Chemie. Grundlagen und Anwendungen. Wolfgang WeiBbach (Hrsg.) Volkher Biese Uwe Bleyer Manfred Bosse Paul Scheipers.

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1 Wolfgang WeiBbach (Hrsg.) Volkher Biese Uwe Bleyer Manfred Bosse Paul Scheipers Chemie Grundlagen und Anwendungen Mit 124 Bildern Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

2 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Chemie: Grundlagen u. Anwendungen / Wolfgang Weissbach (Hrsg.). Volkher Biese... Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, ISBN NE: Weissbach, Wolfgang [Hrsg.]; Biese, Volkher [Mitverf.] Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden, 1981 Ursprunglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig in 1981 Die Vervielfaltigung und Qbertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen Oder Bilder, auch fur Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. Im Einzelfall mub iiber die Zahlung einer Gebiihr ftir die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt fur die Vervielfaltigung durch alle Verfahren einschlieblich Speicherung und jede Qbertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bander, Platten und andere Medien. Dieser Vermerk umfabt nicht die in den 53 und 54 URG ausdriicklich erwahnten Ausnahmen. Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen Satz: Vieweg, Braunschweig ISBN DOI / ISBN (ebook)

3 Vorwort Das Buch wurde konzipiert fur die verschiedenen Schulformen des beruflichen Schu Iwesens: Technisches Gymnasium, Fachoberschule, Fachschule Technik, Berufsaufbauschule, Berufsfachschule, Teilzeitschule in den Berufsfeldern Metall, Elektrotechnik und Bau. Die Chemie spielt in unserem Leben eine grobe Rolle. Ihre Bedeutung nimmt durch die Verknappung von Rohstoffen und Energie standig zu. Aus diesem Grunde wird fur aile Berufstatigen in Zukunft mehr chemisches Grundlagenwissen notwendig sein, als es fruhere Generationen brauchten, man denke nur an die zunehmende Bedeutung des Recycling und des Schutzes der Umwelt. Mit Rucksicht auf die Eingangsvoraussetzungen wurde die Vielfalt der chemischen Elemente und Verbindungen, die behandelt und erwahnt werden, stark reduziert. Oberall, wo es moglich ist, wird an Bekanntes und Vertrautes angeknupft; Bezuge zur Berufswelt und Alltagserfahrung finden sich an vielen Stellen; das chemische Wissen wird mit den grundlegenden Erkenntnissen der Wissenschaft verknupft; Atommodelle werden je nach den Erfordernissen mit steigender Genauigkeit und Schwierigkeit behandelt. Die einzelnen Abschnitte weisen einen steigenden Schwierigkeitsgrad auf. Anfanglich werden fur die Unterstufen Fakten und Vorgange in stark reduzierter Form gebracht, dann, im weiteren Veri auf, die Anforderungen an den Leser erhoht, um den Anspriichen fur die Oberstufe zu genugen, wie z.b. in den Abschnitten "Chemisches Gleichgewicht" oder "Biochemie". Methodisch wurde durch die zweispaltige Ausfuhrung versucht, - hinfuhrende und erlauternde Texte (linke Spalte) von - Bildern, Beispielen und sachbezogenen Hinweisen (rechte Spalte) zu trennen, um damit eine Verbesserung des Lerneffektes zu erreichen. Herausgeber und Autoren hoffen, mit diesem Werk eine weitverbreitete Scheu vor dem Fach Chemie abbauen zu helfen. Fur Vorschlage zur Verbesserung und Erganzung sind die Autoren aufgeschlossen und danken dafur im voraus. Braunschweig, im Mai 1981 Herausgeber und Autoren

4 v Inhaltsverzeichnis Periodensystem der Elemente XII Formelzeichen und Abkiirzungen XIV 1 Einleitung Grundlagen Aufgaben der Chemie Chemische und physikalische Vorgange.... Wesen der Materie Materie - Energie Materiesorten - Korper Heterogene und homogene Systeme.... Stoffgemenge Legierungen Losungen Trennung von Stoffgemengen Reine Stoffe Reinheitsgrad Anzahl der reinen Stoffe auf der Erde Physikalische Eigenschaften von reinen Stoffen Chemische Eigenschaften von reinen Stoffen Zerlegen von reinen Stoffen Analyse - Synthese Chemische Elemente Geschichtliche Entwicklung Begriff des Elements Atom Anzahl der Elemente Haufigkeit der Elemente Kennzeichnung der Elemente Einteilung der Elemente Chemische Bindung Begriff Molekul Chemische Verbindung Kennzeichnung der chemischen Bindung Kennzeichnung eines chemischen Vorgangs

5 VI I nhaltsverzeichnis 3 Atomlehre Bedeutung der Atomlehre fur die Chemie Entwicklung der Atomvorstellungen GraBen und Massen der Atome Aufbau der Atome Atommodelle (allgemeine) Bohrsches Atommodell Verbesserte Form des Bohrschen Atommodells GesetzmaBigkeiten in der Elektronenhulle Orbitalvorstellungen Heisenbergsche Unscharfebeziehung Doppelnatur des Lichtes und der Elektronen Energieschema Orbitalmodell..., Quantenzahlen Kugelwolkenmodell (KWM).... : Kugelwolkenmodell nach Kimball Vereinfachte Darstellung des Kugelwolkenmodells Periodensystem der Elemente (PSE) Geschichtliche Entwicklung Wichtige Aussagen zum Periodensystem der Elemente Symbole und Ordnungszahlen Isotope Perioden Gruppen Metalle - Nichtmetalle - Halbmetalle.... Erkennung einzelner Elemente.... Kraftwirkungen auf Elektronen lonisierungsenergien Elektronenaffinitat Elektronegativitat (EN).... Ahnlichkeiten innerhalb der Gruppen Hauptgruppenelemente Obergangs oder Nebengruppenelemente.... Kernchemie Wichtige Elementarteilchen Zusammenhalt der Atomkerne Radioaktivitat Altersbestimmung durch Radioaktivitat Kernspaltung Kernenergie durch Spaltprozesse Kernverschmelzung (Kernfusion) Entstehung von Elementen

6 Inhaltsverzeichnis VII 5 Chemische Bindung und Struktur Aligemeines Kliirung der Begriffe Die Ursache der chemischen Bindung Kriifte innerhalb des Atomverbandes Die Bindungsarten Atombindung Nichtmetalle mit niedriger Siedetemperatur - Molekiilgitter Elektronenpaarbindung Polarisierte Atombindungen Nichtmetalle mit hoher Siedetemperatur - Atomgitter lonenbindung Bildung und Verhalten von lonen lonenwertigkeit Grundsiitze zur Bildung von lonen Strukturen von lonenverbindungen Eigenschaften von lonenverbindungen Gitterenergien Metallbindung Bildung und Verhalten der Metallbindung Eigenschaften der Metalle Chemische Reaktionen Chemische Formeln Chemische Gleichung Gesetz von der Erhaltung der Masse Gesetz der konstanten Massenverhiiltnisse Gesetz der multiplen Massenverhiiltnisse Atommasse Atomare Masseneinheit Relative Atommasse Relative Molekiilmasse Molare Masse Stoffmenge Avogadro-Konstante Zusammenhang zwischen molarer Masse, Stoffmenge, Atommasse, Avogadro-Konstante Volumenverhiiltnisse bei Gasreaktionen Volumengesetz von Gay-Lussac Gesetz von Avogadro Molares Normvolumen Molare Normvolumen realer Gase Thermische Zustandsgleichung der Gase Stochiometrische Berechnungen Beispiele zu den stochiometrischen Berechnungen

7 VIII I nhaltsverzeichnis Thermochemische Reaktionen Reaktionsenergie und enthalpie Exotherme und endotherme Reaktionen Bildungsenthalpie EinfluB des Aggregatzustandes der Elemente Bildungsenthalpie - Reaktionsenthalpie HeBscher Satz Verbrennungsenthalpie Aktivierungsenergie L6sungswarme Zusammenfassung..., Chemisches Gleichgewicht und Massenwirkungsgesetz Chemisches Gleichgewicht Umkehrbarkeit chemischer Reaktionen Chemisches Gleichgewicht (Begriff) Lage des chemischen Gleichgewichts Wirtschaftlichkeit von chemischen Reaktionen Verschiebung des chemischen Gleichgewichts Prinzip von Le Chatelier und Braun EinfluB des Druckes auf die Lage des chemischen Gleichgewichts EinfluB der Temperatur auf die Lage des chemischen Gleichgewichts EinfluB der Konzentration auf die Lage des chemischen Gleichgewichts EinfluBgroBen der Gleichgewichtseinstellung Einstellung des chemischen Gleichgewichts EinfluB der Temperatur auf die Gleichgewichtseinstellung EinfluB von Katalysatoren Wechselseitiger EinfluB von Druck, Temperatur und Katalysatoren auf das chemische Gleichgewicht am Beispiel der NH 3-Synthese Reaktionsgeschwindigkeit EinfluB der Temperatur EinfluB der Konzentration EinfluB des Zerteilungsgrades EinfluB von Katalysatoren Massenwirkungsgesetz Reaktionsordnung Ableitung des Massenwirkungsgesetzes Grenzen des Massenwirkungsgesetzes Abhangigkeit der Gleichgewichtskonstanten von der Temperatur Abhangigkeit der Gleichgewichtskonstanten vom Druck Abhangigkeit der Gleichgewichtskonstanten von der Konzentration Zusammenfassung

8 I nhaltsverzeichnis IX 8 Oxidation und Recluktion (Redox) Geschichtliche Entwicklung Oxidation und Reduktion im allgemeinen Sinne Oxidationszahl Redoxvorgiinge in der Technik Oxidation von Eisen Oxidation von Nichteisenmetallen Ursachen fur bliittrige und feste Oxidschichten Chemische Oxidation von Aluminium Luft Eigenschaften und Zusammensetzung der Luft Beschreibung wichtiger Bestandteile der Luft Sauren, Basen, Salze, ph-wert, Elektrochemie Oberblick uber Siiuredefinitionen Siiuren (nach Arrhenius) Vorgang der Dissoziation Bildung von Siiuren Wichtige Siiuren Salzsaure Schwefelsiiure Kohlensiiure Sa I petersiiure Basen, Laugen (nach Arrhenius) Salze (nach Arrhenius) Entstehung von Salzen Kristallwasser Salznamen Wichtige Salze (Auswahl) Siiure-Base-Theorie von Br6nsted Sauren und Basen als Funktionen Saure-Base-Paar Siiurestiirke Salze (nach Br6nstedl Der ph-wert Elektrochemische Vorgiinge Stromleitung Die Elektrolyse Technische Elektrolysen Die Faradayschen Gesetze, elektrochemisches Aquivalent Das galvanische Element Aufbau praktischer galvanischer Elemente

9 x I nhaltsverzeichnis 10 Der Kohlenstoff und seine Verbindungen Bedeutung der Kohlenstoffchemie Das Kohlenstoffatom Der elementare Kohlenstoff Graphit Diamant Kohlenwasserstoffe Kettenformige Kohlenwasserstoffe Ringformige Kohlenwasserstoffe Kohlenwasserstoffe. Obersicht Funktionelle Gruppen Organische Reaktionsformen Addition Substitution Hydrierung Esterbildung Verseifung (Hydrolyse) Kondensation Polymerisation Kunststoffe Unterscheidung der Kunststoffe nach ihrer Herkunft Natiirlich bestehende makromolekulare Stoffe Abgewandelte Naturstoffe Volisynthetische Stoffe Unterscheidung der Kunststoffe nach ihrem Herstellungsverfahren Polymerisation Polykondensation Polyaddition Unterscheidung der Kunststoffe nach ihrem thermischen Verhalten Thermoplaste (Plastomere) Duroplaste (Duromere) Elastoplaste (Elastomere) , 1.4 Neuartige Kunststoffe Kunststoffiibersicht

10 Inhaltsverzeichnis XI 12 Biochemie Bereich der Biochemie Zellen als Grundeinheit lebender Organismen Vorgiinge in Zellen Funktionstriiger im Zellplasma Endoplasmatisches Retikulum (ER) Ribosomen.... Golgi-Apparat.... Mitochondrien Wichtige Merkmale der Zellen Unterschiede zwischen pflanzlichen und tierischen sowie menschlichen Zellen Nucleinsiiuren Proteine Wirkstoffe Enzyme Vitamine Hormone Kohlenhydrate Fette Verdauung Sachwortverzeichnis

11 Periodensystem Erlaulerungen: Natrium Mag neslum 1. Ordnung zahl 2. Atomgewichl, bezogen auf 1/12 der Masse des Kohlenstoffi.sotops I ~ C der auf der Erde vorkommenden I otopenmischung. _ 3. Die Punkte machen Angaben tiber die Dichte der Elemente: ': g< 5; ":5< Q< 1O; "':10< (J < 15;.. :15<Q<20; :20<11 (jeweils in kg/dm3). 4. Ein * bedeutel, dab das Element nur ktinstlich erzeugt werden kann. 5. Siedepunkl in DC 6. Schmelzpunkt in DC (As sublimiert bei 613 DC und 760 Ton') 7. 1st das Elementsymbol farbig eingetragen, so ind aile Isotope radioa ktiv. 8. 1st der Name des Elemenles farbig gedruckl, so handelt es sich um ein Edelmetall: (Cu, Hg: Halbedelmetalle). 9. Es bedeulet: B (B): Elemente mil (stark) basischen Oxiden S (8): Elemente mit (,lark) sauren Oxiden B8 : Elemente mit basi chen und saursn bzw. amphoteren Oxiden 10. Die Punkle bedeuten Wertigkeiten, und ZWHr ein schwarzer Punkt eine Hauptwertigkeit, ein rarbiger die wichtigste Werligkeil. Die Slriche dienen nur' dem Abziihlen: Yom grolleren mittleren trich aus ist nach oben positiv, nhch unten negativ zu ziihlen. 11. Eleklronegativiliil (nach L. Pauling) 12. E1ektronenverteilung. ie entspricht dem Grundzustand. Far'big angegebene Elektronen sind rur das chemische Verhalten mabgeblich. 13. Die schwarze Linie bedeutet die Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen. Sie 'paltet sich bci den Halbmetallen auf. Angcgeben sind jeweils die wichligslen Modilikalionen (z. B. gilt fur C : Graphit: Halbmetall, Diamant: Nichtmetall). 14. Die farbige Linie bcdelltet die Gren7.c zwischen (bei 20 DC) gasfiirmigen und festen Elemenlen (mit zwei AlIsnHhmen: Br, Hg sind nussig).

12 der Elemente - gruppen gasformlg fest b el 20 C (Ausnahme: Nichtmetall Halbmetall Meta II -gruppen Edelgase -m., -8 :g 0 U),f lila IV a Va Via Vil a, ~~ i He~ H elium 1 1m ---, K , , ,999 Iii 18,998 1! ~ B ~ ~C~ "' N ~ 0 ; i F ~; '~ N e ~ Br, Hg:llussig) ~ '". ~ 60< _ N ~ ~ Kohlen Slick Sauer ' 'Aoo,, I Neon' 2 'Ioff :: stoff sloff S i S ~ ~ ~ ~o [ ; } O J.,! 51~ 1K 2 I l1. 4 1l L 131 :26,982 li4i 28, ~ AI is Alu ~ t n~ 3911 ' " 35,4Sl iiii!i 'aar 18J ~ S ~ i ~ P f i ~ s' ~ C I s aioum Phos Schwe phoo" :. tel SC h W~ 7 ~ 1 73 S ~ ~ ~ 2 ~ ~ O C 1~ K L IVb Vb Vlb Vll b Vilib Ib II b 2 I J 26 M I23J llo,942 12' ~5 4. 9a!!l 3 855,ll47 1&Zl 58,933 1a!! ~ Il3.54 &!I ii!j! 00,72 III ~7, 49 2M 2 78,96 3C\ 79, ~ Ti ~I I ~ V ' ~' I ~' C r ~ M n ~ F~ e~ ~ C O~ ~ Ni ~ ~C U~ Z n~ ~G a~ ~ G e~ ~ A s" $S e~ (B Br :;: ~ K r ~ r""" V;.:a en""" Mangllll; E... n Kobalt Nickel Kupfer Z,nk GalhtJm Gee manlum Alsen SeIen Brom Klypton BS J!BS ~ K~ K K r r< BS ( ~ ~ r:c t:c L M I 2 2 I N I!IOJ 91.22!41J ~ 95,94 it3i "' ~ itII 0 0 '06.4 f , I4.e-l ~ ,75 IQ 127, ,00 r ~Z r~ ~' N~ b~ 'M O~, T* c~ ~ R u ~ ~ ' R~ h' ip~ d ~ gi ' A ' ~ C~ d~' I ~ n ~ S n~ ~ 'S ~ b i Te i ~ J 2 ":' ~ X '7 e~ ZM1<o Noob Mo Toch Ru nebum S"",.. m; ~ ~ K R r:c k: 2 2,2 2 2,2 2 1,9 2 1,7 2 1,8 2 K L M ~ N 2 I I 2 I I I 2 2 I ' '8365 J'II 186,2.,00, ,95.Q Bq ljl ~ 207,19 j1:1 206, M - 1M -!Ii - '".. ~ ' ; : ~ a ~ W ~ ~ R e~ ~ Os ~ Ir ~ ~ ~ pt ~ ~ A u~ ~H g~ ~ TI ~ ~' P~ b ~ Bi. ~ ' P~ o ~ ~ AU i ~ R < n; h i f ~ ~ K K ~ K Indium ZU1n Antrmon Tellur Jod Xenon R K~ K K f:c ~ ~ 5 ~ Hal Rhe Tania! ;:: ~ Osmlurr Irldum PIa"" Gold J Oued< Thallium BIco 'Msmut ~ Polonium Astat Radon n.. m nium '>11 r r:c ~' ~ K ~ ""j{ L M \ \4 2610\ \ \4 2610\ N ~ k ~ K ~ k ~ k K ~ I I 2 2 I P ~ - ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~.1mI ~ ~ ll!j ~ l!.!zi l!!ii, Ku*' Elementsymbole, 1I1phllbetisch KL<lSd>a tovium Ae A AI Am Ar As At Au B Ba Be Bi Bk Br C Ca Cd i S ig t ~ ~ ~ \ \1\ ~ Er Es Eu F ~ g ~ 7 ~ f ~ H ~ He I4f H.JtHo In I ~s K i K ~. L~ a ~-, 5' ; a.!,~ I C '6T49.:1: sz: 0 L ~ ~ ~ ~ 5 t ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ _ ~ t ~ M N - RnRu S SbSc Sa Si SmSn Sr Ta Tb Te ~ J. ~ STl Tm U V ~ Vb Zn Zr p '1< 7 ~~' ~ H ~ ~ g ~ r ~ ~ ~ ~ ~ II II I II II II II II II II a p l dl llsfl p l ldsl fp ~ z_ f slpldlf slpldlf slp ld l f slpld f i slpldlf l slpldlf 'Ipldl f 'lpldl f 'I'lpldlfll. lpldlfll slpldjt ll ' lpldlf sl nach Rainer Engelhard

13 XIV Forrnelzeichen und Abkurzungen c c ~ c E EA EN e Fp F F Fr H ~ H B Bildungsenthalpie ~ H R Reaktionsenthalpie ~ H v Verbrennungsenthalpie I K,Kc Kp K 1 M m ma Meq Mr NA n n p p Q P RG T t ~ t Vmn X A Xm Xv relative Atommasse elektrochemisches Aquivalent Konzentration Lichtgeschwindigkeit Konzentrationsanderung Energie Aktivierungsenergie E lektronegati vitat Elektron Schmelzpunkt Faraday-Konstante Kraft relative Formelmasse Heizwert Stromstarke G leichgewichtskonstante, konzentrationsbezogen Gleichgewichtskonstante, druckbezogen Siedepunkt Lange, Abstand molare Masse Masse absolute Atommasse Aquivalentmasse relative Molekiilmasse Avogadro-Konstante Stoffmenge, Anzahl Neutron Druck Proton elektrische Ladung, Ladungsmenge Dichte Reaktionsgeschwindigkeit Temperatur Zeit Zeitanderung mol ares Normvolumen Molenbruch Konzentration (Massenverhaltnis) Konzentration (Volumenverhaltnis)