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Chemie für Einsteiger und Durchsteiger

Chemie für Einsteiger und Durchsteiger

Thomas Wurm

ISBN: 978-3-527-66974-5

Jan 2013

369 pages

$17.99

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

1.2.1.1 Die Atommasse 4

1.2.1.2 Isotope 5

1.2.1.3 Nuklide 6

1.2.2 Die Elektronenhülle 7

1.2.2.1 Das Schalenmodell 7

1.2.2.2 Das Orbitalmodell 8

1.2.2.3 Das Kästchenschema 10

1.3 Das Periodensystem der Elemente (PSE) 14

1.3.1 Ionisierungsenergie 17

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 20

1.4.2 Die Halbwertszeit 21

1.4.3 Zerfallsreihen 21

1.4.4 Kernumwandlungen 21

1.4.5 Kernspaltung 22

1.4.6 Künstliche Nuklide 22

2 Reaktionsgleichungen und Stöchiometrie 25

2.1 Die Reaktionsgleichung 25

2.2 Umgesetzte Mengen und Massen 27

2.3 Die Stoffmenge Mol 28

2.4 Reaktionstypen in der Chemie 31

2.5 Konzentrationsangaben 31

2.5.1 Molare Lösungen 31

2.5.2 Prozentangaben 32

2.5.2.1 Massenprozent (m/m) 32

2.5.2.2 Prozent (m/V) 33

2.5.2.3 Volumenprozent (V/V oder Vol.-%) 33

2.5.3 Kleine Konzentrationen 34

2.6 Die Aktivität 35

2.7 Rechenbeispiele 35

2.8 Mischungsrechnen 36

3 Bindungsarten 39

3.1 Die Ionenbindung 39

3.1.1 Kationenbildung 42

3.1.2 Anionenbildung 43

3.1.3 Salzbildung 44

3.1.4 Kristallwasser 46

3.1.5 Die molare Masse eines Salzes 47

3.1.6 Saure Salze 47

3.1.7 Kristallformen 47

3.2 Die Metallbindung 48

3.3 Die Elektronenpaarbindung 49

3.3.1 Lewis-Formeln 50

3.4 Mehrfachbindungen 52

3.4.1 Polare und unpolare Elektronenpaarbindungen 54

3.4.2 Die räumliche Anordnung von Molekülen 55

3.4.3 Anionenkomplexe 56

3.5 Komplexbindung 58

3.6 Bindungskräfte zwischen Molekülen 61

3.6.1 Ion-Dipol 61

3.6.2 Dipol-Dipol 61

3.6.3 Sonderfall Wasserstoffbrückenbindung 62

3.6.4 Induzierte Dipole und Van-der-Waals-Kräfte 62

3.6.5 Hydrophobe Bindungen 63

4 Kinetik und Thermodynamik 65

4.1 Chemische Kinetik 65

4.1.1 Die Reaktionsgeschwindigkeit 65

4.1.2 Die Stoßtheorie 67

4.1.3 Das chemische Gleichgewicht 68

4.1.4 Das Massenwirkungsgesetz 70

4.1.5 Das Prinzip des kleinsten Zwangs 72

4.1.6 Folgereaktionen 73

4.1.7 Die Reaktionsordnung 73

4.1.8 Die Molekularität einer Reaktion 75

4.2 Thermodynamik 76

4.2.1 Systeme 77

4.2.2 Energieformen 77

4.2.3 Energieinhalt 78

4.2.4 Energiedifferenzen 80

4.2.5 Die Enthalpie 82

4.2.6 Enthalpieberechnungen 83

4.2.7 Die innere EnergieU 85

4.2.8 Die Entropie 86

4.2.9 Die Gibbs-Energie 88

4.3 Verbindungen zwischen Kinetik und Thermodynamik 91

4.3.1 Starten einer Reaktion 91

4.3.2 Katalysatoren 92

4.3.3 Die Gibbs-Energie und das chemische Gleichgewicht 93

5 Zustandsformen der Materie 97

5.1 Die Aggregatzustände 97

5.2 Phasenübergänge 99

5.3 Lösungen 100

5.3.1 Echte und kolloidale Lösungen 100

5.3.2 Löslichkeit 100

5.3.3 Allgemeine Regeln zur Löslichkeit 101

5.3.4 Das Löslichkeitsprodukt 102

5.3.5 Elektrolyte 103

5.3.6 Kolligative Eigenschaften 104

5.3.7 Die Oberflächenspannung 106

6 Säuren und Basen 109

6.1 Die Theorien von Arrhenius und Brönsted 109

6.2 Die Stärke von Säuren und Basen 111

6.2.1 Starke Säuren 112

6.2.2 Schwache Säuren 113

6.2.3 Die Reaktion des Anions einer schwachen Säure 113

6.2.4 Die Wertigkeit von Säuren und Basen 114

6.2.5 Der pKs-Wert 115

6.2.6 Starke und schwache Elektrolyte 116

6.2.7 Starke und schwache Basen 117

6.2.8 Die Säuredefinition nach Lewis 117

6.2.9 Ampholyte 118

6.3 Die Neutralisationsreaktion 118

6.4 Der pH-Wert 119

6.4.1 Die Dissoziation des Wassers 119

6.4.2 Der pH-Wert 120

6.4.3 Reaktionen von Salzen in Wasser 122

6.4.4 pH-Wert-Berechnungen 124

6.5 Puffer 125

6.5.1 Bestandteile von Puffern 126

6.5.2 pH-Wert-Berechnungen und Pufferlösungen 127

7 Redoxreaktionen 129

7.1 Die Reaktion von Metallen mit Sauerstoff 129

7.2 Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen 130

7.3 Die Knallgasreaktion 131

7.4 Die Elektronenverteilung in Verbindungen 132

7.5 Oxidationszahlen 132

7.6 Häufig vorkommende Typen von Redoxreaktionen 134

7.6.1 Verbrennung 134

7.6.2 Rosten 135

7.6.3 Änderung der Sauerstoffanzahl im Molekül 135

7.6.4 Reaktionen von Metallen untereinander 135

7.6.5 Andere Redoxreaktionen ohne Beteiligung von Sauerstoff 136

7.7 Elementare Vorgänge bei Redoxreaktionen 136

7.8 Oxidations- und Reduktionsmittel 137

7.9 Das Aufstellen von Redoxgleichungen 138

7.9.1 Teilgleichungen 138

7.9.2 Basisches oder saures Milieu? 139

7.9.3 Die Bilanz 139

7.10 Disproportionierung und Komproportionierung 141

7.11 Die Spannungsreihe der Metalle 142

7.12 Elektrochemie 146

7.12.1 Elektrolyse 146

7.12.2 Galvanische Elemente 147

8 Angewandte anorganische Chemie 151

8.1 Großtechnische Prozesse 151

8.1.1 Roheisengewinnung und Stahlproduktion 151

8.1.2 Schwefelsäureherstellung 151

8.1.3 Salpetersäureherstellung 152

8.1.4 Salzsäureherstellung 152

8.1.5 Die Chlor-Alkali-Elektrolyse 152

8.1.6 Ammoniaksynthese 153

8.1.7 Sodaherstellung 153

8.2 Anorganische Analytik 153

8.2.1 Identitätsprüfungen 153

8.2.2 Gehaltsbestimmungen 154

9 Fragen zu den Kapiteln 1–7 (Allgemeine und anorganische Chemie) 157

10 Lösungen zu Kapitel 9 171

11 Sonderstellung des Kohlenstoffs 197

11.1 Die Stellung des Kohlenstoffs im PSE 197

11.2 Die Bildung von Hybridorbitalen 198

11.3 Kohlenwasserstoffe 201

11.4 Die Einteilung organischer Verbindungen: Funktionelle Gruppen 202

12 Kohlenwasserstoffe 205

12.1 Alkane 205

12.2 Verzweigte Alkane 207

12.2.1 Isomerie 208

12.3 Alkene 209

12.3.1 Polyene 210

12.4 Alkine 211

12.5 Aliphaten 211

12.6 Cyclische Kohlenwasserstoffe 211

12.7 Physikalische Eigenschaften der Kohlenwasserstoffe 212

12.8 Chemische Eigenschaften der Kohlenwasserstoffe 213

12.8.1 Alkane 213

12.8.2 Alkene 214

12.9 Aromatische Verbindungen 215

12.10 Erdöl und Kohle 217

12.11 Reaktionen der Aromaten 218

12.12 Halogenierte Kohlenwasserstoffe 219

13 Alkohole 223

13.1 Einwertige Alkohole 223

13.2 Mehrwertige Alkohole 225

13.3 Primäre, sekundäre und tertiäre Hydroxylgruppen 226

13.4 Reaktionen von Alkoholen 228

13.4.1 Etherbildung 228

13.4.2 Eigenschaften von Ethern 229

13.4.3 Organische Ester (niemals Esther!) 229

13.4.4 Nomenklatur der Ester 230

13.4.5 Anorganische Ester 230

13.4.6 Die Oxidation von Alkoholen 231

13.5 Phenole 233

13.5.1 Die saure Reaktion 233

13.5.2 Die Oxidation von Phenolen 234

13.5.3 Ether und Ester mit Phenolen 234

14 Aldehyde und Ketone 237

14.1 Die Carbonylgruppe 237

14.2 Nomenklatur der Aldehyde 238

14.3 Nomenklatur der Ketone 238

14.4 Reaktionen der Carbonylgruppe 239

14.4.1 Anlagerung von Wasser 241

14.4.2 Halbe und volle Acetale 241

14.4.3 Polymerisationen 242

14.4.4 Keto-Enol-Tautomerie 243

14.4.5 Die Aldolkondensation als C-Ketten-Verlängerung 243

14.4.6 Addition von Aminen 244

14.4.7 Reduzierende Eigenschaften/Oxidation 245

15 Amine 247

15.1 Die Aminogruppe 247

15.2 Primäre, sekundäre und tertiäre Amine 247

15.3 Die Basizität der Amine 249

15.4 Quartäre Amine 250

15.5 Aromatische Amine 251

15.6 Reaktionen mit salpetriger Säure/Nitrit 251

15.7 Weitere stickstoffhaltige Verbindungen 252

15.7.1 Ethylendiamin 252

15.7.2 Nitro-Verbindungen 252

16 Carbonsäuren 255

16.1 Die Carboxyl-Gruppe 255

16.2 Die homologe Reihe der Carbonsäuren 257

16.3 Physikalische Eigenschaften 258

16.4 Die Säurestärke 258

16.5 Substituierte Carbonsäuren 260

16.5.1 Hydroxycarbonsäuren 260

16.5.2 Mehrwertige Carbonsäuren 261

16.5.3 Halogenierte Carbonsäuren 261

16.5.4 Ungesättigte Carbonsäuren 262

16.5.5 Aminocarbonsäuren 262

16.5.6 Aromatische Carbonsäuren 263

16.6 Derivate der Carboxyl-Gruppe 263

16.6.1 Säurehalogenide 264

16.6.2 Säureanhydride 264

16.6.3 Säureamide 265

16.7 Typische Reaktionen von Carbonsäuren 266

16.7.1 Die Reaktion mit Wasser 266

16.7.2 Esterbildung und Verseifung 266

16.7.3 Inter- und intramolekulare Verbindungen 267

16.7.4 Schwefelhaltige Verbindungen 268

17 Reaktionstypen in der organischen Chemie 271

17.1 Grundsätzliches 271

17.1.1 Induktivität und Mesomerie 271

17.1.2 Elektrophile und nucleophile Teilchen 272

17.1.3 Radikale 273

17.1.4 Übergangszustände und Zwischenstufen 273

17.1.5 Begriffe 274

17.2 Additionen 275

17.2.1 Elektrophile Addition 275

17.2.2 Verwandte Reaktionen 276

17.2.3 Nucleophile Addition 276

17.3 Substitutionen 277

17.3.1 Elektrophile Substitution 278

17.3.2 Die elektrophile Zweitsubstitution 279

17.3.3 Radikalische Substitution 280

17.4 Eliminierung 280

17.5 Umlagerung 281

17.6 Redoxreaktionen 282

18 Isomerie 285

18.1 Konformationsisomerie 285

18.2 Strukturisomerie 286

18.2.1 Ketten- oder Skelettisomerie 286

18.2.2 Stellungsisomerie 287

18.2.3 Tautomerie 287

18.2.4 Funktionsisomerie 288

18.2.5 Bindungs- oder Valenzisomere 288

18.2.6 Isomerie bei Cycloalkanen 289

18.3 Stereoisomerie 289

18.3.1 Cis-trans- und E-Z-Isomerie 290

18.3.2 Spiegelbild-Isomerie 291

18.4 Optische Aktivität 295

19 Kunststoffe 299

19.1 Einteilung nach Materialeigenschaften 299

19.2 Halbsynthetische Kunststoffe 299

19.3 Vollsynthetische Kunststoffe 300

19.3.1 Polymerisation 300

19.3.2 Polykondensation 301

19.3.3 Weitere Kunststoffe 301

19.4 Silicone 301

20 Naturstoffe 303

20.1 Fette, Öle, Seifen, Wachse 303

20.1.1 Fette und Öle 303

20.1.2 Seifen 306

20.1.3 Wachse 307

20.2 Aminosäuren und Eiweiße 307

20.2.1 Aminosäuren 307

20.2.2 Eiweiße 309

20.3 Kohlenhydrate 311

20.3.1 Aldosen 312

20.4 Nucleinsäuren 319

20.4.1 Die DNA 320

20.4.2 Die RNA 322

21 Nomenklaturregeln und Fragen zu den Kapiteln 11–20 (Organische Chemie) 325

22 Lösungen zu Kapitel 21 333

Literatur 347