1 Chemische Elemente und chemische Grundgesetze Verbreitung der Elemente... 4 Chemische Grundgesetze... 5

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1 Inhaltsverzeichnis Teil I Allgemeine Chemie Chemische Elemente und chemische Grundgesetze... 3 Verbreitung der Elemente... 4 Chemische Grundgesetze Aufbau der Atome Atomkern... 7 Atommasse... 9 Isotopieeffekte... 9 Radioaktive Strahlung Radioaktive Zerfallsgeschwindigkeit Beispiele für natürliche und künstliche Isotope Radioaktive Aktivität Radioaktive Zerfallsreihen Radioaktives Gleichgewicht Beispiele für Anwendungsmöglichkeiten von Isotopen Aktivierungsanalyse Elektronenhülle Atommodell von Niels Bohr (1913) Bohrsches Modell vom Wasserstoffatom Atomspektren (Absorptions- und Emissionsspektroskopie) Verbesserungen des Bohrschen Modells VII

2 Wellenmechanisches Atommodell des Wasserstoffatoms 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, s- und p-block Elemente) Übergangselemente bzw. Nebengruppenelemente.. 31 Valenzelektronenzahl und Oxidationsstufen Periodizität einiger Eigenschaften ) Atom- und Ionenradien ) Elektronenaffinität (EA) ) Ionisierungspotenzial / 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) Bindung, Ionenbeziehung Gitterenergie VIII

3 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 Metallische Bindung Metallgitter Mechanische Eigenschaften der Metalle / Einlagerungsstrukturen Legierungen Intermetallische Verbindungen oder intermetallische Phasen Beispiele für intermetallische Phasen Zwischenmolekulare Bindungskräfte schwache Bindungen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen Wasserstoffbrückenbindungen Dipol-Induzierte Dipol-Wechselwirkungen Ionen-Dipol-Wechselwirkungen Van der Waalssche Bindung (van der Waals-Kräfte, Dispersionskräfte) Hydrophobe Wechselwirkungen (Hydrophobe Bindung) Komplexverbindungen Bindungen in Komplexen Beispiele für Komplexe Chelateffekt π-komplexe Chargetransfer-Komplexe Carbonyle Koordinationszahl und räumlicher Bau von Komplexen IX

4 Isomerieerscheinungen bei Komplexverbindungen 90 Stereoisomerie a) cis-trans-isomerie (Geometrische Isomerie) Komplexe mit KZ Komplexe mit KZ b) Optische Isomerie (Spiegelbildisomerie) Komplexe mit KZ Komplexe mit KZ Strukturisomerie Bindung in Komplexen / Koordinative Bindung Edelgas-Regel VB-Theorie der Komplexbindung Vorzüge und Nachteile der VB-Theorie Kristallfeld-Ligandenfeld-Theorie Absorptionsspektren Jahn-Teller-Effekt Vorzüge und Nachteile der Kristallfeld-Theorie MO-Theorie der Bindung in Komplexen HSAB-Konzept bei Komplexen σ- und π-bindung in Komplexen Bindung in Carbonylen Komplexbildungsreaktionen Formelschreibweise von Komplexen Nomenklatur von Komplexen Beispiele zur Nomenklatur Zustandsformen der Materie (Aggregatzustände) Fester Zustand Kristalline Stoffe Eigenschaften von kristallinen Stoffen Schmelz- und Erstarrungspunkt; Schmelzenthalpie Gittertypen Gasförmiger Zustand Gasgesetze für ideale Gase ) Gesetz von Boyle und Mariotte ) Gesetz von Gay-Lussac ) Allgemeine Gasgleichung Das Verhalten realer Gase Diffusion von Gasen Flüssiger Zustand Dampfdruck einer Flüssigkeit Siedepunkt X

5 Gefrierpunkt Durchschnittsgeschwindigkeit von Atomen und Molekülen Mehrstoffsysteme Lösungen Definition des Begriffs Phase 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 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 Kolloide Lösungen, kolloiddisperse Systeme Isoelektrischer Punkt (I.P.) Redoxsysteme Oxidationszahl Regeln zur Ermittlung der Oxidationszahl Reduktion und Oxidation XI

6 Normalpotenziale von Redoxpaaren Normalpotenzial und Reaktionsrichtung Nernstsche Gleichung Konzentrationskette Praktische Anwendung von galvanischen Elementen Trockenbatterie (Leclanché-Element) Alkali-Mangan-Zelle Nickel-Cadmium-Batterie Quecksilber-Batterie Brennstoffzellen Akkumulatoren Bleiakku Lithium-Ionenakku Elektrochemische Korrosion / Lokalelement Elektrochemische Bestimmung von ph-werten Glaselektrode Elektroden 2. Art Redoxelektroden Spezielle Redoxreaktionen Säure-Base-Systeme Brønsted-Säuren und Basen; ph-wert Säure- und Basestärke Starke Säuren und starke Basen Schwache Säuren und schwache Basen 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. 164 Acetatpuffer Messung von ph-werten Säure-Base-Reaktionen in nichtwässrigen Systemen Elektronentheorie der Säuren und Basen nach Lewis Prinzip der harten und weichen Säuren und Basen XII

7 11 Energetik chemischer Reaktionen (Grundlagen der Thermodynamik) I. Hauptsatz der Thermodynamik 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 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 XIII

8 Das Löslichkeitsprodukt Allgemeine Formulierung Fließgleichgewicht Teil II 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 Erdalkalimetalle (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) Beryllium Magnesium Calcium Strontium Barium Borgruppe (B, Al, Ga, In, Tl) Bor Borwasserstoffe, Borane Carborane Borhalogenide Sauerstoff-Verbindungen Aluminium Gallium - Indium - Thallium XIV

9 Kohlenstoffgruppe (C, Si, Ge, Sn, Pb) Kohlenstoff Kohlenstoff-Verbindungen Isosterie Boudouard-Gleichgewicht Carbide Silizium 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 Phosphor Phosphoroxide Phosphorsäuren Halogenverbindungen Pseudorotation (Berry-Mechanismus) Arsen Sauerstoffverbindungen Schwefelverbindungen Antimon Bismut (früher Wismut) Chalkogene (O, S, Se, Te, Po) Sauerstoff Sauerstoffverbindungen Oxide Schwefel Halogenverbindungen Schwefelchloride und Schwefelbromide Oxidhalogenide SOX 2 (X = F, Cl, Br) Schwefeloxide und Schwefelsäuren H 2 SO 4, Schwefelsäure Selen Tellur XV

10 Halogene (F, Cl, Br, I, At) Fluor Chlor Sauerstoffsäuren von Chlor Oxide des Chlors Brom Iod Bindungsenthalpie und Acidität Salzcharakter der Halogenide Photographischer Prozess (Schwarz-Weiß-Photographie) Interhalogenverbindungen Pseudohalogene Pseudohalogenide Edelgase (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) 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 XVI

11 III. Nebengruppe Übersicht IV. Nebengruppe Titan V. Nebengruppe Übersicht Vanadin VI. Nebengruppe Übersicht Chrom Chromverbindungen Molybdän Wolfram Transportreaktionen Wolframate, Polysäuren VII. Nebengruppe Mangan VIII. Nebengruppe Eisenmetalle Eisen Eisenverbindungen Cobalt und Nickel Cobalt-Verbindungen Nickel-Verbindungen Platinmetalle Verbindungen der Platinmetalle Lanthanoide, Ln Übersicht Actinoide, An XVII

12 Anhang Allgemeine Verfahren zur Reindarstellung von Metallen (Übersicht) I. Reduktion der Oxide zu den Metallen II. Elektrolytische Verfahren III. Spezielle Verfahren Düngemittel Handelsdünger aus natürlichen Vorkommen Kunstdünger Mineraldünger Stickstoffdünger Phosphatdünger Kaliumdünger Mehrstoffdünger Teil III Grundwissen der organischen Chemie Allgemeine Grundlagen Einleitung Grundlagen der chemischen Bindung Systematik organischer Verbindungen Nomenklatur Chemische Formelsprache Isomerie Grundbegriffe organisch-chemischer Reaktionen Reaktionen zwischen ionischen Substanzen Reaktionen von Substanzen mit kovalenter Bindung Säuren und Basen, Elektrophile und Nucleophile Substituenten-Effekte Reaktive Zwischenstufen XVIII

13 2.5.1 Carbeniumionen Carbanionen Carbene Radikale Übergangszustände Reaktionstypen Additions-Reaktionen Eliminierungs-Reaktionen Substitutions-Reaktionen Radikal-Reaktionen Umlagerungen Redox-Reaktionen Gesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkane) Offenkettige Alkane Nomenklatur und Struktur Bau der Moleküle, Konformationen der Alkane Vorkommen, Gewinnung und Verwendung der Alkane Herstellung von Alkanen Eigenschaften gesättigter Kohlenwasserstoffe Cyclische Alkane Bau der Moleküle, Konformationen der Cycloalkane Das Cyclohexan-Ringsystem Die radikalische Substitutions-Reaktion (S R ) Herstellung von Radikalen Struktur und Stabilität Ablauf von Radikalreaktionen Selektivität bei radikalischen Substitutions-Reaktionen Beispiele für Radikalreaktionen Photochlorierung von Alkanen mit Cl Die Chlorierung von Alkanen mit Sulfurylchlorid, SO 2 Cl Pyrolysen XIX

14 5 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkene, Alkine) Alkene Nomenklatur und Struktur Vorkommen und Herstellung von Alkenen Diene und Polyene Alkine Biologisch interessante Alkene und Alkine Additionen an Alkene und Alkine Elektrophile Additionen Additionen symmetrischer Verbindungen Additionen unsymmetrischer Verbindungen (Markownikow-Regel) Stereospezifische Syn-Additionen Cycloadditionen Ozonolyse Diels-Alder-Reaktionen Nucleophile Additionen Nucleophile Additionen von Aminen Michael-Additionen Radikalische Additionen Di-, Oligo- und Polymerisationen Aromatische Kohlenwasserstoffe (Arene) Chemische Bindung in aromatischen Systemen Beispiele für aromatische Verbindungen; Nomenklatur Vorkommen und Herstellung Eigenschaften und Verwendung Reaktionen aromatischer Verbindungen Additionsreaktionen aromatischer Verbindungen Reaktionen von Alkylbenzolen in der Seitenkette Die aromatische Substitution (S Ar ) Die elektrophile aromatische Substitution (S E,Ar ) Allgemeiner Reaktionsmechanismus Mehrfachsubstitution XX

15 8.2 Beispiele für elektrophile Substitutionsreaktionen Nitrierung Sulfonierung Halogenierung Alkylierung nach Friedel-Crafts Acylierung nach Friedel-Crafts Die nucleophile aromatische Substition (S N,Ar ) Monomolekulare nucleophile Substitution am Aromaten (S N 1,Ar ) Bimolekulare nucleophile Substitution am Aromaten (S N 2,Ar ) Halogenkohlenwasserstoffe Chemische Eigenschaften Verwendung Herstellungsmethoden Biologisch interessante Halogen-Kohlenwasserstoffe Die nucleophile Substititon (S N ) am gesättigten C-Atom Der S N 1-Mechanismus Auswirkungen des Reaktionsmechanismus Der S N 2-Mechanismus Das Verhältnis S N 1/S N 2 und die Möglichkeit der Beeinflussung einer S N -Reaktion Konstitution des organischen Restes R Die Art der Abgangsgruppe Das angreifende Nucleophil Nu Lösemitteleffekte Die Eliminierungs-Reaktionen (E1, E2) α- oder 1,1-Eliminierung β- oder 1,2-Eliminierung Eliminierung nach einem E1-Mechanismus Eliminierung nach einem E1cB-Mechanismus Eliminierung nach einem E2-Mechanismus Isomerenbildung bei Eliminierungen Beispiele für wichtige Eliminierungs-Reaktionen anti-eliminierungen syn-eliminierungen (thermische Eliminierungen) XXI

16 12 Sauerstoff-Verbindungen Alkohole (Alkanole) Beispiele und Nomenklatur Herstellung von Alkoholen Reaktionen der Alkohole Phenole Beispiele und Nomenklatur Herstellung von Phenolen Eigenschaften von Phenolen Reaktionen von Phenolen Biologisch interessante Phenole Ether Herstellung Eigenschaften der Ether Reaktionen der Ether Schwefel-Verbindungen Thiole Herstellung Vorkommen Reaktionen Thioether (Sulfide) Herstellung Reaktionen Sulfonsäuren Herstellung Verwendung von Sulfonsäuren Technisch und biologisch wichtige Schwefel-Verbindungen Stickstoff-Verbindungen Amine Nomenklatur Herstellung von Aminen Eigenschaften der Amine Reaktionen der Amine Biochemisch wichtige Amine Nitro-Verbindungen Nomenklatur und Beispiele Herstellung Eigenschaften und Reaktionen von Nitroverbindungen XXII

17 Verwendung von Nitroverbindungen Azo-Verbindungen Herstellung der Azoverbindungen Hydrazo-Verbindungen Herstellung der Hydrazoverbindungen Reaktionen der Hydrazoverbindungen Diazo-Verbindungen, Diazoniumsalze Herstellung von Diazound Diazoniumverbindungen Reaktionen von Diazound Diazoniumverbindungen Element-organische Verbindungen Bildungen und Reaktivität Eigenschaften elementorganischer Verbindungen Beispiele für elementorganische Verbindungen I. Gruppe: Lithium II. Gruppe: Magnesium III. Gruppe: Bor V. Gruppe: Phosphor Verbindungen mit ungesättigten funktionellen Gruppen Die Carbonyl-Gruppe Aldehyde, Ketone und Chinone Nomenklatur und Beispiele Herstellung von Aldehyden und Ketonen Eigenschaften Redoxreaktionen von Carbonylverbindungen Reduktion zu Alkoholen Reduktion zu Kohlenwasserstoffen Oxidationsreaktionen Redoxverhalten der Chinone Biologisch interessante Carbonylverbindungen Reaktionen von Aldehyden und Ketonen Additionen von Hetero-Nucleophilen XXIII

18 Addition von Hydrid Reaktion mit O-Nucleophilen Reaktion mit N-Nucleophilen Reaktion mit S-Nucleophilen Additionen von Kohlenstoff-Nucleophilen Umsetzungen mit Blausäure bzw. Cyanid Umsetzungen mit Grignard-Reagenzien Umsetzungen mit Acetyliden Umsetzungen mit Phosphor-Yliden Additionen von Carbonylverbindungen Bildung und Eigenschaften von Carbanionen Aldol-Reaktion Mannich-Reaktion Knoevenagel-Reaktion Michael-Reaktion Robinson-Anellierung Carbonsäuren Nomenklatur und Beispiele Herstellung von Carbonsäuren Eigenschaften von Carbonsäuren Substituenteneinflüsse auf die Säurestärke Reaktionen von Carbonsäuren Reduktion Abbau unter CO 2 -Abspaltung (Decarboxylierung) Bildung von Derivaten Spezielle Carbonsäuren Dicarbonsäuren Hydroxycarbonsäuren Oxocarbonsäuren Halogencarbonsäuren Derivate der Carbonsäuren Reaktionen von Carbonsäurederivaten Hydrolyse von Carbonsäurederivaten zu Carbonsäuren Umsetzung von Carbonsäurederivaten mit Aminen Umsetzung mit Alkoholen zu Carbonsäureestern Herstellung und Eigenschaften von Carbonsäurederivaten Carbonsäureanhydride Carbonsäurehalogenide Carbonsäureamide XXIV

19 Carbonsäureester Lactone Spezielle Carbonsäurederivate Reaktionen von Carbonsäurederivaten Reaktionen an der Carbonylgruppe Reaktionen von Carbonsäureestern Reaktionen von Carbonsäurehalogeniden und -anhydriden Reaktionen von Carbonsäureamiden Reaktionen von Nitrilen Reaktionen in α-stellung zur Carbonylgruppe Reaktionen von Carbonsäureestern Reaktionen von 1,3-Dicarbonylverbindungen Reaktionen von Carbonsäurehalogeniden und -anhydriden Kohlensäure und Derivate Beispiele und Nomenklatur Herstellung von Kohlensäurederivaten Harnstoff und Derivate Synthese von Harnstoff Eigenschaften und Nachweis Synthesen mit Harnstoff Derivate des Harnstoffs Heterocyclen Nomenklatur Heteroaliphaten Heteroaromaten Fünfgliedrige Ringe Sechsgliedrige Ringe Synthese von Heterocyclen über Dicarbonylverbindungen Stereochemie Stereoisomere Molekülchiralität Prochiralität XXV

20 23.3 Schreibweisen und Nomenklatur der Stereochemie D,L-Nomenklatur R,S-Nomenklatur Beispiele zur Stereochemie Verbindungen mit mehreren chiralen C-Atomen Verbindungen mit gleichen Chiralitätszentren Herstellung optisch aktiver Verbindungen Trennung von Racematen (Racematspaltung) Kunststoffe Grundzüge der Polymerchemie Herstellung Reaktionstypen Polymerisation Polykondensation Polyaddition Strukturen von Makromolekülen Polymere aus gleichen Monomeren Polymere mit verschiedenen Monomeren Halbsynthetische Kunststoffe Chemie von Naturstoffen und Biochemie Chemie und Biochemie Biokatalysatoren Stoffwechselvorgänge Kohlenhydrate Monosaccharide Struktur und Stereochemie Reaktionen und Eigenschaften Disaccharide Allgemeines Beispiele für Disaccharide XXVI

21 26.3 Oligo- und Polysaccharide (Glycane) Makromoleküle aus Glucose Makromoleküle mit Aminozuckern Weitere Polysaccharide mit anderen Zuckern Aminosäuren, Peptide und Proteine Aminosäuren Einteilung und Struktur Aminosäuren als Ampholyte Gewinnung und Synthesen von Aminosäuren Reaktionen von Aminosäuren Peptide Hydrolyse von Peptiden Peptid-Synthesen Biologisch wichtige Peptide Proteine Struktur der Proteine Beispiele und Einteilung der Proteine Eigenschaften der Proteine Lipide Überblick über die Lipid-Gruppe Fettsäuren und Fette Komplexe Lipide Phospholipide Glycolipide Biochemische Bedeutung komplexer Lipide Wachse Nucleotide und Nucleinsäuren Nucleotide Energiespeicherung mit Phosphorsäureverbindungen Nucleotide in Nucleinsäuren Nucleinsäuren Aufbau der DNA Aufbau der RNA Terpene und Carotinoide XXVII

22 31 Steroide Sterine Gallensäuren Steroid-Hormone Männliche Sexualhormone (Adrogene) Weibliche Geschlechtshormone (Östrogene, Gestagene) Kontrazeptive Steroide Corticoide Herzaktive Steroide Sapogenine und Steroid-Alkaloide Alkaloide Pyrrolidin- und Piperidin-Alkaloide Pyridin-Alkaloide Tropan-Alkaloide Pyrrolizidin-, Indolizidinund Chinolizidin-Alkaloide Indol-Alkaloide Substituierte Indole Carbazol-Alkaloide Carbolin-Alkaloide Ergolin-Alkaloide Isochinolin-Alkaloide Chinolin-Alkaloide Natürliche Farbstoffe Literaturnachweis und Literaturauswahl an Lehrbüchern Sachverzeichnis Ausklapptafel: Periodensystem der Elemente (am Schluss des Bandes) XXVIII