Chemie - einfach alles

Transkript

1 Peter W. Atkins, Loretta Jones Chemie - einfach alles Übersetzung herausgegeben von Rüdiger Faust Übersetzt von Jürgen Eckwert, Roswitha Harrer, Nicole Kindler, Roswitha Kraft, Petra Lugstein, Klaus Rabe, Kathrin-M. Roy Zweite, vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage WILEY- VCH WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

2 Inhaltsübersicht Grundlagen Gl Anhang Atome: Die Welt der Quanten 1 Anhang Chemische Bindungen 61 Anhang Geometrie und Struktur von Molekülen 103 Glossar Die Eigenschaften von Gasen 147 Antworten Lerntests Flüssigkeiten und Festkörper 187 Antworten Übungen Thermodynamik: Der erste Hauptsatz 229 Bildnachweis Thermodynamik: Der zweite und dritte Hauptsatz 285 Sachregister Physikalische Gleichgewichte Das chemische Gleichgewicht Säuren und Basen Gleichgewichte in wässrigen Lösungen Elektrochemie 529 J13 Die Chemische Kinetik Die Elemente: Die ersten vier Hauptgruppen Die Elemente: Die letzten vier Hauptgruppen Die Elemente: Der rf-block Kernchemie Organische Chemie I: Die Kohlenwasserstoffe Organische Chemie II: Polymere und biologische Verbindungen 825 Chemie - einfach alles, 2. Auflage. Peter W. Atkins und Loretta Jones

3 VI Inhaltsverzeichnis Vorwort zur dritten englischen Auflage XVII Danksagung XVIII Vorwort zur zweiten deutschen Auflage XX Über dieses Buch XXI Grundlagen Gl A Stoffe und Energie G6 A.l Physikalische Eigenschaften G7 A.2 Energie G9 A.3 Kraft G12 B Elemente und Atome G13 B.l Atome G14 B.2 Das Kernmodell G14 B.3 Neutronen G17 B.4 Isotope G19 B.5 Ein Ordnungsschema für Elemente G20 C Verbindungen G23 C.l Definition von Verbindungen G23 C.2 Moleküle und Molekülverbindungen G24 C.3 Ionen und ionische Verbindungen G26 D Die Nomenklatur chemischer Verbindungen G30 D.l Namen von Kationen G30 D.2 Namen von Anionen G30 D.3 Namen ionischer Verbindungen G32 D.4 Namen anorganischer Molekülverbindungen G33 D.5 Namen wichtiger organischer Verbindungen G36 E Mol und Molmasse G37 E.l Das Mol G38 E.2 Die Molmasse G40 F Die Ermittlung chemischer Formeln G44 F.l Gehaltsangaben in Massenprozent G44 F.2 Die Ermittlung empirischer Formeln G45 F.3 Die Ermittlung von Molekülformeln G47

4 Inhaltsverzeichnis VII G Mischungen und Lösungen G48 G.l Einteilung von Mischungen G48 G.2 Trennverfahren G50 G.3 Molarität G52 G.4 Verdünnung G55 H Chemische Gleichungen G56 H.l Symbole in chemischen Gleichungen G56 H.2 Ausgleichen von Reaktionsgleichungen G58 I Wässrige Lösungen und Fällung G Elektrolyte G Fällungsreaktionen G Ionengleichungen und Nettoionengleichungen G Die Anwendungen von Fällungsreaktionen G64 j Säuren und Basen G65 J.l Säuren und Basen in wässriger Lösung G66 J.2 Starke und schwache Säuren und Basen G68 J.3 Die Neutralisation G69 K Redoxreaktionen G70 K.l Oxidation und Reduktion G71 K.2 Oxidationszahlen: Auf der Spur der Elektronen G72 K.3 Oxidations- und Reduktionsmittel G74 K.4 Ausgleichen einfacher Redoxgleichungen G76 L Reaktionsstöchiometrie G77 Ll Umwandlungen in Molmengen G77 L.2 Umwandlungen in Massen G78 L.3 Maßanalyse G80 M Begrenzende Faktoren von Reaktionen G84 M.l Die Reaktionsausbeute G84 M.2 Ausgangsstoffe als begrenzende Faktoren GS5 M.3 Verbrennungsanalyse G87 1 Atome: Die Welt der Quanten Wie man Atome untersucht Die Merkmale elektromagnetischer Strahlung Strahlung, Quanten und Photonen Der Welle-Teilchen-Dualismus der Materie Die Unschärferelation Wellenfunktionen und Energieniveaus Atomspektren und Energieniveaus Atommodelle Die Hauptquantenzahl Atomorbitale Der Spin des Elektrons Die elektronische Struktur des Wasserstoffs Die Strukturen von Vielelektronen-Atomen Orbitalenergien Das Aufbauprinzip Elektronische Strukturen und das Periodensystem 39

5 VIII Inhaltsverzeichnis 1.4 Die Periodizität atomarer Eigenschaften Atomradien Ionenradien Ionisierungsenergien Elektronenaffinitäten Der Einfluss des inerten Elektronenpaars Schrägbeziehungen Auswirkungen auf die Materialforschung Die Hauptgruppenelemente Die Übergangsmetalle 52 Was Sie jetzt können sollten 54 Übungen 54 Weiterführende Übungen 58 2 Chemische Bindungen Ionenbindungen Die Entstehung von Ionenbindungen Wechselwirkungen zwischen Ionen Die Elektronenkonfiguration von Ionen Lewis-Symbole Kovalente Bindungen Die Natur kovalenter Bindungen Lewis-Formeln Lewis-Formeln vielatomiger Moleküle Resonanz Formalladungen Ausnahmen von der Oktettregel Radikale und Diradikale Erweiterte Valenzschalen Die ungewöhnlichen Strukturen einiger Verbindungen von Elementen der Gruppe 13/ Vergleich von Ionenbindungen und kovalenten Bindungen Eine Korrektur des Modells kovalenter Bindungen: Elektronegativität Eine Korrektur des Modells der Ionenbindung: Polarisierbarkeit Stärke und Länge kovalenter Bindungen Bindungsstärken Typische Werte der Bindungsstärke Bindungslängen 91 Was Sie jetzt können sollten 94 Übungen 94 Weiterführende Übungen 97 Wichtige Analyseverfahren Geometrie und Struktur von Molekülen Das VSEPR-Modell Das VSEPR-Basismodell Moleküle mit freien Elektronenpaaren am Zentralatom Polare Moleküle Die Valence-Bond-Theorie a- und jt-bindungen Die Hybridisierung von Orbitalen Hybridisierung in komplexeren Molekülen Bindungen in Kohlenwasserstoffen Charakteristische Merkmale von Doppelbindungen 123

6 Inhaltsverzeichnis IX 3.3 Die Molekülorbital-Theorie Die Grenzen der Theorie von Lewis Molekülorbitale Die Elektronenkonfiguration zweiatomiger Moleküle Bindungen in heteronuclearen zweiatomigen Molekülen Orbitale in vielatomigen Molekülen Auswirkungen auf die Materialforschung: Die Band-Theorie von Festkörpern 136 Was Sie jetzt können sollten 139 Übungen 139 Weiterführende Übungen 142 Wichtige Analyseverfahren Die Eigenschaften von Gasen Die Natur der Gase Beobachtungen an Gasen Der Druck Alternative Einheiten des Drucks Die Gasgesetze Das Gesetz von Boyle Das Gesetz von Charles und Gay-Lussac Das Prinzip von Avogadro 155 A2A Das ideale Gasgesetz Anwendungen des idealen Gasgesetzes Die Dichte eines Gases Die Stöchiometrie bei Gasreaktionen Gasgemische Molekulare Bewegung Diffusion und Effusion Das kinetische Gasmodell 170 i4.3.3 Die Maxwell'sche Geschwindigkeitsverteilung Reale Gase Abweichungen vom Idealzustand Die Verflüssigung von Gasen Zustandsgieichungen realer Gase 178 Was Sie jetzt können sollten 180 Übungen 180 Weiterführende Übungen 184 Flüssigkeiten und Festkörper 187 f.l Intermolekulare Kräfte Die Bildung kondensierter Phasen Ion-Dipol-Wechselwirkungen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen 190 jf.1.4 London- oder Dispersionswechselwirkungen 192 5,1.5 Die Wasserstoffbrückenbindung Die Struktur von Flüssigkeiten Die Ordnung in Flüssigkeiten Viskosität und Oberflächenspannung 198 Die Strukturen der Festkörper Die Einteilung der Festkörper Metallische Festkörper Elementarzellen Ionische Festkörper Molekulare Festkörper Vernetzte Festkörper 211

7 Inhaltsverzeichnis 5.4 Auswirkungen auf die Materialforschung Die Eigenschaften von Festkörpern Legierungen Flüssigkristalle 218 Was Sie jetzt können sollten 219 Übungen 220 Weiterführende Übungen 223 Wichtige Analyseverfahren Thermodynamik: Der erste Hauptsatz Systeme, Zustände und Energie Systeme Arbeit und Energie Expansive Arbeit Wärme Die Wärmebestimmung Der erste Hauptsatz Zustandsfunktionen Ein molekulares Zwischenspiel: Der Ursprung der inneren Energie Enthalpie Wärmeübertragung bei konstantem Druck Wärmekapazität bei konstantem Druck und Volumen Ein molekulares Zwischenspiel: Der Ursprung der Wärmekapazität von Gasen Die Enthalpie des Phasenübergangs Schmelz- und Siedediagramme Die Enthalpie chemischer Umwandlungen Reaktionsenthalpien Die Beziehung von AH und AU Standard-Reaktionsenthalpien Die Verknüpfung von Reaktionsenthalpien: Der Satz von Hess Die Reaktionswärme Standard-Bildungsenthalpien Der Born-Haber-Kreisprozess Bindungsenthalpien Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenthalpie 276 Was Sie jetzt können sollten 277 Übungen 277 Weiterführende Übungen Thermodynamik: Der zweite und dritte Hauptsatz Entropie Spontane Umwandlungen Entropie und Unordnung Änderungen der Entropie Änderungen der Entropie beim Wechsel des Aggregatzustands Eine Interpretation der Entropie aus molekularer Sicht Die Äquivalenz von statistischer und thermodynamischer Entropie Molare Standardentropien Standard-Reaktionsentropien Globale Änderungen der Entropie Die Systemumgebung Die Entropie des Gesamtsystems Das Gleichgewicht 312

8 Inhaltsverzeichnis XI 7.3 Freie Energie Das System im Mittelpunkt Freie Reaktionsenergie Freie Energie und nichtexpansive Arbeit Der Einfluss der Temperatur Die Änderung der freien Energie in biologischen Systemen 324 Was Sie jetzt können sollten 325 Übungen 325 Weiterführende Übungen Physikalische Gleichgewichte Phasen und Phasenübergänge Der Dampfdruck Flüchtigkeit und intermolekulare Kräfte Die Temperaturabhängigkeit des Dampfdrucks Der Siedevorgang Gefrieren und Schmelzen Phasendiagramme Kritische Eigenschaften Die Löslichkeit Der Lösevorgang auf molekularer Ebene Gleiches löst sich in Gleichem" Druck und Löslichkeit von Gasen: Das Henr/sche Gesetz Temperatur und Löslichkeit Die Lösungsenthalpie Die freie Lösungsenthalpie Kolligative Eigenschaften Die Molalität Dampfdruckerniedrigung Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung Die Osmose Binäre Flüssigkeitsgemische Der Dampfdruck eines binären Flüssigkeitsgemisches Die Destillation Azeotrope Gemische 370 ä Was Sie jetzt können sollten 371 Übungen 372 Weiterführende Übungen 376 Wichtige Analyseverfahren Das chemische Gleichgewicht Reaktionen im Gleichgewicht Die Umkehrbarkeit von chemischen Reaktionen Gleichgewicht und Massenwirkungsgesetz Der thermodynamische Ursprung von Gleichgewichtskonstanten Gleichgewichtskonstanten Die Gleichgewichtskonstante bezogen auf die molare Konzentration von Gasen Andere Formen der Gleichgewichtskonstante Der Umsatz in einer Reaktion Die Richtung einer Reaktion Die Verwendung von Gleichgewichtskonstanten Die Reaktion eines Gleichgewichts auf Veränderungen Zugabe und Entfernung von Ausgangsstoffen und Produkten Komprimierung eines Reaktionsgemischs 410

9 XII Inhaltsverzeichnis Gleichgewicht und Temperatur Katalysatoren und der Erfolg von Haber Auswirkungen auf die biologische Forschung: Selbstregulation 416 Was Sie jetzt können sollten 418 Übungen 418 Weiterführende Übungen Säuren und Basen Das Wesen von Säuren und Basen Der Säure-Base-Begriff nach Bransted und Lowry Lewis-Säuren und -Basen Saure, basische und amphotere Oxide Protonenaustausch zwischen Wassermolekülen Die ph-skala Der poh-wert von Lösungen Schwache Säuren und Basen Säure- und Basenkonstanten Die Wechselbezeichnung konjugierter Säure-Base-Paare Molekulare Struktur und Säurestärke Die Stärke von Oxosäuren Der ph-wert von Lösungen schwacher Säuren und Basen Lösungen schwacher Säuren Lösungen schwacher Basen Der ph-wert von Salzlösungen Mehrwertige Säuren und Basen Der ph-wert von Lösungen einer mehrwertigen Säure Salzlösungen mehrwertiger Säuren Die Konzentration der gelösten Spezies Lösungszusammensetzung und ph-wert Autoprotolyse und ph-wert Stark verdünnte Lösungen von starken Säuren und Basen Stark verdünnte Lösungen von schwachen Säuren 469 Was Sie jetzt können sollten 471 Übungen 471 Weiterführende Übungen Gleichgewichte in wässrigen Lösungen Lösungen und Pufferlösungen Die Funktionsweise von Pufferlösungen Das Entwickeln von Puffersystemen Die Pufferkapazität Titrationen Die Titration einer starken Säure mit einer starken Base Die Titration einer starken Säure mit einer schwachen Base und einer schwachen Säure mit einer starken Base Säure-Base-Indikatoren Die Stöchiometrie bei Titrationen von mehrwertigen Säuren Lösungsgleichgewichte Das Löslichkeitsprodukt Der Einfluss gemeinsamer Ionen - der Eigenioneneffekt Wann fällt ein Salz aus? Die selektive Fällung Wie Niederschläge wieder gelöst werden Die Bildung von Komplexionen Die qualitative Analyse 510 Was Sie jetzt können sollten 512

10 Inhaltsverzeichnis XIII Übungen 513 Weiterführende Übungen Elektrochemie Redoxreaktionen Die Halbreaktion Wie Redoxgleichungen bilanziert werden Galvanische Zellen Der Aufbau galvanischer Zellen Das Zellpotential und die freie Reaktionsenergie Die Schreibweise elektrochemischer Zellen Das Standardpotential Die elektrochemische Spannungsreihe Das Standardpotential und die Gleichgewichtskonstante Die Nernsf sehe Gleichung Ionenselektive Elektroden Elektrolyse Die Elektrolysezelle Die Produkte der Elektrolyse Auswirkungen auf die Materialforschung Anwendungsbeispiele für die Elektrolyse Korrosionsprozesse Elektrochemische Zellen in der Praxis 554 Was Sie jetzt können sollten 559 Übungen 559 Weiterführende Übungen Die Chemische Kinetik Die Reaktionsgeschwindigkeit Konzentration und Reaktionsgeschwindigkeit Die momentane Geschwindigkeit von Reaktionen Geschwindigkeitsgesetze und Reaktionsordnung Konzentration und Zeit Integriertes Geschwindigkeitsgesetz erster Ordnung Halbwertszeiten für Reaktionen erster Ordnung 585 i Integriertes Geschwindigkeitsgesetz zweiter Ordnung Reaktionsmechanismen Elementarreaktionen Geschwindigkeitsgesetze von Elementarreaktionen Kettenreaktionen Reaktionsgeschwindigkeit und Gleichgewicht Reaktionstheorien Der Einfluss der Temperatur Kinetische Stoßtheorie Die Theorie des aktivierten Komplexes Die Beschleunigung von Reaktionen Katalyse Lebende Katalysatoren: Enzyme 614 Was Sie jetzt können sollten 616 Übungen 617 Weiterführende Übungen Die Elemente: Die ersten vier Hauptgruppen Periodische Tendenzen Atomeigenschaften Bindungstendenzen 630

11 XIV Inhaltsverzeichnis 14.2 Wasserstoff Das Element Verbindungen mit Wasserstoff Gruppe 1: Die Alkalimetalle Die Elemente der Gruppe Chemische Eigenschaften der Alkalimetalle Verbindungen von Lithium, Natrium und Kalium Gruppe 2: Die Erdalkalimetalle Die Elemente der Gruppe Verbindungen von Beryllium und Magnesium Verbindungen von Calcium Gruppe 13/111: Die Borfamilie Die Elemente der Gruppe 13/ Oxide der Gruppe 13/ Nitride und Halogenide Borane, Borhydride und Boride Gruppe 14/IV: Die Kohlenstoff-Familie Die Elemente der Gruppe 14/IV Die verschiedenen Formen von Kohlenstoff Silicium, Germanium, Zinn und Blei Oxide von Kohlenstoff Oxide von Silicium: Die Silicate Weitere wichtige Verbindungen der Gruppe 14/IV Auswirkungen auf die Materialforschung Gläser Keramische Werkstoffe 669 Was Sie jetzt können sollten 671 Übungen 671 Integrierte Übungen Die Elemente: Die letzten vier Hauptgruppen Gruppe 15/V: Die Stickstoff-Familie Die Elemente der Gruppe 15/V Verbindungen mit Wasserstoff und den Halogenen Oxide und Oxosäuren von Stickstoff Oxide und Oxosäuren von Phosphor Gruppe 16/VI: Die Sauerstoff-Familie Die Elemente der Gruppe 16/VI Verbindungen mit Wasserstoff Oxide und Oxosäuren von Schwefel Schwefelhalogenide Gruppe 17/VII: Die Halogene Die Elemente der Gruppe 17/VII Verbindungen der Halogene Gruppe 18/VIII: Die Edelgase Die Elemente der Gruppe 18/VIII Verbindungen der Edelgase Auswirkungen auf die Materialforschung Weiche Werkstoffe: Kolloide, Gele und Biomaterialien Phosphore und andere Leuchtstoffe 708 Was Sie jetzt können sollten 710 Übungen 710 Weiterführende Übungen 712

12 Inhaltsverzeichnis XV 16 Die Elemente: Der ri-block Die d-blockelemente und ihre Verbindungen Trends der physikalischen Eigenschaften Trends der chemischen Eigenschaften Ausgewählte Elemente: Ein Überblick Scandium bis Nickel Die Gruppen 11 und Koordinationsverbindungen Koordinationskomplexe Die dreidimensionale Struktur von Komplexen Isomere Die Elektronenstrukturen von Komplexen Kristallfeldtheorie Die spektrochemische Reihe Die Farben von Komplexen Magnetische Eigenschaften von Komplexen Ligandenfeldtheorie Auswirkungen auf die Materialforschung Stahl Nichteisenlegierungen Magnetische Stoffe 754 Was Sie jetzt können sollten 755 Übungen 756 Weiterführende Übungen Kernchemie Der nukleare Zerfall Der Beweis des spontanen nuklearen Zerfalls Kernreaktionen Die Gesetzmäßigkeiten der Kernstabilität Vorhersage der nuklearen Zerfallsart Nukleosynthese Radioaktive Strahlung Biologische Wirkungen von Strahlung Messung der Zerfallsgeschwindigkeit 774 : Verwendung von Radioisotopen Kernenergie Masse-Energie-Umwandlung Kernspaltung Kernfusion Chemie der Kernkraft 788 Was Sie jetzt können sollten 789 Übungen 789 Weiterführende Übungen Organische Chemie I: Die Kohlenwasserstoffe Aliphatische Kohlenwasserstoffe Arten aliphatischer Kohlenwasserstoffe Isomere Die Eigenschaften von Alkanen Substitutionsreaktionen der Alkane Die Eigenschaften von Alkenen Die elektrophile Addition Aromatische Verbindungen Die Nomenklatur der Arene Die elektrophile Substitution 811

13 XVI Inhaltsverzeichnis 18.3 Auswirkungen auf die Materialforschung: Brennstoffe Benzin Steinkohle 816 Was Sie jetzt können sollten 817 Übungen 817 Weiterführende Übungen 820 Wichtige Analyseverfahren Organische Chemie II: Polymere und biologische Verbindungen Wichtige funktioneile Gruppen Halogenalkane Alkohole Ether Phenole Aldehyde und Ketone Carbonsäuren Ester Amine, Aminosäuren und Amide Auswirkungen auf die Materialforschung Additionspolymerisation Kondensationspolymerisation Copolymere und Verbundwerkstoffe Physikalische Eigenschaften von Polymeren Auswirkungen auf die biologische Forschung Proteine Kohlenhydrate Nucleinsäuren 850 Was Sie jetzt können sollten 852 Übungen 853 Weiterführende Übungen 854 Wichtige Analyseverfahren Anhang Anhang Anhang Glossar 895 Antworten Lerntests 929 Antworten Übungen 938 Bildnachweis 977 Sachregister 979