 Die Stoßtheorie 73

4.1.3 Das chemische Gleichgewicht 74

4.1.4 Das Massenwirkungsgesetz 76

4.1.5 Das Prinzip des kleinsten Zwangs 78

4.1.6 Folgereaktionen 79

4.1.7 Die Reaktionsordnung 80

4.1.8 Molekularität einer Reaktion 81

4.2 Thermodynamik 82

4.2.1 Systeme 82

4.2.2 Energieformen 83

4.2.3 Energieinhalt 84

4.2.4 Energiedifferenzen 86

4.2.5 Die Enthalpie 87

4.2.6 Enthalpieberechnungen 89

4.2.7 Die innere Energie U 91

4.2.8 Die Entropie 92

4.2.9 Die Gibbs-Energie 94

4.3 Verbindungen zwischen Kinetik und Thermodynamik 96

4.3.1 Starten einer Reaktion 96

4.3.2 Katalysatoren 98

4.3.3 Die Gibbs-Energie und das chemische Gleichgewicht 98

5 Zustandsformen der Materie 105

5.1 Die Aggregatzustände 105

5.2 Phasenübergänge 107

5.3 Lösungen 108

5.3.1 Echte und kolloidale Lösungen 108

5.3.2 Löslichkeit 108

5.3.3 Allgemeine Regeln zur Löslichkeit 109

5.3.4 Das Löslichkeitsprodukt 110

5.3.5 Elektrolyte 111

5.3.6 Kolligative Eigenschaften 112

5.3.7 Die Oberflächenspannung 114

6 Säuren und Basen 117

6.1 Die Theorien von Arrhenius und Brönsted 117

6.2 Die Stärke von Säuren und Basen 119

6.2.1 Starke Säuren 120

6.2.2 Schwache Säuren 121

6.2.3 Die Reaktion des Anions einer schwachen Säure 121

6.2.4 Die Wertigkeit von Säuren und Basen 122

6.2.5 Der pkS-Wert 123

6.2.6 Starke und schwache Elektrolyte 124

6.2.7 Starke und schwache Basen 125

6.2.8 Die Säuredefinition nach Lewis 125

6.2.9 Ampholyte 126

6.3 Die Neutralisationsreaktion 127

6.4 Der pH-Wert 127

6.4.1 Die Dissoziation des Wassers 128

6.4.2 Die mathematische Herleitung 128

6.4.3 Reaktionen von Salzen in Wasser 130

6.4.4 pH-Wert-Berechnungen 132

6.5 Puffer 134

6.5.1 Bestandteile von Puffern 135

6.5.2 pH-Wert-Berechnungen und Pufferlösungen 135

7 Redoxreaktionen 141

7.1 Die Reaktion von Metallen mit Sauerstoff 141

7.2 Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen 142

7.3 Die Elektronenverteilung in Verbindungen 144

7.4 Oxidationszahlen 145

7.5 Häufig vorkommende Typen von Redoxreaktionen 146

7.5.1 Verbrennung 146

7.5.2 Rosten 147

7.5.3 Änderung der Sauerstoffanzahl im Molekül 147

7.5.4 Reaktionen von Metallen untereinander 148

7.5.5 Andere Redoxreaktionen ohne Beteiligung von Sauerstoff 148

7.6 Elementare Vorgänge bei Redoxreaktionen 149

7.7 Oxidations- und Reduktionsmittel 149

7.8 Das Aufstellen von Redoxgleichungen 150

7.8.1 Teilgleichungen 150

7.8.2 Basisches oder saures Milieu? 151

7.8.3 Die Bilanz 151

7.9 Disproportionierung und Komproportionierung 153

7.10 Die Spannungsreihe der Metalle 153

7.11 Elektrochemie 158

7.11.1 Elektrolyse 158

7.11.2 Galvanische Elemente 159

8 Angewandte anorganische Chemie 163

8.1 Anorganische Analytik 163

8.1.1 Identitätsprüfungen 163

8.1.2 Gehaltsbestimmungen 164

8.2 Großtechnische Prozesse 164

8.2.1 Roheisengewinnung und Stahlproduktion 164

8.2.2 Schwefelsäureherstellung 165

8.2.3 Salpetersäureherstellung 165

8.2.4 Salzsäureherstellung 166

8.2.5 Die Chlor-Alkali-Elektrolyse 166

8.2.6 Ammoniaksynthese 166

8.2.7 Sodaherstellung 166

9 Sonderstellung des Kohlenstoffs 167

9.1 Die Stellung des Kohlenstoffs im PSE 167

9.2 Die Bildung von Hybridorbitalen 168

9.3 Kohlenwasserstoffe 171

9.4 Die Vielfalt organischer Verbindungen: funktionelle Gruppen 171

9.5 Nomenklatur organischer Verbindungen 174

10 Kohlenwasserstoffe 179

10.1 Alkane 179

10.2 Verzweigte Alkane 179

10.2.1 Isomerie 182

10.3 Alkene 182

10.3.1 Polyene 183

10.4 Alkine 184

10.5 Aliphaten 184

10.6 Cyclische Kohlenwasserstoffe 185

10.7 Physikalische Eigenschaften der Kohlenwasserstoffe 186

10.8 Chemische Eigenschaften der Kohlenwasserstoffe 186

10.8.1 Alkane 187

10.8.2 Alkene 187

10.9 Aromatische Verbindungen 188

10.10 Erdöl und Kohle 190

10.11 Reaktionen der Aromaten 192

10.12 Halogenierte Kohlenwasserstoffe 193

11 Alkohole 197

11.1 Einwertige Alkohole 197

11.2 Mehrwertige Alkohole 199

11.3 Primäre, sekundäre und tertiäre Hydroxylgruppen 200

11.4 Reaktionen von Alkoholen 201

11.4.1 Etherbildung 201

11.4.2 Eigenschaften von Ethern 203

11.4.3 Organische Ester (niemals Esther!) 203

11.4.4 Nomenklatur der Ester 204

11.4.5 Anorganische Ester 204

11.4.6 Die Oxidation von Alkoholen 204

11.5 Phenole 206

11.5.1 Die saure Reaktion 207

11.5.2 Die Oxidation von Phenolen 207

11.5.3 Ether und Ester mit Phenolen 208

12 Aldehyde und Ketone 211

12.1 Die Carbonylgruppe 211

12.2 Nomenklatur der Aldehyde 212

12.3 Nomenklatur der Ketone 212

12.4 Reaktionen der Carbonylgruppe 213

12.4.1 Anlagerung vonWasser 215

12.4.2 Halbe und volle Acetale 215

12.4.3 Polymerisationen 216

12.4.4 Keto-Enol-Tautomerie 216

12.4.5 Die Aldolkondensation als C-Ketten-Verlängerung 217

12.4.6 Addition von Aminen 218

12.4.7 Reduzierende Eigenschaften/Oxidation 218

13 Amine 221

13.1 Die Aminogruppe 221

13.2 Primäre, sekundäre und tertiäre Amine 222

13.3 Die Basizität der Amine 223

13.4 Quartäre Amine 224

13.5 Aromatische Amine 225

13.6 Reaktionen mit salpetriger Säure/Nitrit 225

13.7 Weitere stickstoffhaltige Verbindungen 225

13.7.1 Ethylendiamin 225

13.7.2 Nitroverbindungen 225

14 Carbonsäuren 229

14.1 Die Carboxylgruppe 229

14.2 Die homologe Reihe der Carbonsäuren 231

14.3 Physikalische Eigenschaften 232

14.4 Die Säurestärke 232

14.5 Substituierte Carbonsäuren 233

14.5.1 Hydroxycarbonsäuren 234

14.5.2 Mehrwertige Carbonsäuren 235

14.5.3 Halogenierte Carbonsäuren 235

14.5.4 Ungesättigte Carbonsäuren 236

14.5.5 Aminocarbonsäuren 236

14.5.6 Aromatische Carbonsäuren 237

14.6 Derivate der Carboxylgruppe 237

14.6.1 Säurehalogenide 238

14.6.2 Säureanhydride 238

14.6.3 Säureamide 239

14.7 Typische Reaktionen von Carbonsäuren 240

14.7.1 Die Reaktion mit Wasser 240

14.7.2 Esterbildung und Verseifung 240

14.7.3 Inter- und intramolekulare Verbindungen 241

14.7.4 Schwefelhaltige Verbindungen 242

15 Reaktionstypen in der organischen Chemie 245

15.1 Grundsätzliches 245

15.1.1 Induktivität 245

15.1.2 Mesomerie 246

15.1.3 Elektrophile und nucleophile Teilchen 246

15.1.4 Radikale 247

15.1.5 Übergangszustände und Zwischenstufen 247

15.1.6 Reaktionstypen 248

15.2 Additionen 249

15.2.1 Elektrophile Addition 249

15.2.2 Verwandte Reaktionen 250

15.2.3 Nucleophile Addition 250

15.3 Substitutionen 251

15.3.1 Elektrophile Substitution 252

15.3.2 Die elektrophile Zweitsubstitution 253

15.3.3 Radikalische Substitution 254

15.4 Eliminierung 254

15.5 Umlagerung 255

15.6 Redoxreaktionen 255

16 Isomerie 261

16.1 Konformationsisomerie 261

16.2 Strukturisomerie 262

16.2.1 Ketten- oder Skelettisomerie 262

16.2.2 Stellungsisomerie 263

16.2.3 Tautomerie 263

16.2.4 Funktionsisomerie 263

16.2.5 Bindungs- oder Valenzisomere 264

16.2.6 Isomerie bei Cycloalkanen 264

16.3 Stereoisomerie 265

16.3.1 cis-trans- und E-Z-Isomerie 265

16.3.2 Spiegelbildisomerie 266

16.4 Optische Aktivität 271

17 Kunststoffe 275

17.1 Einteilung nach Materialeigenschaften 275

17.2 Halbsynthetische Kunststoffe 275

17.3 Vollsynthetische Kunststoffe 276

17.3.1 Polymerisation 276

17.3.2 Polykondensation 276

17.3.3 Weitere Kunststoffe 277

17.4 Silicone 277

18 Naturstoffe 279

18.1 Fette, Öle, Seifen, Wachse 279

18.1.1 Fette und Öle 279

18.1.2 Seifen 282

18.1.3 Wachse 283

18.2 Aminosäuren und Eiweiße 283

18.2.1 Aminosäuren 283

18.2.2 Eiweiße 285

18.3 Kohlenhydrate 287

18.3.1 Aldosen 287

18.4 Nucleinsäuren 295

18.4.1 Die DNA 295

18.4.2 Die RNA 298

19 Richtig gelöst 301

Literatur 355

Stichwortverzeichnis 357