Grundlagen, Aufbauwissen, Anwendungen und Experimente
E-Book, Deutsch, 337 Seiten, eBook
ISBN: 978-3-8348-8280-6
Verlag: Vieweg & Teubner
Format: PDF
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)
Professor Dr. Peter Kurzweil lehrt an der Hochschule Amberg-Weiden im Fachbereich Maschinenbau/Umwelttechnik. Paul Scheipers war Studiendirektor an den Berufsbildenden Schulen in Coesfeld.
Zielgruppe
Upper undergraduate
Autoren/Hrsg.
Weitere Infos & Material
1;Vorwort;6
2;Inhaltsverzeichnis;8
3;Teil I Allgemeine undanorganische Chemie;10
3.1;1 Chemie in Technik und Umwelt;11
3.1.1;1.1 Von der Alchemie ins 21. Jahrhundert;11
3.1.2;1.2 Chemie im Rohstoffwandel;12
3.1.3;1.3 Der Stoffbegriff;13
3.1.4;1.4 Chemische und physikalische Vorgänge;14
3.1.5;1.5 Aggregatzustände und Eigenschaften der Materie (Stoffe);15
3.1.6;1.6 Gemische (Mischungen);15
3.1.6.1;1.6.1 Homogene und heterogene Systeme;15
3.1.6.2;1.6.2 Legierungen;16
3.1.6.3;1.6.3 Lösungen;16
3.1.7;1.7 Trennung von Stoffgemischen;17
3.1.8;1.8 Analyse und Synthese: So funktioniert Chemie!;19
3.1.9;1.9 Chemische Experimente die begeistern!;21
3.1.10;1.10 Aufgaben mit Lösungen;22
3.1.11;Literatur zur Allgemeinen und Anorganischen Chemie;23
3.2;2 Aufbau der Materie (Atomlehre);24
3.2.1;2.1 Vorstellungen vom Atom;24
3.2.2;2.2 Aufbau der Atome aus Elementarteilchen;25
3.2.3;2.3 Der Atomkern;26
3.2.3.1;2.3.1 RUTHERFORDs Streuversuch;26
3.2.3.2;2.3.2 Elementsymbole und Atommassen;27
3.2.4;2.4 Einblick in die Welt der Quanten;28
3.2.5;2.5 Optische Linienspektren der Elemente;29
3.2.6;2.6 Das BOHR’sche Atommodell;30
3.2.7;2.7 Das wellenmechanische Atommodell (Orbitalmodell);33
3.2.8;2.8 Elektronenkonfiguration;38
3.2.9;2.9 Aufgaben mit Lösungen;39
3.2.10;Literatur zur Physikalischen Chemie und Datensammlungen;39
3.3;3 Periodensystem der Elemente (PSE);40
3.3.1;3.1 Der Elementbegriff;40
3.3.2;3.2 Elementnamen und -symbole;41
3.3.3;3.3 Vorkommen der Elemente;41
3.3.4;3.4 Aufbau des Periodensystems;43
3.3.5;3.5 Elektronenkonfiguration der Elemente;44
3.3.6;3.6 Periodische Eigenschaften;47
3.3.6.1;3.6.1. Metall- und Nichtmetallcharakter;47
3.3.6.2;3.6.2 Säure- und Basenbildner;50
3.3.6.3;3.6.3. Valenzelektronen und Oktettregel;50
3.3.7;3.7 Aufgaben mit Lösungen;51
3.4;4 Kernchemie und Kernenergie;53
3.4.1;4.1 Elementarteilchen;53
3.4.2;4.2 Natürliche und künstliche Radioaktivität;55
3.4.3;4.3 Isotope und Massendefekt;57
3.4.4;4.4 Stabilität der Nuklide;58
3.4.5;4.5 Natürliche Zerfallsreihen;59
3.4.6;4.6 Radioaktives Zerfallsgesetz;59
3.4.7;4.7 Radioaktive Altersbestimmung;61
3.4.8;4.8 Dosimetrie und Strahlenschutz;62
3.4.8.1;4.8.1 Biologische Strahlenwirkung;62
3.4.8.2;4.8.2 Dosimetrische Größen;62
3.4.8.3;4.8.3 Dosis- und Strahlenmessgeräte;64
3.4.9;4.9 Ionisierende Strahlung, Röntgenspektroskopie und Analytik;65
3.4.10;4.10 Kernreaktionen;68
3.4.11;4.11 Teilchenbeschleuniger;70
3.4.12;4.12 Kernspaltung und Kernenergie;70
3.4.12.1;Kernreaktoren;71
3.4.12.2;Urananreicherung und Brennstoffkreislauf;73
3.4.13;4.13 Kernfusion;74
3.4.14;4.14 Aufgaben mit Lösungen;75
3.4.15;Literatur zur Radiochemie und instrumentellen Analytik;77
3.5;5 Chemische Bindung und Struktur;78
3.5.1;5.1 Ionenbindung;79
3.5.1.1;5.1.1 Ionenwertigkeit;82
3.5.1.2;5.1.2 Koordinationszahl im Ionengitter;83
3.5.1.3;5.1.3 Gitterenergie;84
3.5.1.4;5.1.4 Hydratation;84
3.5.2;5.2 Atombindung (kovalente Bindung);85
3.5.2.1;5.2.1 Strukturformeln nach LEWIS;85
3.5.2.2;5.2.2 Atom- und Molekülorbitale;86
3.5.2.3;5.2.3 Hybridorbitale und Molekülgeometrie;87
3.5.2.4;5.2.4 Hybridorbitale mit d-Elektronen;88
3.5.2.5;5.2.5 Atomgitter;89
3.5.3;5.3 Die metallische Bindung;90
3.5.3.1;5.3.1 Kristallstruktur der Elemente;90
3.5.3.2;5.3.2 Halbleiter;92
3.5.4;5.4 Koordinationsverbindungen;94
3.5.4.1;5.4.1 Komplexstabilität und Magnetismus;97
3.5.4.2;5.4.2 Ligandenfeldtheorie;98
3.5.5;5.5 Zwischenmolekulare Kräfte (Nebenvalenzbindungen);100
3.5.5.1;5.5.1 Unspezifische Wechselwirkungen;100
3.5.5.2;5.5.2 Spezifische Wechselwirkungen;101
3.5.6;5.6 Kristallstruktur und Molekülsymmetrie;103
3.5.6.1;5.6.1 Kristallformen und -systeme;103
3.5.6.2;5.6.2 Symmetrieelemente in Kristallen;106
3.5.6.2.1;5.6.3 Kristallstrukturanalyse;106
3.5.7;5.7 Reale Kristalle, Gefüge und Materialkenngrößen;107
3.5.7.1;5.7.1 Gitterdefekte und Metallografie;107
3.5.7.2;5.7.2 Spannungs-Dehnungs-Diagramm;109
3.5.7.3;5.7.3 Härte;109
3.5.8;5.8 Legierungen;110
3.5.8.1;5.8.1 Kristallgemische und Mischkristalle;110
3.5.8.2;5.8.2 Eisen-Kohlenstoff-Legierungen;111
3.5.8.3;5.8.3 Legierung und Behandlung der Stähle;112
3.5.8.4;5.8.4 Nichteisenmetalle;114
3.5.8.5;5.8.5 Sintermetalle;116
3.5.9;5.9 Technische Keramik;117
3.5.10;5.10 Verbundwerkstoffe (Komposite);117
3.5.11;5.11 Chemische Experimente die begeistern!;118
3.5.12;5.12 Aufgaben mit Lösungen;119
3.5.13;Literatur zur chemischen Bindung und Werkstofftechnik;123
3.6;6 Chemische Reaktionen und Thermochemie;124
3.6.1;6.1 Vom Atom zur chemischen Formel;124
3.6.1.1;6.1.1 Chemische Formeln;124
3.6.1.2;6.1.2 Wertigkeitsbegriffe;125
3.6.1.3;6.1.3 Chemische Gleichungen;126
3.6.2;6.2 Chemische Mengenbegriffe;127
3.6.3;6.3 Volumenverhältnisse bei chemischen Reaktionen;129
3.6.4;6.4 So gelingen stöchiometrische Berechnungen!;131
3.6.5;6.5 Energieänderungen bei chemischen Reaktionen;133
3.6.5.1;6.5.1 Exotherme und endotherme Reaktionen;133
3.6.5.2;6.5.2 Freie Enthalpie;133
3.6.5.3;6.5.3 Thermochemische Gesetze;134
3.6.5.4;6.5.4 Verbrennungswärme;136
3.6.5.5;6.5.5 Aktivierungs- und Zündenergie;137
3.6.6;6.6 Chemisches Gleichgewicht: Nichts Stabiles!;138
3.6.6.1;6.6.1 Reaktionsgeschwindigkeit;138
3.6.6.2;6.6.2 Massenwirkungsgesetz (MWG);139
3.6.6.3;6.6.3 LE CHATELIER-Prinzip;140
3.6.7;6.7 Katalyse: Wie man Reaktionen Beine macht!;141
3.6.8;6.8 Chemische Experimente die begeistern!;144
3.6.9;6.9 Aufgaben mit Lösungen;145
3.6.10;Literatur zur Technischen Chemie, Thermodynamik und Reaktionstechnik;149
3.7;7 Säuren, Basen, Luftschadstoffe;150
3.7.1;7.1 Wie wirken Säuren und Basen?;150
3.7.2;7.2 Benennung anorganischer Säuren und Salze leicht gemacht!;152
3.7.3;7.3 Säuren in Technik, Umwelt und Lebensmitteln;154
3.7.3.1;7.3.1 Salzsäure;154
3.7.3.2;7.3.2 Chlorsäuren;155
3.7.3.3;7.3.3 Fluorwasserstoffsäure;155
3.7.3.4;7.3.4 Schwefelsäure;156
3.7.3.5;7.3.5 Schweflige Säure;157
3.7.3.6;7.3.6 Salpetersäure;158
3.7.3.7;7.3.7 Salpetrige Säure;159
3.7.3.8;7.3.8 Phosphorsäure;160
3.7.3.9;7.3.9 Kohlensäure;161
3.7.4;7.4 Anorganische Basen;161
3.7.5;7.5 Wie misst man die Stärke von Säuren und Basen?;163
3.7.5.1;7.5.1 Dissoziationsgrad und Protolyse;163
3.7.5.2;7.5.2 pK-Wert und Ionenprodukt;164
3.7.5.3;7.5.3 Supersäuren;165
3.7.6;7.6 Acidität, Basizität und pH-Rechnung;166
3.7.7;7.7 Neutralisation, Hydrolyse, Titrationskurven;168
3.7.8;7.8 Indikatoren und pH-Puffer;170
3.7.9;7.9 Konzentrationsmaße;171
3.7.10;7.10 Verdünnen von Säuren und Basen;174
3.7.11;7.11 Titrationsformel und Maßanalyse;174
3.7.12;7.12 Chemische Experimente die begeistern!;177
3.7.13;7.13 Aufgaben mit Lösungen;178
3.8;8 Lösungen, Fällungsreaktionen, Wasserchemie;180
3.8.1;8.1 Löslichkeit und Löslichkeitsprodukt;180
3.8.2;8.2 Wann muss man mit Aktivitäten rechnen?;182
3.8.3;8.3 Fällungen und Gravimetrie;184
3.8.4;8.4 Fremdioneneinfluss auf die Fällung von Niederschlägen;184
3.8.5;8.5 Wasser und Abwasser;186
3.8.5.1;8.5.1 Wasserhärte;186
3.8.5.2;8.5.2 Wasservollentsalzung;187
3.8.5.3;8.5.3 Kennwerte der Wasserqualität;188
3.8.5.4;8.5.4 Sauerstoffgehalt und Güteklassen;189
3.8.5.5;8.5.5 Trinkwasseraufbereitung;190
3.8.5.6;8.5.6 Chemie der Abwasserreinigung;190
3.8.6;8.6 Aufgaben mit Lösungen;192
3.8.7;8.7 Chemische Experimente die begeistern!;193
3.8.8;Literatur zur Analytischen Chemie und Umweltchemie;193
3.9;9 Elektrochemie;194
3.9.1;9.1 Oxidation, Reduktion, Redoxsysteme;194
3.9.2;9.2 Ohne Grenzflächen keine Elektrochemie!;196
3.9.3;9.3 Normalpotential und Spannungsreihe;197
3.9.4;9.4 Galvanische Elemente und Korrosion;199
3.9.5;9.5 Batterien und Akkumulatoren;202
3.9.6;9.6 Brennstoffzellen;204
3.9.7;9.7 Elektrolyse und Galvanotechnik;207
3.9.7.1;9.7.1 FARADAY'sche Gesetze;208
3.9.7.2;9.7.2 Elektrolytische Stoffgewinnung;209
3.9.7.3;9.7.3 Galvanotechnik;210
3.9.8;9.8 Elektrodenvorgänge;212
3.9.9;9.9 Elektroanalytik;213
3.9.9.1;9.9.1 Potentiometrische pH-Messung;213
3.9.9.2;9.9.2 Amperometrie und Voltammetrie;215
3.9.9.3;9.9.3 Konduktometrie;217
3.9.9.4;9.9.4 Coulometrie;217
3.9.10;9.10 Redoxkatalyse und biologische Energiewandlung;218
3.9.11;9.11 Chemische Experimente die begeistern!;219
3.9.12;9.12 Aufgaben mit Lösungen;221
3.9.13;Literatur zur Elektrochemie;223
4;Teil II Organische Chemie;224
4.1;10 Kohlenwasserstoffe;226
4.1.1;10.1 Alkane und die Vielfalt des Kohlenstoffs;226
4.1.2;10.2 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe und Aromaten;228
4.1.3;10.3 Reaktionen der Kohlenwasserstoffe;229
4.1.3.1;Radikalische Substitution (SR);229
4.1.3.2;Elektrophile Addition (AE) – typisch Alkene!;230
4.1.3.3;Elektrophile Substitution (SE) bei Aromaten;232
4.1.4;10.4 Aufgaben mit Lösungen;234
4.1.5;10.5 Chemische Experimente die begeistern!;235
4.1.6;Literatur zur Organischen Chemie, Biochemie und Lebensmittelchemie;235
4.2;11 Stoffklassen, Reaktionen und Anwendungen;236
4.2.1;11.1 Funktionelle Gruppen und Nomenklatur;236
4.2.2;11.2 Halogenkohlenwasserstoffe;237
4.2.2.1;Nucleophile Substitution und Eliminierung;238
4.2.3;11.3 Alkohole, Phenole und Ether;239
4.2.4;11.4 Aldehyde und Ketone;242
4.2.4.1;Nucleophile Addition an CO-Gruppen;242
4.2.4.2;Aldoladdition und -kondensation;244
4.2.5;11.5 Carbonsäuren und ihre Derivate;245
4.2.5.1;Ester, Fette, Seifen, Waschmittel;247
4.2.5.2;Aromatische Carbonsäuren und ihre Ester;248
4.2.6;11.6 Organische Stickstoffverbindungen;249
4.2.6.1;Nitroverbindungen und Explosivstoffe;249
4.2.6.2;Amine, Arzneimittel und Azofarbstoffe;249
4.2.6.3;Azofarbstoffe;250
4.2.6.4;Nitrile, Isocyanate, Urethane;251
4.2.6.5;Aminosäuren, Peptide, Proteine;252
4.2.7;11.7 Chemische Experimente die begeistern!;254
4.2.8;11.8 Aufgaben mit Lösungen;255
4.3;12 Polymerchemie;257
4.3.1;12.1 Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere;257
4.3.2;12.2 Synthetische Kunststoffe;259
4.3.2.1;12.2.1 Additionspolymerisation I: Kettenreaktionen bei Alkenen;259
4.3.2.2;12.2.2 Additionspolymerisation II: Polyaddition;260
4.3.2.2.1;Polyurethane;260
4.3.2.2.2;Epoxidharze;261
4.3.2.2.3;Polyacetale;261
4.3.2.3;12.2.3 Kondensationspolymerisation bei Carbonylverbindungen;261
4.3.2.3.1;Polyamide;262
4.3.2.3.2;Polyester;262
4.3.2.3.3;Phenoplaste;263
4.3.2.3.4;Aminoplaste;264
4.3.2.3.5;Polycarbonat;264
4.3.2.3.6;Silicone;264
4.3.3;12.3 Biopolymere und Naturstoffderivate;265
4.3.3.1;Kautschuk – natürliche Polyolefine;265
4.3.3.2;Cellulose – Polysaccharide;265
4.3.4;12.4 Polymerisationsverfahren und Copolymerisation;266
4.3.5;12.5 Polymerstruktur und chemisch-physikalische Eigenschaften;266
4.3.6;12.6 Kunststoffadditive;268
4.3.7;12.7 Chemische Experimente die begeistern!;269
4.3.8;12.8 Aufgaben mit Lösungen;271
4.3.9;Literatur;271
4.4;13 Nachhaltige Chemie;272
4.4.1;13.1 Atomökonomie und umweltverträgliche Chemikalien;272
4.4.2;13.2 Heterogene Katalysatoren und grüne Chemie;273
4.4.2.1;Heterogene Katalyse mit Zeolithen;273
4.4.2.2;Heterogene Basenkatalysatoren;274
4.4.2.3;Heterogene Oxidationskatalysatoren;275
4.4.2.4;Heterogene LEWIS-Säure-Katalysatoren;275
4.4.3;13.3 Homogene Katalysatoren und asymmetrische Synthese;275
4.4.3.1;Phosphinkomplexe;275
4.4.3.2;Hydroformylierung (Oxosynthese);276
4.4.3.3;Technische Essigsäure-Synthese;276
4.4.3.4;Polymersynthese;277
4.4.3.5;EPDM-Elastomere;278
4.4.3.6;Phasentransferkatalyse;279
4.4.3.7;„Grüne“ LEWIS-Basen;279
4.4.4;13.4 Biokonversion: Enzymatische Katalyse;279
4.4.5;13.5 Erneuerbare Energien und Rohstoffe;280
4.4.5.1;13.5.1 Energetische Verwertung von Biomasse;280
4.4.5.2;13.5.2 Solarenergie und Fotokatalyse;281
4.4.5.3;13.5.3 Fettsäuren, Tenside und Schmierstoffe;281
4.4.5.4;13.5.4 Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen;282
4.4.5.5;13.5.5 Plattform-Chemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen;283
4.4.5.6;13.5.6 Synthesegas und Bioraffinerie;283
4.4.6;13.6 Alternative Lösungsmittel und Energiequellen;284
4.4.6.1;13.6.1 Überkritische und ionische Fluide;284
4.4.6.2;13.6.2 Mikrowellen- und Sonochemie;284
4.4.7;13.7 Aufgaben mit Lösungen;285
4.4.8;Literatur zur Nachhaltigen Chemie;285
5;Teeil III Anorganische Stoffchemie - Gefahrstoffe und Arbeitsschutz;286
5.1;14 Chemie der Elemente;287
5.1.1;14.1 Hauptgruppenelemente;287
5.1.1.1;I a Wasserstoff und Alkalimetalle (Gruppe 1 );287
5.1.1.2;Alkalimetalle (kurz: MI);289
5.1.1.3;II a Erdalkalimetalle (Gruppe 2: MII);291
5.1.1.4;III a Borgruppe (Gruppe 13:Triele, Erdmetalle);293
5.1.1.5;IVa Kohlenstoffgruppe (Gruppe 14: Tetrele);295
5.1.1.6;V a Stickstoffgruppe (Gruppe 15: Pentele, kurz Z);297
5.1.1.7;VI a Chalkogene (Gruppe 16: Sauerstoffgruppe, kurz Y);299
5.1.1.8;VII a Halogene (Gruppe 17: kurz X);301
5.1.1.9;VIII a Edelgase (Gruppe 18);303
5.1.2;14.2 Nebengruppenelemente (Übergangsmetalle);304
5.1.2.1;I b Kupfergruppe (Gruppe 11: Münzmetalle);304
5.1.2.2;II b Zinkgruppe (Gruppe 13);306
5.1.2.3;III b Scandiumgruppe, Seltenerdmetalle, Actinoide (Gruppe 3);307
5.1.2.4;IV b Titangruppe (Gruppe 4);309
5.1.2.5;V b Vanadiumgruppe (Gruppe 5);311
5.1.2.6;VI b Chromgruppe (Gruppe 6);312
5.1.2.7;VII b Mangangruppe (Gruppe 7);314
5.1.2.8;VIII b Eisen- und Platinmetalle (Gruppe 8, d6 bis d8);314
5.1.3;14.3 Aufgaben mit Lösungen;318
5.1.4;Literatur zur Anorganischen Stoffchemie;319
5.2;15 Chemikalien am Arbeitsplatz;319
5.2.1;15.1 Umgang mit Gefahrstoffen;319
5.2.2;15.2 Gefahrensymbole, Gefahrstofftransport, Chemikalienlager;319
5.2.2.1;EU-Gefahrensymbole und Risiken;321
5.2.2.2;Global Harmonisches System (GHS) und Gefahrguttransport (UN);321
5.2.3;15.3 Arbeitsschutzkennzahlen und Innenraumbelastungen;324
5.2.4;15.4 Aufgaben mit Lösungen;327
5.2.5;Literatur und Internetadressen zu Toxikologie und Arbeitsschutz;327
6;Stichwortverzeichnis;328
Chemie in Technik und Umwelt - Aufbau der Materie - Kernchemie und Kernenergie - Chemische Bindung und Struktur - Chemische Reaktionen und Thermochemie - Säuren, Basen, Luftschadstoffe - Lösungen, Fällungen, Wasserchemie - Elektrochemie - Kohlenwasserstoffe - Stoffklassen und technische Anwendungen - Polymerchemie - Nachhaltige Chemie - Chemikalien am Arbeitsplatz
