,62 88,91 91,22 92,91 95,94 ( ,07 102, , ,82 118,71 121,75 127,60 126,90 131,29

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1 Periode Hauptgruppen Hauptgruppen Periode Schale I II III IV V VI VII VIII Schale 1,01 4,0 1 lh Periodensystem der Elemente 2He 1 K 1 2 K 6,94 9,01 10,81 12,01 14,01 16,0 19,0 20, Li 4Be 5 B 6 C 7N F lone 2 ~2 K K L L 22,99 24,3 1 26,98 28,09 30,97 32, , Na 12Mg Nebengruppen 13 AI 14Si 15 P 16 S 17 CI 18 Ar 3 K K L L M 1 2 III IV V VI VII VIII I II M 39,10 40,08 44,96 47,88 50,94 52,0 54,94 55,85 58,93 58,69 63,55 65,39 69,72 72,61 74,92 78,96 79,90 83, K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 3JAs 34Se 35 Br 36 Kr 4 K K L L M M N N ,62 88,91 91,22 92,91 95,94 ( ,07 102, , ,82 118,71 121,75 127,60 126,90 131, Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 A g 48 Cd 491n 50 Sn 51 Sb 52 Te 53J 54 Xe 5 K K L L M M N N ,90 137,33 138, ,95 183,85 186,21 190,2 192,22 195,08 196,97 200,59 204,38 207,2 208,98 ( CS 56 Ba 57 La 72Hf 73 Ta 74 W 75 Re 760S 77 Ir 78 Pt 79 Au oohg 81 TI 82 Pb 83 Bi 84 Po 85At 86 Rn 6 K K L L M M N N , ' P P ,03 227, Fr 88 Ra 89.Ac K Lanthaniden (58 bis 71) und Actiniden (ab 90) siehe erweitertes PSE (S, XII u. XIII) L (relative Atommassen nach IUPAC Standardwerten von 1985) M N P 8 8 9

2 Paul Scheipers (Hrsg.) Volkher Biese Uwe Bleyer Manfred Bosse Chemie Grundlagen, Anwendungen, Versuche 2., verbesserte und erweiterte Auflage Mit 135 Bildem Vieweg & 80ha Braunschweig / Wiesbaden

3 CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Biese, Volkher: Chemie: Grundlagen, Anwendungen, Versuche/ Volkher Biese; Uwe BIeyer; Manfred Bosse. Paul Scheipers (Hrsg.). - 2., verb. u. erw. Aufl. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1990 (Viewegs Fachbiicher der Technik) 1. Aufl. u. d. T.: Chemie ISBN-13: e-isbn-13: DOl: / NE: BIeyer, Uwe:; Bosse, Manfred: 1. Auflage , verbesserte und erweiterte Auflage 1990 Das Buch erschien zum ersten Ma11981 unter der Herausgeberschaft von Wolfgang Weillbach. Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International. AIle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1990 Das Werk einschlieblich alier seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuhissig und strafbar. Das gilt insbesondere fiir Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen

4 III Vorwort Dieses Lehrbuch wurde auf der Grundlage von WeiBbach, Chemie, v611ig neubearbeitet und fur folgende Schulformen des beruflichen Schulwesens (Ausbildungsrichtung Technik) konzipiert: Berufsfachschulen, Berufsaufbauschule, Fachschule fur Technik, Fachoberschulen. Das Buch eignet sich au~erdem fur Kurse, zur Untersttitzung von Fernstudien und zum Selbststudium. Ziel des Buches ist es, chemisches Grundwissen in enger Beziehung zu Erfahrungen in der Alltags- und Berufswelt und zu Erkenntnissen in der Wissenschaft anschaulich und verstiindlich zu vermitteln. Aus methodischen Griinden hat eine Buchseite zwei Spalten. Die linke Spalte enthalt im wesentlichen den erforderlichen Lehrtext (Lehrspalte). Die rechte Spalte (Ergiinzungsspalte) bleibt Beispielen, Bildern, Vertiefungen, Hinweisen und Versuchen vorbehalten, die den nebenstehenden Text ergiinzen. Diese Trennung in Lehr- und Erganzungsspalte fuhrt zu einer tibersichtlichen Systematik, die dem Schiller das Lernen erleichtert. Chemische Versuche werden in der Ergiinzungsspalte oder am Ende eines Abschnittes bzw. Kapitels beschrieben. Aufgaben dienen der Wiederholung und Vertiefung. Sie haben unterschiedliche Schwierigkeitsgrade. Naturwissenschaftler und Padagogen ~owie engagierte BefUrworter und Gegner der Kernenergie fordern seit geraumer Zeit, Grundlagenwissen tiber Kernchemie in naturwissenschaftliche Bticher aufzunehmen. Die Autoren des Buches kommen diesem Wunsch nach, urn besonders fur Diskussionen tiber die Kernenergie grundlegendes Sachwissen bereitzustellen. Die tiberarbeitete 2. Auflage enthalt neben Korrekturen und Verbesserungen wichtige Ergiinzungen, die sich vor allem mit dem Umwelt- und Arbeitsschutz befassen (Umweltchemikalien; Gesetze und Vorschriften zurn Gesundheits- und Arbeitsschutz, wie z. B. "Technische Richtlinienkonzentrationen", TRK, und "Maximale Arbeitsplatzkonzentrationen", MAK). FUr Verbesserungs- und Erganzungsvorschlage sind die Autoren dankbar. Wiesbaden, im August 1989 Herausgeber und Autoren

5 IV Inhaltsveneichnis Formelzeichen und Abkiirzungen XI Periodensystem der Elemente XII 1 Einleitung 1.1 Allgemeine Einftihrung Wichtige Gesetze und Vorschriften zum Gesundheits- und Arbeitsschutz Gefahrensymbole (Auswahl) Gefahrenklassen Umweltbelastungen Zusammenfassung Aufgaben Gmndl~gen 2.1 Aufgaben der Chemie Chemische und physikalische Vorglinge Materie (Stoff) Materie (Stoff) - Energie (Arbeitsvermogen) Materiesorten - K6rper Heterogene und homogene Stoffe Gemische (Mischungen) Homogene und heterogene Gemische Legierungen L6sungen Trennung von Stoffgemischen Reine Stoffe Reinheitsgrad Physikalische Eigenschaften von reinen Stoffen Chemische Eigenschaften von reinen Stoffen Zerlegen von reinen Stoffen Unterscheidung von Stoffgemischen und chemischen Verbindungen Analyse - Synthese Aufgaben... 30

6 Inhaltsverzeichnis v 3 Atomlehre 3.1 Bedeutung der Atomlehre fiir die Chemie Entwicklung der Atomvorstellungen Atommodelle (allgemein) Aufbau der Atome Gr6~en und Massen der Atome Aufbau der Atome Gr6~en und Massenvergleiche beim Atom Bohrsches Atommodell Orbitalvorstellungen Energieschema fiir die Anordnung der Elektronen in der Atomhiille Kugelwolkenmodell (KWM) Obersicht liber wichtige Atommodelle Aufgaben Periodensystem der Elemente (PSE) 4.1 Allgemeines Wichtige Aussagen zum PSE Symbole und Ordnungszahlen Isotope Perioden Gruppen...'... ' Metalle - Nichtmetalle - Halbmetalle Erkennen einzelner Elemente Kraftwirkungen auf Elektronen Ionisierungsenergien Elektronegativitat (EN) Ahnlichkeiten innerhalb der Gruppen Zusammenfassung Aufgaben Chemische Bindung und Struktur 5.1 Allgemeines Ursachen chemischer Bindung Krafte innerhalb eines Atomverbandes Die Bindungsarten und deren tibergange Nichtmetalle mit niedriger Siedetemperatur Elektronenpaarbindung Oktett/Dublett-Regel Molekiilstrukturen

7 VI Inhaltsverzeichnis Van-der-Waals-Bindungen Polarisierte Atombindungen Nichtmetalle mit hoher Siedetemperatur - Atomgitter.... Bildung und Verhalten von Ionen Ionenwertigkeit Grundsatze zur Bildung von Ionen Struktur von Ionenverbindungen Eigenschaften von Ionenverbindungen Hydratation Gitterenergien.... Metallbindung Bildung und Verhalten der Metallbindung Eigenschaften der Metalle.... tlbersicht Hauptbindungsarten.... Zusammenfassung.... Aufgaben Chemische Reaktionen Chemische Formeln.... Chemische Gleichung.... Gesetz von der Erhaltung der Masse Gesetz der konstanten Massenverhaltnisse Gesetz der multiplen Massenverhaltnisse.... Atommasse Atomare Masseneinheit u Relative Atommasse Ar.... Relative Molekillmasse Mr.... Molare Masse M.... Stoffmenge n Avogadro-Konstante N A Zusarnmenhang zwischen molarer Masse, Stoffmenge, Atommasse und Avogadro-Konstante.... VolumenverhaItnisse bei Gasreaktionen Volumengesetz von Gay-Lussac Gesetz von Avogadro Molares Normvolumen V mn Molare Normvolumen realer Gase.... Thermische Zustandsgleichung der Gase.... Stochiometrische Berechnungen.... Beispiele zu den stochiometrischen Berechnungen.... Thermochemische Reaktionen Reaktionsenergie bou und Reaktionsenthalpie bohr Exotherme und endotherme Reaktionen

8 Inhaltsverzeichnis VII 6.13 Bildungsenthalpie!1H EinfluB des Aggregatzustandes der Verbindungen Zusammenhang Bildungsenthalpie!1H8 mit Reaktionsenthalpie!1HR HeBscher Satz Verbrennungsenthalpie Heizwert H Aktivierungsenergie EA Ziindtemperatur - Mindestziindenergie Aufgaben Kurzfassung wichtiger Begriffe Chemisches Gleichgewicht und Massenwirkungsgesetz 7.1 Chemisches Gleichgewicht Umkehrbarkeit chemischer Reaktionen Chemisches Gleichgewicht (Begriff) Lage des chemischen Gleichgewichtes Wirtschaftlichkeit von chemischen Reaktionen Verschiebung des chemischen Gleichgewichts Prinzip von Le Chatelier und Braun EinfluB des Druckes auf die Lage des chemischen Gleichgewichts EinfluB der Temperatur auf die Lage des chemischen Gleichgewichts EinfluB der Konzentration auf die Lage des chemischen Gleichgewichts EinfluBgr6Ben der Gleichgewichtseinstellung Einstellung des chemischen Gleichgewichts EinfluB der Temperatur auf die Gleichgewichtseinstellung EinfluB von Katalysatoren Wechselseitiger EinfluB von Druck, Temperatur und Katalysatoren auf das chemische Gleichgewicht am Beispiel der Ammoniak-Synthese Reaktionsgeschwindigkeit EinfluB der Temperatur EinfluB der Konzentration EinfluB des Zerteilungsgrades Massenwirkungsgesetz Reaktionsordnung Massenwirkungsgesetz (Zusammenhiinge) Abhiingigkeit der Gleichgewichtskonstanten Kp von der Temperatur Abhiingigkeit der Gleichgewichtskonstanten Kp yom Druck Kurzfassung wichtiger Begriffe Aufgaben

9 VIII Inhal tsverzeichnis 8 Oxidation und Reduktion (Redox) 8.1 Geschichtliche Entwicklung Oxidation und Reduktion im allgemeinen Sinne Oxidationszahl Redoxvorgange in der Technik Oxidation von Eisen Oxidation von Nichteisenmetallen Ursachen flit unterschiedliche Oxidschichten Chernische Oxidation von Aluminium Luft Eigenschaften und Zusammensetzung der Luft Wichtige Bestandteile der Luft Spurenstoffe in der Luft Chernische Reaktionen in der Atmosphlire Persistente Stoffe in der Atmosphlire Versuche Aufgaben Siiuren, Basen, Salze, ph -Werte, Elektrochemie 9.1 Sliuren und Basen Defmition nach Arrhenius Defmition nach Bronsted Sliure-Base-Paar Sliurestlirke (Basenstlirke) Ampholyte Bildung von Sliuren (wichtige Moglichkeiten) Wichtige Sliuren Salzsliure HCl Schwefelsliure H2 S Kohlensliure H2 C Salpetersliure HN Bildung von Basen (wichtige Moglichkeiten) Indikatoren Zusammenfassung (Sliuren und Basen) Versuche Aufgaben zu Abschnitt 9.1 (Sliuren und Basen) Salze Defmitionen Entstehung von Salzen Kristallwasser

10 Inhaltsverzeichnis IX Salznamen Wichtige Salze (Auswahl) Zusammenfassung (Salze) Versuche (Salze) Aufgaben zu Abschnitt 9.2 (Salze) ph-werte ErkHirung Versuche Aufgaben zu Abschnitt 9.3 (ph-wert) Elektrochemische Vorgiinge Allgemeine Bedeutung Stromleitung Elektrolyse Technische Elektrolysen Elektrolytische Abscheidung von Metallen Die Faradayschen Gesetze, elektrochemisches Xquivalent Galvanisches Element Elektrochemische Spannungsreihe Aufbau galvanischer Elemente Elektrochemische Korrosion Korrosionsschutz Zusammenfassung (Elektrochemie) Versuche (Elektrochemie) Aufgaben zu Abschnitt 9.4 (Elektrochemie) Der Kohlenstoff und seine Verbindungen 10.1 Bedeutung der Kohlenstoffchemie Das Kohlenstoffatom Der elementare Kohlenstoff Graphit Diamant Kohlenwasserstoffe (KW) Kettenforrnige Kohlenwasserstoffe Geslittigte kettenforrnige Kohlenwasserstoffe Ungeslittigte kettenforrnige Kohlenwasserstoffe Ringformige Kohlenwasserstoffe Kohlenwasserstoffe, Obersicht Funktionelle Gruppen Organische Reaktionsformen Addition Substitution Hydrierung (Sonderfall der Addition) Esterbildung (Substitution) Verseifung (Hydrolyse)

11 x Inhaltsverzeichnis Kondensation (Substitution) Polymerisation (Addition) Versuche Aufgaben Kunststoffe 11.1 Unterscheidung der Kunststoffe nach ihrer Herkunft Nattirlich bestehende makromolekulare Stoffe Abgewandelte Naturstoffe (halbsynthetische Kunststoffe) Vollsynthetische Kunststoffe (Kunststoffe, Synthesekautschuke Unterscheidung der Kunststoffe nach den Herstellungsverfahren Polymerisation Polykondensation Polyaddition Unterscheidung der Kunststoffe nach ihrem thermischen Verhalten Thermoplaste (plastomere) Duroplaste (Duromere) Elastoplaste (Elastomere) Neuartige Kunststoffe Kunststoffubersicht Aufgaben Kernchemie 12.1 Wichtige Elementarteilchen Radioaktivitat Nattirliche Radioaktivitat Kiinstliche Radioaktivitat Biologische Wirkungen radioaktiver Strahlung Kernspaltung Kernenergie durch Spaltprozesse Urananreicherung Leichtwasserreaktoren Wiederautbereitung Schneller Bruter Hochtemperaturreaktor (HTR) Gesamtiibersicht Zusammenfassung Kernverschmelzung (Kernfusion) Aufgaben Anhang: Losung der Aufgaben Sachwortverzeichnis

12 Formelzeichen und Abkiinungen c c flc E EA EN e Fp F F Fr H MIs MlR Mlv I K,K c Kp K I M m ma Meq Mr NA n n p p Q P RG T t!:!..t u!:!..u V Vmn Ii X A Xm Xv relative Atommasse elektrochemisches Aquivalent Konzentration Lichtgeschwindigkeit Konzentrationsanderung Energie Aktivierungsenergie Elektronegativitiit Elektron Schrnelzpunkt Faraday -Konstante Kraft relative Fonnelmasse Heizwert Bildungsenthalpie Reaktionsenthalpie Verbrennungsenthalpie Stromstiirke Gleichgewich tskonstan te, konzentrationsbezogen Gleichgewichtskonstante, druckbezogen Siedepunkt Lange, Abstand molare Masse Masse absolute Atommasse Aquivalentmasse relative Molektilmasse Avogadro-Konstante Stoffmenge,Anzahl Neutron Druck Proton elektrische Ladung, Ladungsmenge Dichte Reaktionsgeschwindigkeit Temperatur Zeit Zeitiinderung atomare Masseneinheit Reaktionsenergie Volumen molares Nonnvolumen Gasvolumen Molenbruch Konzentration (Massenverhiiltnis) Konzentration (Volumenverhiiltnis)

13 Periodensystem der Elemente Periodensystem Erliiul rung n: I. Ordnung zahl 2. Atomg wi hi, b zogen auf VI2 der Mas e de Kohienslolllsotop ~C d r Buf d r Erde vorkommend n I olop nmi chung. 3. Di Punkle mach n Angab n ro b r di Dichl d r EI m nl : ' : (1< 5; " :5< (1 < 10' "': 10< 11< 15;...:15< p< 20;...:20 < (1 (j wei Is in kgldm3). 4. Ein" b d ul I, dab da Elemenl nur kgn Uich erzeugl w erd n kann.

14 der Elemente ga510rm09 lest b< 20 C (Ausnahme Sr, Hg.flussog) NichtmetaD Halbrnetall Metall 2 nach Rainer Engelhard

15 Gefahrliche Umweltchemikalien (Auswahl) Asbest Asbest ist ein natiirlich vorkommendes Fasermaterial. Die gebrauchlichen Asbestarten konnen als Staub teilchen in die Lunge geraten und zu schweren Erkrankungen fuhren (z. B. Asbestose, Krebs). Benzol (C 6 H 6 ) Benzol dient u. a. als Ausgangsstoff fur viele Substanzen, Uisemittel und Zusatzstoff im Benzin. Es wirkt giftig und krebserregend (-+ Abschnitt ). Blei (Pb) Blei und Bleiverbindungen (z. B. Mennige, Antiklopfmittel) sind besonders in staubfiirmiger oder geloster Form Umweltgifte. Blei sammelt sich im Korper an und erhoht den Bleispiegel. Bleivergiftungen konnen u. a. zu Verdauungsstorungen, Nierenschaden und Hirnschiiden fuhren. Cadmium (Cd) Cadmium kommt u. a. in Batterien, Legierungen und Farbpigmenten vor. Es reichert sich im menschlichen Korper an und schadigt Lunge, Nieren und Knochen. Dioxin (Tetrachlordibenzdioxin, TCDD) Dioxin ist ein hochgiftige Substanz und verursacht schwere Hautschaden. AuBerdem schadigt es besonders ungeborenes Leben. F1uorchiorkohienwasserstoffe (FCKW) Bei den FCKW's handelt es sich urn Kohlenwasserstoffe (-+ Abschnitt 10.4), die Wasserstoffatome durch Fluor und Chlor ersetzen (meistens CFCI 3 oder CF2C2). Sie werden verwendet z. B. als Treibgas in Spray dosen, Kaltemittel in Kiihlschranken und Treibmittel beim Kunststoffverschaumen. Sie sind chemisch sehr stabil und ungiftig, stellen sich aber zunehmend als Belastung fur die Ozonschicht in der hohen Lufthiille heraus (-+ Abschnitt ). Die Folge ist eine Zunahme der Hautkrebshaufigkeit. Formaldehyd (HCHO) Formaldehyd ist ein stechend riechendes Gas, das fur viele chemische Produkte verwendet wird. Es wirkt giftig und krebserregend. Kohiendioxid (C02) Kohlendioxid entsteht bei der Atmung und Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kohle, Erdol, Erdgas, Holz). In kleinen Konzentrationen ist es ungiftig. Hohe Konzentrationen wirken betaubend und erstickend. Ein Ansteigen des CO2-Anteiles in der Lufthiille fordert den sogenannten Treibhauseffekt (... Abschnitte und ). Ozon (03 ) Ozon entsteht in Erdnahe unter EinfluB von Sonnenlicht, Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen und in hoheren Schichten durch Einwirkung ultravioletter Strahlung (Ozonschicht). In Erdnahe ist Ozon fur Pflanzen, Tiere und Menschen fast in jeder Konzentration schadlich. In der Ozonschicht filtert es die harte, energiereiche Strahlung der Sonne weitgehend abo (Vergleiche Kohlendioxid) Quecksilber (Hg) Quecksilber ist ein fliissiges Metall, das sich als Element oder in Form von Verbindungen im Korper anreichert und zu Nerven- und Nierenschaden fuhrt. Schwefeldioxid (S02) Schwefeldioxid entsteht vor allem bei der Verbrennung von Kohle. Es bildet nach einer Verbindung mit Wasser Saure, die als Saurer Regen fur Waldschaden mit verantwortlich ist. Stick oxide (NOx) Stickoxide bilden sich besonders in Mikroorganismen und bei Verbrennungen mit hohen Temperaturen, z. B. in Kohlekraftwerken und Automotoren. In der Atmosphare konnen sie weiter zu Saure reagieren oder durch photochemische Prozesse in Erdnahe Ozon erzeugen.