Chemie Das Basiswissen der Chemie

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1 Chemie Das Basiswissen der Chemie Charles E. Mortimer Ulrich Müller 8.. komplett überarbeitete und erweiterte Auflage 390 Abbildungen 520 Formelbilder 125 Tabellen Thieme

2 IX 1 Einleitung Historische Entwicklung der Chemie Elemente, Verbindungen, Gemische Stofftrennung Maßeinheiten Genauigkeit und signifikante Stellen Übungsaufgaben Einführung in die Atomtheorie Die Dalton-Atomtheorie Das Elektron Das Proton Das Neutron Aufbau der Atome Atomsymbole Isotope Atommassen Übungsaufgaben Stöchiometrie, Teil I: Chemische Formeln Moleküle und Ionen Empirische Formeln Das Mol Prozentuale Zusammensetzung von Verbindungen Ermittlung chemischer Formeln Übungsaufgaben Stöchiometrie, Teil II: Chemische Reaktionsgleichungen Chemische Reaktionsgleichungen Begrenzende Reaktanden Ausbeute bei chemischen Reaktionen Konzentration von Lösungen Übungsaufgaben... 42

3 X Inhalt 5 Energieumsatz bei chemischen Reaktionen Energiemaße Temperatur und Wärme Kalorimetrie Reaktionsenergie und Reaktionsenthalpie Der Satz von Hess Bildungsenthalpien Bindungsenergien Übungsaufgaben Die Elektronenstruktur der Atome Elektromagnetische Strahlung Atomspektren Ordnungszahl und das Periodensystem der Elemente Wellenmechanik Quantenzahlen Orbitalbesetzung und die Hund-Regel Die Elektronenstruktur der Elemente Halb- und vollbesetzte Unterschalen Einteilung der Elemente Übungsaufgaben Eigenschaften der Atome und die Ionenbindung Atomgröße Ionisierungsenergien Elektronenaffinitäten Die Ionenbindung Gitterenergie Arten von Ionen Ionenradien Nomenklatur von ionenverbindungen Übungsaufgaben Die kovalente Bindung Konzept der kovalenten Bindung Übergänge zwischen Ionenbindung und kovalenter Bindung Elektronegativität Formalladungen Mesomerie (Resonanz) Nomenklatur von binären Molekülverbindungen Übungsaufgaben

4 Inhalt XI 9 Molekülstruktur, Molekülorbitale Ausnahmen zur Olctettregel Elektronenpaar-Abstoßung und Moleldstruktur Hybridorbitale Molekülorbitale Molekülorbitale in mehratomigen Molekülen Delokalisierte Bindungen Stark polare kovalente Bindungen Hypervalente Atome Übungsaufgaben Gase Druck... Das Avogadro-Gesetz... Das ideale Gasgesetz... Stöchiometrie und Gasvolumina... Die kinetische Gastheorie... Das Dalton-Gesetz der Partialdrücke... Molekülgeschwindigkeiten in Gasen... Das Graham-Effusionsgesetz... Reale Gase Verflüssigung von Gasen... Übungsaufgaben Flüssigkeiten und Feststoffe lntermolekulare Anziehungskräfte Wasserstoff-Brücken Der flüssige Zustand Verdampfung Dampfdruck Siedepunkt Verdampfungsenthalpie Gefrierpunkt Dampfdruck von Festkörpern Phasendiagramme Arten von kristallinen Feststoffen Kristallgitter Kristallstrukturen von Metallen lonenkristalle Defektstrukturen Flüssigkristalle Übungsaufgaben 189

5 XIl Inhalt 12 Strukturaufklärung Röntgenbeugung Kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie Übungsaufgaben Lösungen Allgemeine Betrachtungen Der Auflösungsprozess Hydratisierte Ionen Lösungsenthalpie Abhängigkeit der Löslichkeit von Druck und Temperatur Konzentration von Lösungen Dampfdruck von Lösungen Gefrierpunkt und Siedepunkt von Lösungen Osmose Destillation Elektrolytlösungen Interionische Wechselwirkungen in Lösungen Kolloide Lösungen und Gele Übungsaufgaben Reaktionen in wässriger Lösung Metathece-Reaktionen OxidationszahIen Reduktions-Oxidations-Reaktionen Arrhenius-Säuren und -Basen Saure und basische Oxide Nomenklatur von Säuren, Hydroxiden und Salzen Volumetrische Analyse Äquivalentmasse und Normallösungen Übungsaufgaben Reaktionskineti k Reaktionsgeschwindigkeit Konzentrationsabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit Zeitabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit Einstufige Reaktionen Geschwindigkeitsgesetze für einstufige Reaktionen Reaktionsmechanismen Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit Katalyse... Übungsaufgaben

6 Inhalt Xlll 16 Das chemische Gleichgewicht Reversible Reaktionen und chemisches Gleichgewicht Die Gleichgewichtskonstante Kc, Die Gleichgewichtskonstante Das Prinzip des kleinsten Zwanges Übungsaufgaben Säuren und Basen Das Arrhenius-Konzept Das Bronsted-Lowry-Konzept Die Stärke von Brmsted-Säuren und -Basen Säurestärke und Molekülstruktur Das Lewis-Konzept Lösungsmittelbezogene Säuren und Basen Übungsaufgaben Säure-Base-Gleichgewichte Das lonenprodukt des Wassers. ph-wert Schwache Elektrolyte Indikatoren Pufferlösungen Mehrprotonige Säuren Salze schwacher Säuren und Basen Säure-Base-Titrationen Erweiterung des Säure-Base-Konzepts auf Festkörper Übungsaufgaben Löslichkeitsprodukt und Komplex-Gleichgewichte Das Löslichkeitsprodukt Fällungsreaktionen Fällung von Sulfiden Komplexgleichgewichte Übungsaufgaben Grundlagen der chemischen Thermodynamik Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik Enthalpie 333 Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik Die freie Enthalpie Freie Standard-Enthalpien Absolute Entropien Gleichgewicht und freie Reaktionsenthalpie Temperaturabhängigkeit von Gleichgewichtskonstanten

7 XIV Inhalt Elektrochemie Elektrischer Strom Elektrolytische Leitung Elektrolyse Stöchiometrische Gesetze bei der Elektrolyse Galvanische Zellen Die elektromotorische Kraft Elektrodenpotenziale Freie Reaktionsenthalpie und elektromotorische Kraft Konzentrationsabhängigkeit des Potenzials JO Potenziometrische Titration Elektrodenpotenziale und Elektrolyse Korrosion von Eisen Galvanische Zellen für den praktischen Gebrauch Brennstoffzellen Übungsaufgaben Wasserstoff Vorkommen und physikalische Eigenschaften Herstellung von Wasserstoff Chemische Eigenschaften des Wasserstoffs Technische Verwendung von Wasserstoff Übungsaufgaben Die Halogene Eigenschaften der Halogene Vorkommen und Herstellung der Halogene Interhalogen-Verbindungen Halogenwasserstoffe Halogenide Oxosäuren der Halogene Verwendung der Halogene Übungsaufgaben Die Edelgase Vorkommen und Gewinnung der Edelgase Eigenschaften der Edelgase Verwendung der Edelgase

8 Inhalt XV 25 Die Elemente der 6. Hauptgruppe 25.1 Allgemeine Eigenschaften der Chalkogene Vorkommen und Gewinnung von Sauerstoff Reaktionen des Sauerstoffs Verwendung von Sauerstoff Ozon Schwefel, Selen und Tellur Vorkommen und Gewinnung von Schwefel, Selen und Tellur Wasserstoff-Verbindungen von Schwefel, Selen und Tellur Schwefel-, Selen- und Tellur-Verbindungen in der Oxidationsstufe + IV Schwefel-, Selen- und Tellur-Verbindungen in der Oxidationsstufe +VI Verwendung von Schwefel, Selen und Tellur Übungsaufgaben Die Elemente der 5. Hauptgruppe Allgemeine Eigenschaften Die Elementstrukturen von Phosphor, Arsen, Antimon und Bismut Der Stickstoffzyklus Vorkommen und Herstellung der Elemente der 5. Hauptgruppe Nitride und Phosphide Wasserstoff-Verbindungen Halogen-Verbindungen Oxide und Oxosäuren des Stickstoffs Luftverschmutzung Oxide und Oxosäuren des Phosphors Oxide und Oxosäuren von Arsen, Antimon und Bismut Verwendung der Elemente der 5. Hauptgruppe Übungsaufgaben Kohlenstoff, Silicium und Bor Allgemeine Eigenschaften der Elemente der 4. Hauptgruppe Die Strukturen der Elemente der 4. Hauptgruppe Vorkommen, Gewinnung und Verwendung von Kohlenstoff und Silicium Carbide, Silicide und Silane Oxide und Oxosäuren des Kohlenstoffs Siliciumdioxid und Silicate Schwefel- und Stickstoff-Verbindungen des Kohlenstoffs Allgemeine Eigenschaften der Elemente der 3. Hauptgruppe Elementares Bor Bor-Verbindungen Borane (Borhydride) Übungsaufgaben

9 XVI Inhalt 28 Metalle Die metallische Bindung Halbleiter Physikalische Eigenschaften von Metallen Vorkommen von Metallen Metallurgie: Aufbereitung von Erzen Metallurgie: Reduktion Metallurgie: Raffination Die Alkalimetalle Die Erdalkalimetalle Die Metalle der 3. Hauptgruppe Die Metalle der 4. Hauptgruppe Die Übergangsmetalle Die Lanthanoiden Übungsaufgaben Komplex-Verbindungen Struktur von Komplex-Verbindungen Stabilität von Komplexen Nomenklatur von Komplexen Isomerie Die Bindungsverhältnisse in Komplexen Übungsaufgaben Organische Chemie, Teil I: Kohlenwasserstoffe Alkane Alkene Alkine Apne Reaktionen der Kohlenwasserstoffe. Radikalische Substitution. Addition Cycloaddition und die Bedeutung der Orbitalsymmetrie für chemische Reaktionen Reaktionen von Arenen. Elektrophile Substitution Übungsaufgaben Organische Chemie, Teil II: Funktionelle Gruppen Halogenalkane. Nucleophile Substitution. Eliminierungsreaktionen Metallorganische Verbindungen Alkohole, Phenole und Thiole Ether Carbonyl-Verbindungen Carbonsäuren und ihre Derivate

10 Inhalt XVll 31.7 Amine und Carbonsäureamide Aminosäuren und Peptide Azo- und Diazo-Verbindungen Heterocyclische Verbindungen Übungsaufgaben Spezielle Gebiete der organischen Chemie 32.1 Stereochemie organischer Verbindungen Racemat-Trennung und Synthese chiraler Moleküle PolymerChemie Supramolekulare Chemie Übungsaufgaben Naturstoffe und Biochemie 33.1 Terpene Kohlenhydrate Fette, Öle und Wachse Botenstoffe, Hormone und Vitamine Natürliche Farbstoffe Proteine Nucleinsäuren Proteinsynthese Gentechnik Enzyme und Coenzyme Schlussbemerkung: Chemie und Biochemie Übungsaufgaben Kernchemie Der Atomkern Kernreaktionen Radioaktivität Messung der Radioaktivität Die radioaktive Zerfallsgeschwindigkeit Biologische Effekte der radioaktiven Strahlung Radioaktive Zerfallsreihen Künstliche Kernumwandlungen Kernspaltung Kernfusion Verwendung von radioaktiven Nucliden Übungsaufgaben

11 Wlll Inhalt 35 Umgang mit gefährlichen Stoffen Einteilung und Kennzeichnung der Gefahrstoffe Deutsches Gefahrstoffrecht Giftstoffe, Toxikologie Übungsaufgaben Anhang 675 A Normalpotenziale B Gleichgewichtskonstanten C Thermodynamische Daten D Mittlere Bindungsenergien E Lösungen zu den Übungsaufgaben Glossar 709 Sachverzeichnis 733 Bildnachweis 766 Maßeinheiten, Naturkonstanten... Tabelle der Elemente... Periodensystem der Elemente... vorderer Einband hinterer Einband Ausklapptafel am Buchende Periodensystem der Elemente, Naturkonstanten, Formelsammlung (Einsteckkärtchen)... hinterer Einband