Thomas Wurm. Chemie für Einsteiger und Durchsteiger

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3 Thomas Wurm Chemie für Einsteiger und Durchsteiger

4 Beachten Sie bitte auch weitere interessante Titel zu diesem Thema Kühl, O. Allgemeine Chemie für Biochemiker, Lebenswissenschaftler, Mediziner, Pharmazeuten Kühl, O. Organische Chemie für Lebenswissenschaftler, Mediziner, Pharmazeuten Moore, J. T. Chemie kompakt für Dummies Arni, A. Grundkurs Chemie I und II Allgemeine, Anorganische und Organische Chemie für Fachunterricht und Selbststudium Nentwig, J., Kreuder, M., Morgenstern, K. Lehrprogramm Chemie I

5 Thomas Wurm Chemie für Einsteiger und Durchsteiger

6 Autor Dr. Thomas Wurm Berufsfachschule für PTA Neuburger Str Passau 1. Auflage 2012 n 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 Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar Wiley-VCH Verlag & 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. Print ISBN: epdf ISBN: epub ISBN: mobi ISBN: Umschlaggestaltung Simone Benjamin, McLeese Lake, Canada Satz Reemers Publishing Services GmbH, Krefeld Druck und Bindung Markono Print Media Pte Ltd, Singapore Printed in Singapore Gedruckt auf säurefreiem Papier.

7 V Inhaltsverzeichnis 1 Aufbau der Materie, Atombau und Periodensystem Aufbau der Materie Reinstoffe Mischungen Elemente und Verbindungen Atombau Der Atomkern Die Atommasse Isotope Nuklide Die Elektronenhülle Das Schalenmodell Das Orbitalmodell Das Kästchenschema Das Periodensystem der Elemente (PSE) Ionisierungsenergie Elektronenaffinität Metalle und Nichtmetalle Elektronegativität Radioaktivität Natürliche Radioaktivität Die Halbwertszeit Zerfallsreihen Kernumwandlungen Kernspaltung Künstliche Nuklide 22 2 Reaktionsgleichungen und Stöchiometrie Die Reaktionsgleichung Umgesetzte Mengen und Massen Die Stoffmenge Mol Reaktionstypen in der Chemie 31

8 VI Inhaltsverzeichnis 2.5 Konzentrationsangaben Molare Lösungen Prozentangaben Massenprozent (m/m) Prozent (m/v) Volumenprozent (V/V oder Vol.-%) Kleine Konzentrationen Die Aktivität Rechenbeispiele Mischungsrechnen 36 3 Bindungsarten Die Ionenbindung Kationenbildung Anionenbildung Salzbildung Kristallwasser Die molare Masse eines Salzes Saure Salze Kristallformen Die Metallbindung Die Elektronenpaarbindung Lewis-Formeln Mehrfachbindungen Polare und unpolare Elektronenpaarbindungen Die räumliche Anordnung von Molekülen Anionenkomplexe Komplexbindung Bindungskräfte zwischen Molekülen Ion-Dipol Dipol-Dipol Sonderfall Wasserstoffbrückenbindung Induzierte Dipole und Van-der-Waals-Kräfte Hydrophobe Bindungen 63 4 Kinetik und Thermodynamik Chemische Kinetik Die Reaktionsgeschwindigkeit Die Stoßtheorie Das chemische Gleichgewicht Das Massenwirkungsgesetz Das Prinzip des kleinsten Zwangs Folgereaktionen Die Reaktionsordnung Die Molekularität einer Reaktion 75

9 Inhaltsverzeichnis VII 4.2 Thermodynamik Systeme Energieformen Energieinhalt Energiedifferenzen Die Enthalpie Enthalpieberechnungen Die innere Energie U Die Entropie Die Gibbs-Energie Verbindungen zwischen Kinetik und Thermodynamik Starten einer Reaktion Katalysatoren Die Gibbs-Energie und das chemische Gleichgewicht 93 5 Zustandsformen der Materie Die Aggregatzustände Phasenübergänge Lösungen Echte und kolloidale Lösungen Löslichkeit Allgemeine Regeln zur Löslichkeit Das Löslichkeitsprodukt Elektrolyte Kolligative Eigenschaften Die Oberflächenspannung Säuren und Basen Die Theorien von Arrhenius und Brönsted Die Stärke von Säuren und Basen Starke Säuren Schwache Säuren Die Reaktion des Anions einer schwachen Säure Die Wertigkeit von Säuren und Basen Der pk s -Wert Starke und schwache Elektrolyte Starke und schwache Basen Die Säuredefinition nach Lewis Ampholyte Die Neutralisationsreaktion Der ph-wert Die Dissoziation des Wassers Der ph-wert Reaktionen von Salzen in Wasser ph-wert-berechnungen 124

10 VIII Inhaltsverzeichnis 6.5 Puffer Bestandteile von Puffern ph-wert-berechnungen und Pufferlösungen Redoxreaktionen Die Reaktion von Metallen mit Sauerstoff Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen Die Knallgasreaktion Die Elektronenverteilung in Verbindungen Oxidationszahlen Häufig vorkommende Typen von Redoxreaktionen Verbrennung Rosten Änderung der Sauerstoffanzahl im Molekül Reaktionen von Metallen untereinander Andere Redoxreaktionen ohne Beteiligung von Sauerstoff Elementare Vorgänge bei Redoxreaktionen Oxidations- und Reduktionsmittel Das Aufstellen von Redoxgleichungen Teilgleichungen Basisches oder saures Milieu? Die Bilanz Disproportionierung und Komproportionierung Die Spannungsreihe der Metalle Elektrochemie Elektrolyse Galvanische Elemente Angewandte anorganische Chemie Großtechnische Prozesse Roheisengewinnung und Stahlproduktion Schwefelsäureherstellung Salpetersäureherstellung Salzsäureherstellung Die Chlor-Alkali-Elektrolyse Ammoniaksynthese Sodaherstellung Anorganische Analytik Identitätsprüfungen Gehaltsbestimmungen Fragen zu den Kapiteln 1 7 (Allgemeine und anorganische Chemie) Lösungen zu Kapitel 9 171

11 Inhaltsverzeichnis IX 11 Sonderstellung des Kohlenstoffs Die Stellung des Kohlenstoffs im PSE Die Bildung von Hybridorbitalen Kohlenwasserstoffe Die Einteilung organischer Verbindungen: Funktionelle Gruppen Kohlenwasserstoffe Alkane Verzweigte Alkane Isomerie Alkene Polyene Alkine Aliphaten Cyclische Kohlenwasserstoffe Physikalische Eigenschaften der Kohlenwasserstoffe Chemische Eigenschaften der Kohlenwasserstoffe Alkane Alkene Aromatische Verbindungen Erdöl und Kohle Reaktionen der Aromaten Halogenierte Kohlenwasserstoffe Alkohole Einwertige Alkohole Mehrwertige Alkohole Primäre, sekundäre und tertiäre Hydroxylgruppen Reaktionen von Alkoholen Etherbildung Eigenschaften von Ethern Organische Ester (niemals Esther!) Nomenklatur der Ester Anorganische Ester Die Oxidation von Alkoholen Phenole Die saure Reaktion Die Oxidation von Phenolen Ether und Ester mit Phenolen Aldehyde und Ketone Die Carbonylgruppe Nomenklatur der Aldehyde Nomenklatur der Ketone Reaktionen der Carbonylgruppe 239

12 X Inhaltsverzeichnis Anlagerung von Wasser Halbe und volle Acetale Polymerisationen Keto-Enol-Tautomerie Die Aldolkondensation als C-Ketten-Verlängerung Addition von Aminen Reduzierende Eigenschaften/Oxidation Amine Die Aminogruppe Primäre, sekundäre und tertiäre Amine Die Basizität der Amine Quartäre Amine Aromatische Amine Reaktionen mit salpetriger Säure/Nitrit Weitere stickstoffhaltige Verbindungen Ethylendiamin Nitro-Verbindungen Carbonsäuren Die Carboxyl-Gruppe Die homologe Reihe der Carbonsäuren Physikalische Eigenschaften Die Säurestärke Substituierte Carbonsäuren Hydroxycarbonsäuren Mehrwertige Carbonsäuren Halogenierte Carbonsäuren Ungesättigte Carbonsäuren Aminocarbonsäuren Aromatische Carbonsäuren Derivate der Carboxyl-Gruppe Säurehalogenide Säureanhydride Säureamide Typische Reaktionen von Carbonsäuren Die Reaktion mit Wasser Esterbildung und Verseifung Inter- und intramolekulare Verbindungen Schwefelhaltige Verbindungen Reaktionstypen in der organischen Chemie Grundsätzliches Induktivität und Mesomerie Elektrophile und nucleophile Teilchen 272

13 Inhaltsverzeichnis XI Radikale Übergangszustände und Zwischenstufen Begriffe Additionen Elektrophile Addition Verwandte Reaktionen Nucleophile Addition Substitutionen Elektrophile Substitution Die elektrophile Zweitsubstitution Radikalische Substitution Eliminierung Umlagerung Redoxreaktionen Isomerie Konformationsisomerie Strukturisomerie Ketten- oder Skelettisomerie Stellungsisomerie Tautomerie Funktionsisomerie Bindungs- oder Valenzisomere Isomerie bei Cycloalkanen Stereoisomerie Cis-trans- und E-Z-Isomerie Spiegelbild-Isomerie Optische Aktivität Kunststoffe Einteilung nach Materialeigenschaften Halbsynthetische Kunststoffe Vollsynthetische Kunststoffe Polymerisation Polykondensation Weitere Kunststoffe Silicone Naturstoffe Fette, Öle, Seifen, Wachse Fette und Öle Seifen Wachse Aminosäuren und Eiweiße Aminosäuren 307

14 XII Inhaltsverzeichnis Eiweiße Kohlenhydrate Aldosen Nucleinsäuren Die DNA Die RNA Nomenklaturregeln und Fragen zu den Kapiteln (Organische Chemie) Lösungen zu Kapitel Literatur 347

15 1 Auf bau der Materie, Atombau 1 und Periodensystem In diesem Kapitel Haben Sie folgende Definition schon gehört? Chemie ist s dann, wenn s qualmt und stinkt. Dabei geht man davon aus, dass sowohl der Qualm als auch die Duftnote neu entstanden sind, und zwar durch eine chemische Reaktion, also eine stoffliche Umsetzung. Somit beschäftigt sich die Chemie mit Reaktionen oder chemischen Umsetzungen; und darunter verstehen wir stoffliche Veränderungen. Wir sagen, Stoff A reagiert zu Stoff B, und symbolisieren dies durch den Reaktionspfeil. Was aber ist ein Stoff? Woraus besteht die Materie? Klären wir zuerst einige Begriffe, um uns anschließend mit Atomen und ihrem Aufbau zu beschäftigen. Am Ende des Kapitels wollen wir noch auf den Zerfall von Atomkernen eingehen ein Thema, das zwischen der Physik und der Chemie angesiedelt ist. 1.1 Auf bau der Materie Nach unserem Verständnis ist Materie alles, was Raum einnimmt und eine Masse besitzt Reinstoffe Reinstoffe kann man mit physikalischen Methoden wie Sortieren, Sieben, Filtrieren, Zentrifugieren, Destillieren nicht weiter auftrennen. Beispiele dafür sind Gold (ein Element), Sauerstoff (ein Element, welches in Form von Molekülen vorkommt) oder Wasser (eine Verbindung von zwei Elementen). Reinstoffe oder reine Substanzen können folglich Elemente oder chemische Verbindungen sein Mischungen Eine Mischung besteht aus mehreren Reinstoffen und lässt sich mit physikalischen Methoden in ihre Bestandteile (die Reinstoffe) trennen. Eine Mischung aus Schotter und Sand lässt sich durch Sortieren oder Sieben trennen. Eine Mischung aus Sand und Kochsalz lässt sich ebenfalls mit physika- Chemie für Einsteiger und Durchsteiger, 1. Auflage. Thomas Wurm 2012 WILEY VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim