Jan Hoinkis Chemie für Ingenieure

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1 Jan Hoinkis Chemie für Ingenieure 14. Auflage

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3 Jan Hoinkis Chemie füringenieure

4 Beachten Sie bitte auch weitere interessante Titel zu diesem Thema Baerns, M., Behr, A., Brehm, A., Gmehling, J., Hofmann, H., Onken, U., Renken, A., Hinrichsen, K.-O., Palkovits, R. Technische Chemie 2. Auflage 2013 Print ISBN: ; auch in elektronischen Formaten verfügbar Kühl, O. AllgemeineChemie für Biochemiker, Lebenswissenschaftler, Mediziner, Pharmazeuten Print ISBN: ; auch in elektronischen Formaten verfügbar Bergler, F. Physikalische Chemie für NebenfächlerundFachschüler 2013 Print ISBN: ; auch in elektronischen Formaten verfügbar Kuypers, F. Physik für Ingenieure und Naturwissenschaftler Band 1: Mechanik und Thermodynamik, 3. Auflage 2012 Print ISBN: ; auch in elektronischen Formaten verfügbar Kühl, O. Organische Chemie für Biochemiker, Lebenswissenschaftler, Mediziner, Pharmazeuten Print ISBN: ; auch in elektronischen Formaten verfügbar Kuypers, F. Physik für Ingenieure und Naturwissenschaftler Band 2: Elektrizität, Optik und Wellen, 3. Auflage 2012 Print ISBN: ; auch in elektronischen Formaten verfügbar Wurm, T. Chemie für Einsteiger und Durchsteiger 2012 Print ISBN: ; auch in elektronischen Formaten verfügbar

5 Jan Hoinkis Chemie füringenieure 14., vollständigüberarbeitete und aktualisierte Auflage

6 Autor Prof. Dr.-Ing. Jan Hoinkis Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft Fakultät für Elektro- und Informationstechnik Moltkestr Karlsruhe Deutschland 14. Auflage Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung. Bibliografische Information der DeutschenNationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. 12, Weinheim, Germany Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Satz le-tex publishing services GmbH, Leipzig, Deutschland Druckund Bindung Markono Print Media Pte Ltd, Singapur Print ISBN epdf ISBN epub ISBN Mobi ISBN Gedruckt auf säurefreiem Papier.

7 V Inhaltsverzeichnis Vorwort XV 1 Atombauund Periodensystem Bestandteile des Atoms Atomkerne Aufbau der Elektronenhülle Das Bohr sche Atommodell Das wellenmechanische Atommodell Das Periodensystem der Elemente Die Elektronenstrukturen der Elemente Die Periodizität der Eigenschaften 17 2 Diechemische Bindung Die Atombindung (kovalente Bindung) Das Wasserstoffmolekül σ-bindungen π-bindungen Die Ionenbindung Die metallische Bindung Das Elektronengasmodell Das Energiebändermodell Übergangsformen zwischen den Bindungsarten Die zwischenmolekularen Wechselwirkungen Die Dipol-Wechselwirkungen Die Van-der-Waals-Wechselwirkung Wasserstoffbrücken Mengenangaben Die Gesetze von den konstanten und multiplen Proportionen Die relative Atommasse Die relative Molekülmasse und die Formelmasse Das Mol und die molare Masse 44

8 VI Inhaltsverzeichnis 3 Die Aggregatzustände Der gasförmige Aggregatzustand Ideale Gase Reale Gase Gasverflüssigung, der Joule-Thomson-Effekt Der flüssige Aggregatzustand Der feste Aggregatzustand Die Kristallsysteme Die Eigenschaften von Kristallen Amorphe Feststoffe Mischungen Homogene Mischungen Heterogene Mischungen Lösungen Angaben über die Zusammensetzung von Lösungen Diffusion und Osmose Lösungsenthalpie und Entropie Aggregatzustandsänderungen Das Temperatur-Energie-Diagramm Das Phasendiagramm Das Prinzip der Kälteerzeugung Destillation 79 4 Chemische Reaktionen Reaktionsgleichungen und stöchiometrische Berechnungen Energieumsätze bei chemischen Reaktionen Der Verlauf chemischer Reaktionen Reversible und irreversible Prozesse Reaktionsgeschwindigkeit Redoxreaktionen Die Definition von Oxidation und Reduktion Die Definition der Oxidationszahl Schreibweise von Oxidationszahl und Ladungszahl Regeln für die Festlegung der Oxidationszahlen Beispiele für wichtige Redoxreaktionen in der Chemietechnik Säure-Base-Reaktionen Säuren Basen Der Ampholyt Wasser und der ph-wert (1. Teil) Salze Chemische Gleichgewichte Das Massenwirkungsgesetz Die mathematische Formulierung des Massenwirkungsgesetzes Das Prinzip von Le Chatelier 110

9 Inhaltsverzeichnis VII 5.2 Gleichgewichte in wässrigen Lösungen Das Ionenprodukt des Wassers Der ph-wert (2. Teil) Die elektrolytische Dissoziation Das Kohlensäuregleichgewicht Pufferlösungen ph-farbindikatoren Maßanalyse Saure und alkalische Reaktionen von Salzen Das Löslichkeitsprodukt Mathematische Ableitung des Löslichkeitsproduktes Das Löslichkeitsprodukt des Calciumcarbonats Weitere Anwendungsbeispiele aus der Praxis Komplexverbindungen Komplexbildung am Anion Komplexbildung am Kation Komplexbildung an neutralen Atomen Eigenschaften häufig gebrauchter Komplexe Gasgleichgewichte Homogene Gasgleichgewichte Heterogene Gasgleichgewichte Der Heß sche Satz Adsorptionsvorgänge Adsorptionsgesetze Chromatografie Die Elemente Allgemeines Einteilung der Elemente Die Häufigkeitder Elemente und die Rohstoffprobleme Elementumwandlungen Die gasförmigen Elemente Wasserstoff Die gasförmigen Halogene Stickstoff und Sauerstoff Ozon Die Edelgase Die übrigen Nichtmetalle Brom und Iod Schwefel Phosphor Kohlenstoff Halbleiter Die elektrische Leitfähigkeit in festen Stoffen Silicium und Germanium 200

10 VIII Inhaltsverzeichnis Chemische Verbindungen als Halbleiter Metalle Allgemeine metallische Eigenschaften Einteilung der Metalle Legierungen Die Alkalimetalle Die Erdalkalimetalle Beryllium und Magnesium Aluminium und die Metalle der dritten Hauptgruppe Die Metalle der vierten und fünften Hauptgruppe Zink, Cadmium, Quecksilber Kupfer, Silber, Gold Die Platinmetalle Eisen, Cobalt, Nickel Metalle der vierten bis siebten Nebengruppe Metalle der dritten Nebengruppe und die Lanthanoide Radioaktive Elemente Natürliche radioaktive Elemente Künstlich hergestellte radioaktive Elemente Kernreaktoren Anorganische Verbindungen Wasserstoffverbindungen der Elemente Das Tetraedermodell für Moleküle Wasser H 2 O Wasserstoffperoxid H 2 O Chlorwasserstoff HCl Ammoniak NH Hydrazin N 2 H Schwefelwasserstoff H 2 S Phosphorwasserstoff PH Sauerstoffverbindungen der Elemente Nichtmetalloxide Sauerstoffsäuren Metalloxide und Metallhydroxide Glas Alumosilicate Baustoffbindemittel Asbest Carbide und Nitride Salzartige Carbide Einlagerungsverbindungen Kovalente Verbindungen Nanotechnologie 272

11 Inhaltsverzeichnis IX 8 Organische Verbindungen Kohlenwasserstoffe Alkane oder Paraffine Alkene oder Olefine Alkine oder Acetylene Alicyclische Verbindungen Aromatische Kohlenwasserstoffe Halogenabkömmlinge der Kohlenwasserstoffe Chlorierte Kohlenwasserstoffe Polychlorierte Biphenyle (PCB) Frigene (Freone) und Halone Umweltaspekte von halogenierten Kohlenwasserstoffen Substitutionsmöglichkeiten von Halogenkohlenwasserstoffen Metallorganische Verbindungen Sauerstoffverbindungen Alkohole Phenole Ether (frühere Schreibweise Äther) Ketone Aldehyde Carbonsäuren Ester Fette und fette Öle Seifen und Waschmittel Zusammenfassender Überblick Stickstoffverbindungen Amine Aminosäuren Amide Nitrile Nitroverbindungen Heterocyclische Verbindungen Stickstoffhaltige Heterocyclen Sauerstoffhaltige Heterocyclen Organische Naturprodukte Kohlenhydrate Eiweißstoffe (Proteine) Brennstoffe, Kraftstoffe, Schmierstoffe Brennstoffe Kraftstoffe Schmierstoffe Sicherheitsvorschriften 339

12 X Inhaltsverzeichnis 9 Kunststoffe Mechanisch-thermische Eigenschaften Thermoplaste Elastomere Duroplaste Fluidoplaste Spannungs-Dehnungs-Diagramme Abgewandelte Naturprodukte Kunststoffe auf Cellulosebasis Gummi aus Naturkautschuk Polymerisationskunststoffe Allgemeines Polyethylen Polypropylen Polybuten Polyisobutylen Synthetischer Kautschuk Ethylen-Propylen-Kautschuk Polystyrol Polyvinylcarbazol Polyvinylchlorid und Polyvinylacetat Polyvinylidenchlorid Polytetrafluorethylen Polyacrylnitril Polymethacrylsäuremethylester Polyoxymethylen Polykondensationskunststoffe Polyamide Formaldehydkondensationsprodukte Polyesterharze oder Alkydharze Polycarbonat Hochtemperaturbeständige Polykondensationskunststoffe Polyadditionskunststoffe Polyurethane Epoxidharze Silicone Siliconöle und -fette Siliconkautschuk Siliconharze Alterung und Zerstörung von Kunststoffen Thermische Einflüsse Einfluss von energiereicher Strahlung Spannungsrissbildung Einfluss von Lösungsmitteln Chemische Zerstörung von Kunststoffen 388

13 Inhaltsverzeichnis XI Feuerbeständigkeit von Kunststoffen Kunststoffrecycling Biologisch abbaubare Kunststoffe Elektrochemie Elektrochemische Potenziale Galvanische Elemente Die Normal-Wasserstoffelektrode Die Normalpotenziale (elektrochemische Spannungsreihen) Praktische Spannungsreihen Herstellung von Leiterplatten Die Konzentrationsabhängigkeit der elektrochemischen Potenziale Die Nernst sche Gleichung Elektroden zweiter Art ph-messungen Elektrochemische Stromerzeugung Primärelemente Sekundärelemente Brennstoffzellen Erzwungene elektrochemische Vorgänge Messung einer galvanischen Spannung Die Elektrolyse Die Faraday schen Gesetze Die elektrische Leitfähigkeit von Elektrolyten Die elektrochemische Polarisation Galvanisieren Die elektrolytische Entfettung Elektropolieren und Elektroentgraten Die gebräuchlichsten Metallschutzschichten Korrosion und Korrosionsschutz Korrosionsarten Möglichkeiten des Korrosionsschutzes Elektrochemische Messmethoden Die Leitfähigkeitsmethode (Konduktometrie) Die Potenziometrie Die Amperometrie Die Coulometrie Die Voltammetrie und Polarografie Spektren und ihre Anwendungen Elektromagnetische Spektren Die Entstehung von elektromagnetischen Spektren Absorptions- und Emissionsspektren Die Bereiche elektromagnetischer Strahlen 461

14 XII Inhaltsverzeichnis 11.2 Spektrenformen Linienspektren Bandenspektren Absorptionsmaxima Spektralanalytische Untersuchungen Spektralbereiche Gammastrahlen Röntgenbereich Ultraviolettspektren (UV-Spektren) Spektren im sichtbaren Licht Infrarotspektren (IR-Spektren) Magnetische Kernresonanz (nuclear magnetic resonance = NMR) Spezielle Messgeräte Fotometer IR-Messgeräte für Gase Chemolumineszenzanalyse Massenspektrometer Farbmittel Ursachen für die Farbigkeit Pigmente Farbstoffe Farbindikatoren Biochemie und Biotechnologie Grundlagen der Biochemie Eigenschaften belebter Materie Die Zelle Der Stoffwechsel Molekularbiologie Aufbau und Verdoppelung der DNA Die Eiweißsynthese Mutationen Gentechnik Bioverfahrenstechnik Bioreaktoren (Fermenter) Produktaufarbeitung Herstellung von Bioethanol Biosensoren Schadwirkung von Chemikalien Humantoxikologie Die häufigsten Gifte Ökotoxikologie 530

15 Inhaltsverzeichnis XIII 13 Umwelttechnik Ökologische Grundlagen Ökosysteme Stoff- und Energieumsätze in Ökosystemen Stoffkreisläufe Abwasser und Abwasserreinigung Rohstoff Wasser Abwasserinhaltsstoffe Abwasserreinigung durch kommunale Kläranlagen Weiterentwickelte Verfahren in der biologischen Abwasserreinigung Spezielle Verfahren der Abwasserreinigung Membrantrennverfahren Grundlage und Arten der Membrantrennverfahren Stofftransport bei Membrantrennverfahren Technische Membranmodule Abluftreinigung Luftschadstoffe Abluftreinigung in der Industrie Rauchgasreinigung in Kraftwerken Abgasreinigung bei Automobilen Abfall und Recycling Abfallzusammensetzung Abfallentsorgung Recycling Produktionsintegrierter Umweltschutz Ökobilanzen 606 Anhang 609 A.1 Die Buchstaben des griechischen Alphabets 609 A.2 Vorsatzzeichen und Abkürzungen für Stoffmengengehalte 610 A.3 Maßeinheitentabelle 611 A.4 Verzeichnis der chemischen Elemente (Stand IUPAC 2011) 612 A.5 Löslichkeitsprodukte 615 A.6 Schadstoffhöchstwerte am Arbeitsplatz und Wassergefährdungsklassen (WGK) 617 A.7 Gefahrensymbole 618 A.8 Periodensystem der Elemente 619 Sachverzeichnis 621