Jan Hoinkis und Eberhard Lindner Chemie für Ingenieure

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1 Jan Hoinkis und Eberhard Lindner Chemie für Ingenieure 13., vollständig überarbeitete Auflage BICEHTENN1AL BICENTENNIAL WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort XX Periodensystem der Elemente XXII 1 Atombau und Periodensystem Bestandteile des Atoms Atomkerne Aufbau der Elektronenhülle Das Bohr'sche Atommodell Das wellenmechanische Atommodell Vom Dualismus Welle - Korpuskel Die Bahnformen der Elektronen Prinzipielle erkenntniskritische Überlegungen Die Quantenzahlen und das Pauli-Prinzip Das Periodensystem der Elemente Die Elektronenstrukturen der Elemente Die Periodizität der Eigenschaften Die Ionisierungsenergie Die Elektronenaffinität Die Elektronegativität Die Atom- und Ionendurchmesser Die metallischen Eigenschaften 23 Kontroll- und Übungsfragen zum 1. Kapitel 25 2 Die chemische Bindung Die Atombindung (kovalente Bindung) Das Wasserstoffmolekül sigma-bindungen pi-bindungen Die Ionenbindung Die metallische Bindung Das Elektronengas"-Modell 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 43 Chemie fiir Ingenieure, 13. Außage. Jan Hoinkis und Eberhard Lindner Copyright 2007 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN:

3 VI Inhaltsverzeichnis Die relative Molekülmasse und die Formelmasse Das Mol und die molare Masse 46 Kontroll- und Übungsfragen zum 2. Kapitel 47 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 Gehalt Konzentration Molalität Verdünnungen Dichtebestimmungen Diffusion und Osmose Lösungsenthalpie und Entropie Aggregatzustandsänderungen Das Temperatur-Energie-Diagramm Das Phasendiagramm Einkomponentensysteme Mehrkomponentensysteme Das Prinzip der Kälteerzeugung Destillation 81 Kontroll- und Übungsfragen zum 3. Kapitel 86 4 Chemische Reaktionen Reaktionsgleichungen und stöchiometrische Berechnungen Energieumsätze bei chemischen Reaktionen Der Verlauf chemischer Reaktionen Reversible und irreversible Prozesse Reaktionsgeschwindigkeit Einfluss der Temperatur Einfluss der Konzentration Einfluss von Katalysatoren Redoxreaktionen Die Definition von Oxidation und Reduktion 98

4 Inhaltsverzeichnis VII 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 108 Kontroll- und Übungsfragen zum 4. Kapitel Chemische Gleichgewichte Das Massenwirkungsgesetz Die mathematische Formulierung des Massenwirkungsgesetzes Das Prinzip von Le Chatelier Veränderung der Konzentration eines Reaktionspartners Einfluss der Verdünnung bzw. des Reaktionsdruckes Veränderung der Reaktionstemperatur Gleichgewichte in wässrigen Lösungen Das Ionenprodukt des Wassers Der ph-wert (2. Teil) Die elektrolytische Dissoziation Das Kohlensäuregleichgewicht Pufferlösungen ph- Farbindikatoren Maßanalyse Säure-Base-Titration Normallösungen Redoxtitrationen (Oxidimetrie) Saure und alkalische Reaktionen von Salzen Beispiel einer alkalischen Reaktion (Anionbase) Beispiel einer sauren Reaktion (Kationsäure) Das Löslichkeitsprodukt Mathematische Ableitung des Löslichkeitsproduktes Das Löslichkeitsprodukt des Calciumcarbonats Die Abscheidung von Kesselstein und die Wasserhärte Die Verhinderung von Kaikabscheidungen Weitere Anwendungsbeispiele aus der Praxis Konstanz von Ionenkonzentrationen Auflösung eines Niederschlags Ausfallen von schwerlöslichen Salzen Komplexverbindungen Komplexbildung am Anion Komplexbildung am Kation Komplexbildung an neutralen Atomen Eigenschaften häufig gebrauchter Komplexe 149

5 VIII Inhaltsverzeichnis 5.5 Gasgleichgewichte Homogene Gasgleichgewichte Die Herstellung von Ammoniak Dampfreformierung von Erdgas Das Wassergasgleichgewicht Die Fischer-Tropsch-Synthese Die thermische Dissoziation von Wasserdampf Die thermische Dissoziation von Kohlendioxid Die Bunsenbrennerflamme Die Schweißbrennerflamme Heterogene Gasgleichgewichte Das Boudouard-Gleichgewicht Kohlevergasung Das Gaszementieren oder Einsatzhärten Der Heß'sche Satz Adsorptionsvorgänge Adsorptionsgesetze Chromatographie Flüssigkeitschromatographie Gaschromatographie 166 Kontroll- und Übungsfragen zum 5. Kapitel Die Elemente Allgemeines Einteilung der Elemente Einteilung nach dem Aggregatzustand Einteilung nach der elektrischen Leitfähigkeit Die Häufigkeit der Elemente und die Rohstoff-Probleme Elementumwandlungen Einfache Kernreaktionen Kernzersplitterung Kernspaltung Kernverschmelzung oder Kernfusion Die gasförmigen Elemente Wasserstoff Die gasförmigen Halogene Stickstoff und Sauerstoff Das Stickstoffmolekül Die Doppelbindungsregel Magnetische Eigenschaften der Stoffe Das Sauerstoffmolekül Die Molekülorbital-Theorie Sauerstoff-Meßgeräte Eigenschaften von Sauerstoff und Stickstoff Ozon Die Edelgase 192

6 Inhaltsverzeichnis IX 6.3 Die übrigen Nichtmetalle Brom und Iod Schwefel Phosphor Kohlenstoff Diamant Graphit Fullerene Herstellungsmethoden Retortenkohle Koks Ruß Aktivkohle Kohlenstoff-Fasern Kohlenstoffglas Kohlenstoffschaum Kohlenstoff-Nanoröhrchen Halbleiter Die elektrische Leitfähigkeit in festen Stoffen Silicium und Germanium Eigenschaften n-dotierte Silicium-Halbleiter p-dotierte Silicium-Halbleiter Herstellung von Halbleiterbauelementen n-p-grenzschichteffekte; Siliciumgleichrichter Photoelektrischer Effekt Die Bedeutung von Silicium-und Germaniumhalbleitem Chemische Verbindungen als Halbleiter Metalle Allgemeine metallische Eigenschaften Die elektrische Leitfähigkeit Die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit Die Wärmeleitfähigkeit der Metalle Metallglanz Die plastische Verformbarkeit der Metalle Einteilung der Metalle Legierungen Eutektische Legierungen Mischkristall-Legierungen Intermetallische Verbindungen Zustandsdiagramme Physikalische Eigenschaften von Legierungen Die Alkalimetalle Die Erdalkalimetalle Beryllium und Magnesium Aluminium und die Metalle der dritten Hauptgruppe 229

7 X Inhaltsverzeichnis 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 Uran Künstlich hergestellte radioaktive Elemente Plutonium Cobalt Co Strontium Sr Kernreaktoren 244 Kontroll- und Übungsfragen zum 6. Kapitel Anorganische Verbindungen Wasserstoffverbindungen der Elemente Das Tetraedermodell für Moleküle Wasser H Das Wassermolekül Die Anomalien des Wassers Eigenschaften Wasserstoffperoxid H Chlorwasserstoff HCl Ammoniak NH HydrazinN 2 H Schwefelwasserstoffes Phosphorwasserstoff PH Sauerstoffverbindungen der Elemente Nichtmetalloxide Kohlendioxid C Kohlenmonoxid CO Stickstoffoxide Schwefeloxide Phosphorpentoxid P Siliciumdioxid Si Sauerstoffsäuren Metalloxide und Metallhydroxide Glas Alumosilicate Baustoff-Bindemittel Kalkmörtel Zement Gips 276

8 Inhaltsverzeichnis XI Asbest Carbide und Nitride Salzartige Carbide Einlagerungsverbindungen Kovalente Verbindungen Nanotechnologie 279 Kontroll- und Übungsfragen zum 7. Kapitel Organische Verbindungen Kohlenwasserstoffe Alkane oder Paraffine Methan Geradkettige Paraffine Paraffine mit Seitenverzweigungen Alkene oder Olefine Ethylen oder Ethen Nomenklatur und Eigenschaften der Olefine Diolefine Cracken von Paraffinen Alkine oder Acetylene Die Stabilität des Acetylenmoleküls Herstellungsmöglichkeiten von Acetylen Eigenschaften des Acetylens Alicyclische Verbindungen Aromatische Kohlenwasserstoffe Eigenschaften des Benzols Andere aromatische Ringsysteme Benzqlkohlenwasserstoffe mit Seitenketten Kondensierte Aromaten Halogenabkömmlinge der Kohlenwasserstoffe Chlorierte Kohlenwasserstoffe Polychlorierte Biphenyle (PCB) Frigene (Freone) und Halone Umweltaspekte von halogenierten Kohlenwasserstoffen Substitutionsmöglichkeiten von Halogenkohlenwasserstoffen Metallorganische Verbindungen Sauerstoffverbindungen Alkohole Einwertige Alkohole Mehrwertige Alkohole Die Wasserlöslichkeit von Alkoholen Phenole Ether Ketone Aldehyde Carbonsäuren 312

9 XII Inhaltsverzeichnis 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 Verbrennungsvorgänge im Ottomotor Kraftstoffe für Dieselmotoren Alternative Kraftstoffe Schmierstoffe Schmieröle Schmierfette Feststoffschmiermittel Sicherheitsvorschriften 342 Kontroll- und Übungsfragen zum 8. Kapitel 9 Kunststoffe Mechanisch-thermische Eigenschaften Thermoplaste Elastomere Duroplaste Fluidoplaste Spannungs-Dehnungs-Diagramme Abgewandelte Naturprodukte Kunststoffe auf Cellulosebasis Celluloseacetat Gummi aus Naturkautschuk Polymerisationskunststoffe Allgemeines Polyethylen Low Density Polyethylen (PE-LD) High Density Polyethylen (PE-HD) Modifizierte Verfahren 361

10 Inhaltsverzeichnis XIII Polypropylen Polybuten Polyisobutylen Synthetischer Kautschuk Ethylen-Propylen-Kautschuk Polystyrol Polyvinylcarbazol Polyvinylchlorid und Polyvinylacetat Hart-PVC Weich-PVC Polyvinylidenchlorid Polytetrafluorethylen Polyacrylnitril Polymethacrylsäuremethylester Polyoxymethylen Polykondensationskunststoffe Polyamide Formaldehyd-Kondensationsprodukte Phenol-Formaldehyd-Harz Harnstoff-Formaldehyd-Harz Melamin-Formaldehyd-Harz Polyesterharze oder Alkydharze Lineare Polyester Vernetzte Polyester Ungesättigte Polyester Glasfaserverstärkte ungesättigte Polyester Polycarbonat Hochtemperaturbeständige Polykondensationskunststoffe Polyadditionskunststoffe Polyurethane Epoxidharze Die Epoxid-Grundmasse Härter Eigenschaften der gehärteten Harze Silicone Siliconöle und-fette Siliconkautschuk Siliconharze Alterung und Zerstörung von Kunststoffen Thermische Einflüsse Thermische Stabilität von Kunststoffen Pyrolysieren Einfluss von energiereicher Strahlung Spannungsrissbildung Einfluss von Lösungsmitteln Chemische Zerstörung von Kunststoffen 391

11 XIV Inhaltsverzeichnis Feuerbeständigkeit von Kunststoffen Kunststoffrecycling Biologisch abbaubare Kunststoffe 395 Kontroll- und Übungsfragen zum 9. Kapitel Elektrochemie Elektrochemische Potenziale Galvanische Elemente Die Normal-Wasserstoffelektrode Die Normalpotenziale (elektrochemische Spannungsreihen) Reaktion mit Wasserstoffionen Reaktionen von edlen Metallen und deren Metallionen Einfluss des ph-wertes Praktische Spannungsreihen Herstellung von Leiterplatten Die Konzentrationsabhängigkeit der elektrochemischen Potenziale Die Nernstsche Gleichung Elektroden zweiter Art Die Silber/Silberchloridelektrode (Ag/AgCl-Elektrode) Die Kalomelelektrode Das Weston-Normalelement ph-messungen Elektrochemische Stromerzeugung Primärelemente Zink-Braunstein-Elemente Quecksilberoxid-und Silberoxidzellen Lithiumzellen Sekundärelemente Bleiakkumulator Nickel-Cadmium-Akkumulator Nickel-Metallhydrid-Akkumulator Lithium-Ionen-Akku Brennstoffzellen Erzwungene elektrochemische Vorgänge Messung einer galvanischen Spannung Die Elektrolyse Die Faraday'schen Gesetze Die elektrische Leitfähigkeit von Elektrolyten Die elektrochemische Polarisation Chemische Polarisation Die Abscheidungspolarisation Diffusions-oder Konzentrationspolarisation Galvanisieren Die elektrolytische Entfettung Elektropolieren und Elektroentgraten Die gebräuchlichsten Metallschutzschichten 440 ;!

12 Inhaltsverzeichnis XV Allgemeines über galvanische Metallabscheidungen Korrosion und Korrosionsschutz Korrosionsursachen Unterschiedliche Normalpotenziale Unterschiedliche Elektrolytkonzentrationen Korrosionsarten Möglichkeiten des Korrosionsschutzes Schutzschichten aus Metall Anorganische Verbindungen als Schutzschichten Organische Schutzüberzüge Kathodischer Korrosionsschutz Elektrochemische Messmethoden Die Leitfähigkeitsmethode (Konduktometrie) Die Potentiometrie Die Amperometrie Die Coulometrie Die Voltammetrie und Polarographie 463 Kontroll- und Übungsfragen zum 10. Kapitel Spektren und ihre Anwendungen Elektromagnetische Spektren Die Entstehung von elektromagnetischen Spektren Absorptions- und Emissionsspektren Die Bereiche elektromagnetischer Strahlen Spektrenformen Linienspektren Die Lage der Linien Das Aussehen einer Spektrallinie Das Moseley'sche Gesetz Bandenspektren Absorptionsmaxima Spektralanalytische Untersuchungen Spektralbereiche Gammastrahlen Röntgenbereich Röntgenfluoreszenzanalyse Röntgenstrukturanalyse Ultraviolett-Spektren (UV-Spektren) Spektren im sichtbaren Licht Emissionsspektren Absorptionsspektren Infrarotspektren (IR-Spektren) Infrarot-Absorptionsspektren Raman-Spektren Magnetische Kernresonanz (nuclear magnetic resonance = NMR) Spezielle Messgeräte 488

13 XVI Inhaltsverzeichnis Photometer IR-Messgeräte für Gase Chemolumineszenzanalyse Massenspektrometer Farbmittel Ursachen für die Farbigkeit Anorganische Stoffe Organische Stoffe Pigmente Anorganische Pigmente Organische Pigmente Farbstoffe Farbindikatoren Allgemeine Überlegungen zu Pigmenten und Kontroll- und Übungsfragen zum 11. Kapitel 12 Biochemie und Biotechnologie Grundlagen der Biochemie Eigenschaften belebter Materie Das Phänomen des Lebens Einteilung der Lebewesen Die Zelle Eukaryontische Zellen Prokaryontische Zellen Der Stoffwechsel Allgemeines Biokatalysatoren Energiestoffwechsel Menschlicher Stoffwechsel Molekularbiologie Aufbau und Verdoppelung der DNA Die Eiweißsynthese Mutationen Mutationsarten Reparatur von Mutationen Somatische Mutationen Mutagenese Gentechnik Bioverfahrenstechnik Bioreaktoren (Fermenter) Produktaufarbeitung Herstellung von Bioethanol Biosensoren Schadwirkung von Chemikalien Humantoxikologie Giftige Dosis 530

14 Inhaltsverzeichnis XVII Einwirk- oder Expositionsdauer Giftwirkungen Vorsorgemaßnahmen Die häufigsten Gifte Giftige anorganische Stoffe Giftige organische Stoffe Ökotoxikologie Toxizität für Lebewesen Biologische Abbaubarkeit Bioakkumulation 541 Kontroll- und Übungsfragen zum 12. Kapitel Umweltschutztechnik Ökologische Grundlagen Ökosysteme Stoff-und Energieumsätze in Ökosystemen Stoffkreisläufe Der Kohlenstoff-Kreislauf Der Stickstoff-Kreislauf Abwasser und Abwasserreinigung Rohstoff Wasser Abwasserinhaltsstoffe Anorganischeinhaltsstoffe Organische Inhaltsstoffe Abwasserreinigung durch kommunale Kläranlagen Mechanische Reinigung Biologische Reinigung Entfernung von Phosphor-und Stickstoffverbindungen Schlammbehandlung Neuere Trends in der biologischen Abwasserreinigung Biohochreaktoren Anaerobe Abwasserreinigung Reaktoren mit mechanisch bewegten Elementen Kombination von biologischer Reinigung und Membranfiltertechnik Spezielle Verfahren der Abwasserreinigung Fällung und Abtrennung in Form fester Stoffe Ionenaustauscher Adsorption an Aktivkohle Membranfiltrationsverfahren Extraktion Strippung und Eindampfen Chemische Oxidation Membrantrennverfahren Grundlage und Arten der Membrantrennverfahren Stofftransport bei Membrantrennverfahren Modell für poröse Membranen 579

15 XVIII Inhaltsverzeichnis Modell für porenfreie Membranen Technische Membranmodule Abluftreinigung Luftschadstoffe Abluftreinigung in der Industrie Staubabscheidung Abscheidung gasförmiger Verunreinigungen Rauchgasreinigung in Kraftwerken Verminderung von Schwefeldioxid Verminderung von Stickstoffoxiden Abgasreinigung bei Automobilen Abfall und Recycling Abfallzusammensetzung Abfallentsorgung Thermische Behandlung Deponie Mechanisch-biologische Behandlung Recycling Produktionsintegrierter Umweltschutz Ökobilanzen 615 Kontroll- und Übungsfragen zum 13. Kapitel Chemische Literatur Allgemeines Weiterführende Lehrbücher Allgemeine und Anorganische Chemie Organische Chemie Biochemie, Biotechnologie und Toxikologie Biochemie Biotechnologie Toxikologie Physikalische Chemie / Elektrochemie Umwelttechnik Analytik und Messtechnik Chemische Technik Korrosion und Korrosionsschutz Kunststoffe Arbeitsschutz und Sicherheitstechnik Verfahrenstechnik (Grundlagen) Enzyklopädien und Tabellenwerke Römpps Chemie-Lexikon" Enzyklopädien und Tabellenwerke Kleinere Hand-und Taschenbücher Großes Tabellen-und Datenwerk Enzyklopädien der Technischen Chemie Große Nachschlagewerke zu Teilgebieten der Chemie 627

16 Inhaltsverzeichnis XIX Gmelin Beilstein Kleinere Nachschlagewerke für spezielle Bereiche Kunststoffe Biochemie und Biotechnologie Klinisches und Pharmazeutisches Wörterbuch Umweltschutz und Unfallverhütung Firmen-und Produktinformationen Fachzeitschriften Referateorgane Chemical Abstracts Andere Referateorgane Fachinformationszentren Patentliteratur Recherchen im Internet Allgemeine Suchmaschinen Spezielle Suchmaschinen und Serviceanbieter im Bereich der Chemie Analytik Chemikalien- und Sicherheitsdaten Physikalisch-chemische Stoffdaten Kunststoffe Wasserstofftechnologie Firmen- und Produktinformationen Patentrecherchen 636 Kontrollfragen zum 14. Kapitel 637 Anhang 638 AI Die Buchstaben des griechischen Alphabets 638 A2 Vorsatzzeichen, Abkürzungen für Stoffmengengehalte 638 A3 Maßeinheitentabelle 639 A4 Verzeichnis der chemischen Elemente 640 A5 Löslichkeitsprodukte 642 A6 Schadstoff-Höchstwerte am Arbeitsplatz und Wassergefährdungsklassen 643 A7 Schadstoff-Höchstwerte im Abwasser 644 A8 Schadstoff-Höchstwerte in der Luft 645 A9 Gefahrensymbole 646 A10 Klärschlammverordnung 646 Antworten zu den Kontroll- und Übungsfragen 647 Register 672