Anorganische Chemie. Hans Peter Latscha Helmut Alfons Klein. Chemie-Basiswissen I. Neunte, vollständig überarbeitete Auflage

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1 Springer-Lehrbuch

2 Hans Peter Latscha Helmut Alfons Klein Anorganische Chemie Chemie-Basiswissen I Neunte, vollständig überarbeitete Auflage Mit 190 Abbildungen und 37 Tabellen 123

3 Professor Dr. Hans Peter Latscha Anorganisch-Chemisches Institut der Universität Heidelberg Im Neuenheimer Feld 270, Heidelberg Dr. Helmut Alfons Klein Bundesministerium für Arbeit und Soziales U-Abt. Arbeitsschutz/Arbeitsmedizin Rochusstr. 1, Bonn Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York DOI / ISBN Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1978, 1984, 1988, 1990, 1992, 1994, 1996, 2002, 2007 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuziehen. Satz: Digitale Druckvorlage des Autors Herstellung: LE-TEXJelonek, Schmidt& VöcklerGbR, Leipzig Umschlaggestaltung: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier 52/3100/YL

4 Vorwort zur neunten Auflage Die gute Aufnahme, die unsere Lehrbücher beim Leser finden, hat uns ermutigt, auch für die neunte Auflage dieses Buches das gewählte Konzept grundsätzlich beizubehalten. Der Inhalt wurde überarbeitet, korrigiert und stärker praxisorientiert. Es wurden Ergänzungen und Verbesserungen im Detail vorgenommen. Wesentliche Sätze und Definitionen sowie wichtige Formeln wurden durch Verwendung einer Akzentfarbe hervorgehoben. Der Text wurde dadurch didaktisch verbessert. Das Lehrbuch Chemie Basiswissen, Teil I besteht aus zwei Abschnitten. Der erste Abschnitt enthält die Grundlagen der Allgemeinen Chemie, der zweite Abschnitt befasst sich mit der Anorganischen Chemie, d. h. den Elementen und ihren Verbindungen. Beide Abschnitte sind so geschrieben, dass sie unabhängig voneinander benutzt werden können. Das Buch soll vor allem für Chemiestudenten, Physiker, Geowissenschaftler, Studenten der Ingenieurwissenschaften und Lehramtskandidaten eine Hilfe bei der Erarbeitung chemischer Grundkenntnisse sein. In Aufbau, Stoffauswahl und Umfang haben wir versucht, den Wünschen dieser Gruppen weitgehend zu entsprechen. Herrn Dipl. Chem. Dr. Martin Mutz sind wir zu besonderem Dank verpflichtet für konstruktive Kritik, hilfreiche Beiträge und die sorgfältige Erstellung des Layouts Herrn Enders von der Planung Chemie des Springer-Verlags danken wir für die jahrelange verständnisvolle Zusammenarbeit. Heidelberg, im März 2007 H. P. LATSCHA H. A. KLEIN

5 Inhaltsverzeichnis Allgemeine Chemie Chemische Elemente und chemische Grundgesetze... 3 Verbreitung der Elemente... 4 Chemische Grundgesetze Aufbau der Atome Atomkern... 7 Kernregeln... 9 Atommasse... 9 Massendefekt Isotopieeffekte Trennung von Isotopen Radioaktive Strahlung Radioaktive Zefallsgeschwindigkeit Beispiele für natürliche und künstliche Isotope Radioaktive Aktivität Radioaktive Zerfallsreihen Radioaktives Gleichgewicht Beispiele für Anwendungsmöglichkeiten von Isotopen Aktivierungsanalyse Elektronenhülle Atommodell von Niels Bohr Bohrsches Modell vom Wasserstoffatom Atomspektren (Absorptions- und Emissionsspektroskopie) Verbesserungen des Bohrschen Modells Wellenmechanisches Atommodell des Wasserstoffatoms... 24

6 VIII Anorganische Chemie Elektronenspin Graphische Darstellung der Atomorbitale Mehrelektronenatome Pauli-Prinzip, Pauli-Verbot Hundsche Regel Periodensystem der Elemente Einteilung der Elemente auf Grund ähnlicher Elektronenkonfiguration Edelgase Hauptgruppenelemente ( repräsentative Elemente) Übergangselemente bzw. Nebengruppenelemente.. 44 Valenzelektronenzahl und Oxidationsstufen Periodizität einiger Eigenschaften ) Atom- und Ionenradien ) Elektronenaffinität (EA) ) Ionisierungspotential / Ionisierungsenergie ) Elektronegativität ) Metallischer und nichtmetallischer Charakter der Elemente Moleküle, chemische Verbindungen, Reaktionsgleichungen und Stöchiometrie Reaktionsgleichungen Konzentrationsmaße Stöchiometrische Rechnungen Beispiel einer Ausbeuteberechnung Berechnung von empirischen Formeln Chemische Bindung (Bindungsarten) Ionische (polare, heteropolare) Bindungen, Ionenbeziehung Gitterenergie Spinell-Struktur Perowskit-Struktur Calcit-Struktur... 73

7 Inhaltsverzeichnis IX Übergang von der ionischen zur kovalenten Bindung Übergang von der ionischen zur metallischen Bindung Atombindung (kovalente, homöopolare Bindung, Elektronenpaarbindung) MO-Theorie der kovalenten Bindung VB-Theorie der kovalenten Bindung Mehrfachbindungen, ungesättigte Verbindungen Energie von Hybridorbitalen Bindigkeit Bindungsordnung, Bindungsgrad Oktettregel Doppelbindungsregel Radikale Bindungsenergie und Bindungslänge Mesomerie oder Resonanz Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßungsmodell 93 Geometrie von Polyedern mit sieben bis zwölf Elektronenpaaren Metallische Bindung Metallgitter Mechanische Eigenschaften der Metalle / Einlagerungsstrukturen Legierungen Unbegrenzte Mischbarkeit Überstrukturphasen Eutektische Legierungen Mischungslücke Intermetallische Verbindungen oder intermetallische Phasen Beispiele für intermetallische Phasen Fe-C-System Zwischenmolekulare Bindungskräfte / schwache Bindungen Wasserstoffbrückenbindungen Van der Waalssche Bindung (van der Waals-Kräfte, Dispersionskräfte) Komplexverbindungen Bindungen in Komplexen Chelateffekt π-komplexe Chargetransfer-Komplexe

8 X Anorganische Chemie Carbonyle Herstellung Eigenschaften Reaktionen von Carbonylen Koordinationszahl und räumlicher Bau von Komplexen Isomerieerscheinungen bei Komplexverbindungen 127 Stereoisomerie a) cis-trans-isomerie Komplexe mit KZ Komplexe mit KZ trans-effekt b) Optische Isomerie (Spiegelbildisomerie) Komplexe mit KZ Komplexe mit KZ Strukturisomerie Hydratisomerie Bindungsisomerie, Salzisomerie Bindung in Komplexen / Koordinative Bindung Edelgas-Regel VB-Theorie der Komplexbindung Vorzüge und Nachteile der VB-Theorie Kristallfeld-Ligandenfeld-Theorie Besetzung der e g - und t 2g -Orbitale im oktaedrischen Feld Besetzung der e g - und t 2g -Orbitale im tetraedrischen Feld Absorptionsspektren Jahn-Teller-Effekt Vorzüge und Nachteile der Kristallfeld-Theorie MO-Theorie der Bindung in Komplexen Bildung der Molekülorbitale Verteilung der Elektronen des Zentralteilchens HSAB-Konzept bei Komplexen σ- und π-bindung in Komplexen Komplexbildungsreaktionen Formelschreibweise von Komplexen Nomenklatur von Komplexen Beispiele zur Nomenklatur Zustandsformen der Materie (Aggregatzustände) Fester Zustand Kristalline Stoffe

9 Inhaltsverzeichnis XI Kristallsysteme Raumgruppen; Bravais-Gitter Kristallklassen Eigenschaften von kristallinen Stoffen Schmelz- und Erstarrungspunkt; Schmelzenthalpie Gittertypen Gasförmiger Zustand Gasgesetze für ideale Gase Das Verhalten realer Gase Zustandsgleichung realer Gase Kritische Daten von Gasen Diffusion von Gasen Flüssiger Zustand Dampfdruck einer Flüssigkeit Siedepunkt Gefrierpunkt Durchschnittsgeschwindigkeit von Atomen und Molekülen Mehrstoffsysteme Lösungen Definition des Begriffs Phase Zustandsdiagramme Gibbssche Phasenregel (1878) Beispiele für das Gibbssche Phasengesetz Mehrstoffsysteme Lösungen Eigenschaften von Lösemitteln (Lösungsmitteln) Echte Lösungen Lösungsvorgänge Löslichkeit Chemische Reaktionen bei Lösungsvorgängen Verhalten und Eigenschaften von Lösungen I. Lösungen von nichtflüchtigen Substanzen Diffusion in Lösung Osmose Dialyse Lösungsgleichgewichte Verteilung zwischen zwei nichtmischbaren flüssigen Phasen Verteilung zwischen einer Gasphase und der Lösung

10 XII Anorganische Chemie 3. Verteilung zwischen einer festen Phase und der Lösung Elektrolytlösungen Elektrolytische Dissoziation Ostwaldsches Verdünnungsgesetz Elektrodenprozesse Beispiele für Elektrolysen II. Lösungen flüchtiger Substanzen Ideale Lösungen Nichtideale Lösungen Mischungslücke Kolloide Lösungen, kolloiddisperse Systeme Isoelektrischer Punkt (I.P.) Redoxsysteme Oxidationszahl Regeln zur Ermittlung der Oxidationszahl Reduktion und Oxidation Normalpotentiale von Redoxpaaren Normalpotential und Reaktionsrichtung Nernstsche Gleichung Konzentrationskette Praktische Anwendung von galvanischen Elementen Trockenbatterie (Leclanché-Element) Alkali-Mangan-Zelle Nickel-Cadmium-Batterie Quecksilber-Batterie Brennstoffzellen Akkumulatoren Lithium-Ionenakku Elektrochemische Korrosion / Lokalelement Elektrochemische Bestimmung von ph-werten Elektroden 2. Art Spezielle Redoxreaktionen Säure-Base-Systeme Brønstedsäuren und basen; ph-wert Säure- und Basestärke Starke Säuren und starke Basen Schwache Säuren und schwache Basen

11 Inhaltsverzeichnis XIII Mehrwertige Säuren Mehrwertige Basen Protolysereaktionen beim Lösen von Salzen in Wasser Neutralisationsreaktionen Protolysegrad Titrationskurven ph-abhängigkeit von Säureund Base-Gleichgewichten, Pufferlösungen Bedeutung der Henderson-Hasselbalch-Gleichung. 226 a) Der Bicarbonatpuffer (Kohlensäure-Hydrogencarbonatpuffer) b) Der Phosphatpuffer Acetatpuffer Messung von ph-werten Säure-Base-Reaktionen in nichtwässrigen Systemen Elektronentheorie der Säuren und Basen nach Lewis Supersäuren Prinzip der harten und weichen Säuren und Basen Energetik chemischer Reaktionen (Grundlagen der Thermodynamik) I. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz) Veranschaulichung der Volumenarbeit p V Anwendung des I. Hauptsatzes auf chemische Reaktionen Hess scher Satz der konstanten Wärmesummen II. Hauptsatz der Thermodynamik Triebkraft chemischer Reaktionen Statistische Deutung der Entropie III. Hauptsatz der Thermodynamik Gibbs-Helmholtzsche Gleichung Zusammenhang zwischen G und EMK Kinetik chemischer Reaktionen Reaktionsordnung Halbwertszeit

12 XIV Anorganische Chemie Konzentration-Zeit-Diagramm für eine Reaktion erster Ordnung Konzentration-Zeit-Diagramm für eine Reaktion zweiter Ordnung Molekularität einer Reaktion Pseudo-Ordnung und Pseudo-Molekularität Arrhenius-Gleichung Katalyse Darstellung von Reaktionsabläufen durch Energieprofile Parallelreaktionen / Kinetische und thermodynamische Reaktionskontrolle Metastabile Systeme Kettenreaktionen Einleitung von Kettenreaktionen Abbruch von Kettenreaktionen Chemisches Gleichgewicht (Kinetische Ableitung) Formulierung des MWG für einfache Reaktionen Gekoppelte Reaktionen Aktivitäten Beeinflussung von Gleichgewichtslagen Änderung der Temperatur Änderung von Konzentration bzw. Partialdruck bei konstanter Temperatur Das Löslichkeitsprodukt Allgemeine Formulierung Fließgleichgewicht

13 Inhaltsverzeichnis XV Spezielle Anorganische Chemie A) Hauptgruppenelemente Wasserstoff Stellung von Wasserstoff im Periodensystem der Elemente (PSE) Reaktionen und Verwendung von Wasserstoff Wasserstoffverbindungen Alkalimetalle (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) Lithium Natrium Kalium Rubidium, Cäsium Francium Erdalkalimetalle (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) Beryllium Magnesium Herstellung Verbindungen Calcium Verbindungen Mörtel Strontium Barium Radium Borgruppe (B, Al, Ga, In, Tl) Bor Verbindungen Herstellung der Borane Eigenschaften Carborane Borhalogenide Sauerstoff-Verbindungen Borstickstoff-Verbindungen Aluminium Gallium - Indium - Thallium

14 XVI Anorganische Chemie Kohlenstoffgruppe (C, Si, Ge, Sn, Pb) Kohlenstoff Graphitverbindungen Kohlenstoff-Verbindungen Isosterie Boudouard-Gleichgewicht Carbide Silicium Kieselsäuren Zinn Zinn(II)- Verbindungen Zinn(IV)-Verbindungen Blei Blei(II)-Verbindungen Blei(IV)-Verbindungen Inert-pair-Effekt Stickstoffgruppe (N, P, As, Sb, Bi) Stickstoff Stickstoffhalogenide Phosphor Phosphoroxide Phosphorsäuren Halogenverbindungen Pseudorotation (Berry-Mechanismus) Phosphor-Stickstoff-Verbindungen Arsen Sauerstoffverbindungen Halogenverbindungen Schwefelverbindungen Antimon Bismut (früher Wismut) Ausnahmen von der Doppelbindungsregel Chalkogene (O, S, Se, Te, Po) Sauerstoff Sauerstoffverbindungen Oxide Schwefel Halogenverbindungen Schwefelchloride und Schwefelbromide Oxidhalogenide SOX 2 (X = F, Cl, Br) Schwefeloxide und Schwefelsäuren

15 Inhaltsverzeichnis XVII H 2 SO 4, Schwefelsäure Schwefel-Stickstoff-Verbindungen Selen Tellur Halogene (F, Cl, Br, I, At) Fluor Sauerstoff Verbindungen Chlor Sauerstoffsäuren von Chlor Oxide des Chlors Brom Iod Iodoxide Bindungsenthalpie und Acidität Salzcharakter der Halogenide Photographischer Prozess (Schwarz-Weiß-Photographie) Interhalogenverbindungen Pseudohalogene Pseudohalogenide Edelgase (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) Verbindungen Xenon-Oxide Physikalische Verbindungen Beschreibung der Bindung in Edelgasverbindungen Allgemeine Verfahren zur Reindarstellung von Metallen (Übersicht) I. Reduktion der Oxide zu den Metallen II. Elektrolytische Verfahren III. Spezielle Verfahren

16 XVIII Anorganische Chemie B) Nebengruppenelemente Oxidationszahlen Qualitativer Vergleich der Atomund Ionenradien der Nebengruppenelemente Atomradien Lanthanoiden-Kontraktion Ionenradien I. Nebengruppe Übersicht Kupfer Silber Gold II. Nebengruppe Übersicht Zink-Verbindungen Cadmium-Verbindungen Quecksilber-Verbindungen Hg(II)-Verbindungen III. Nebengruppe Übersicht Scandium Yttrium Lanthan Actinium IV. Nebengruppe Übersicht Titan Zirkon und Hafnium V. Nebengruppe Übersicht Vanadin Niob und Tantal

17 Inhaltsverzeichnis XIX VI. Nebengruppe Übersicht Chrom Chromverbindungen Peroxochromate M(I)HCrO Molybdän Wolfram Transportreaktionen Wolframate, Polysäuren VII. Nebengruppe Übersicht Mangan Technetium Rhenium Halogenide VIII. Nebengruppe Eisenmetalle Eisen Eisenverbindungen Cobalt und Nickel Cobalt-Verbindungen Nickel-Verbindungen Platinmetalle Verbindungen der Platinmetalle Ruthenium und Osmium Rhodium und Iridium Palladium und Platin Lanthanoide, Ln Übersicht Actinoide, An Übersicht

18 XX Anorganische Chemie Anhang Edelsteine Düngemittel Handelsdünger aus natürlichen Vorkommen Kunstdünger Mineraldünger Stickstoffdünger Phosphatdünger Kaliumdünger Mehrstoffdünger Literaturauswahl und Quellennachweis Abbildungsnachweis Sachverzeichnis Ausklapptafel: Periodensystem der Elemente (am Schluss des Bandes)