N N N N L L

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1 Periode Hauptgruppen Hauptgruppen Periode Schale I II III IV V VI VII VIII Schale 1,01 4,0 1 l H Periodensystem der Elemente 2 He 1 K 1 2 K 6,94 9,01 10,81 12,01 14,01 16,0 19,0 20, Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 80 9 F 10 Ne 2 K K L L 22,99 24,31 26,98 28,09 30,97 32,07 35,45 39,95 3 ll Na 12 Mg Nebengruppen 13 AI 14 Si 15 P 16 S 17 CI 18 Ar 3 K K L L M 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 26 Ni 29 CU 30Zn 31 Ga 32 Ge 33As 34 Se 35 Br 36 Kr 4 K K L L M M N N 85,47 87,62 88,91 91,22 92,91 95, ,07 102,91 106,42 107,87 112,41 114,82 118,71 121,75 127,60 126,90 131, Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 A g 48 Cd 49 1n 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 J 54 Xe 5 K K L L M M N N ,90 137,33 138,90 178,49 180,95 183,85 186,21 190,2 192,22 195,08 196,97 200,59 204,38 207,2 208, C5 56 Ba 57 La 72 Hf 73 Ta 74W 75 Re lr 78 Pt 79 Au 80 Hg 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 as Ra 89 Ac K Lanthanlden (58 bis 711 und Actmlden (ab 901 Siehe erweitertes PSE (S, XII u, XIII) L (relative Atommassen nach IUPAC-Standardwerten von 1985) M N P Q 1 2 2

2 Paul Scheipers (Hrsg.) Volkher Biese Uwe Bleyer Manfred Bosse Chemie Grundlagen, Anwendungen, Versuche 3. I verbesserte Auflage Mit 135 Bildern 11 Vleweg

3 1. Auflage , verbesserte und erweiterte Auflage 1990 Nachdruck , verbesserte Auflage 1993 Das Buch erschien zum ersten Mal 1981 unter der Herausgeberschaft von Wolfgang Weißbach. Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 1993 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen Satz: Vieweg, Braunschweig Gedruckt auf säurefreiem Papier ISBN ISBN (ebook) DOI /

4 III Vorwort Dieses Lehrbuch wurde auf der Grundlage von Weiß bach, Chemie, völlig neubearbeitet und ftir folgende Schulformen des beruflichen Schulwesens (Ausbildungsrichtung Technik) konzipiert: Berufsfachschulen, Berufsaufbau schule, Fachschule ftir Technik, Fachoberschulen. Das Buch eignet sich außerdem fur Kurse, zur Unterstützung 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 verständlich zu vermitteln. Aus methodischen Gründen hat eine Buchseite zwei Spalten. Die linke Spalte enthält im wesentlichen den erforderlichen Lehrtext (Lehrspalte ). Die rechte Spalte (Ergänzungsspalte ) bleibt Beispielen, Bildern, Vertiefungen, Hinweisen und Versuchen vorbehalten, die den nebenstehenden Text ergänzen. Diese Trennung in Lehr- und Ergänzungsspalte fuhrt zu einer übersichtlichen Systematik, die dem Schüler das Lernen erleichtert. Chemische Versuche werden in der Ergänzungsspalte oder am Ende eines Abschnittes bzw. Kapitels beschrieben. Aufgaben dienen der Wiederholung und Vertiefung. Sie haben unterschiedliche Schwierigkeitsgrade. Naturwissenschaftler und Pädagogen sowie engagierte Beftirworter und Gegner der Kernenergie fordern seit geraumer Zeit, Grundlagenwissen über Kernchemie in naturwissenschaftliche Bücher aufzunehmen. Die Autoren des Buches kommen diesem Wunsch nach, um besonders für Diskussionen über die Kernenergie grundlegendes Sachwissen bereitzustellen. Die überarbeitete 2. Auflage enthält neben Korrekturen und Verbesserungen wichtige Ergänzungen, die sich vor allem mit dem Umwelt- und Arbeitsschutz befassen (Umweltchemikalien; Gesetze und Vorschriften zum Gesundheits- und Arbeitsschutz, wie z. B. "Technische Richtlinienkonzentrationen", TRK, und "Maximale Arbeitsplatzkonzentrationen", MAK). Für Verbesserungs- und Ergänzungsvorschläge sind die Autoren dankbar. Wiesbaden, im August 1'989 Herausgeber und Autoren

5 IV Inhaltsverzeichnis Formelzeichen und Abkürzungen 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 Grundlagen 2.1 Aufgaben der Chemie Chemische und physikalische Vorgänge Materie (Stoff) Materie (Stoff) - Energie (Arbeitsvennögen) Materiesorten - Körper Heterogene und homogene Stoffe Gemische (Mischungen) Homogene und heterogene Gemische Legierungen Lösungen 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 301 Bedeutung 302 Entwicklung 3.3 Atommodelle 3.4 Aufbau 3.5 Bohrsches 306 Orbital 307 Energieschema 308 Kugelwolkenmodell 309 übersicht Aufgaben der Atomlehre für die Chemie 0 der Atomvorstellungen 0 (allgemein) 0 der Atome Größen und Massen der Atome Aufbau der Atome Größen und Massenvergleiche beim Atom 0 Atommodell 0 vorstellungen 0 für die Anordnung der Elektronen in der Atomhülle 0 (KWM) 0 über wichtige Atommodelle Periodensystem der Elemente (PSE) 401 Allgemeines 402 Wichtige 4.3 Erkennen 404 Kraftwirkungen 4.5 Ähnlichkeiten 406 Zusammenfassung 407 Aufgaben Aussagen zum PSE Symbole und Ordnungszahlen Isotope Perioden Gruppen Metalle - Nichtmetalle - Halbmetalle 0 einzelner Elemente 0 auf Elektronen Ionisierungsenergien Elektronegativität (EN) 0 innerhalb der Gruppen Chemische Bindung und Struktur 501 Allgemeines 502 Ursachen 5.3 Kräfte 5.4 Die 5.5 Nichtmetalle chemischer Bindung 0 innerhalb eines Atomverbandes 0 Bindungsarten und deren übergänge 0 mit niedriger Siedetemperatur Elektronenpaarbindung Oktett/Dublett-Regel Molekülstrukturen

7 VI Inhaltsverzeichnis Van-der-Waals-Bindungen Polarisierte Atombindungen Nichtmetalle mit hoher Siedetemperatur - Atomgitter Bildung und Verhalten von Ionen Ionenwertigkeit Grundsätze zur Bildung von Ionen Struktur von Ionenverbindungen Eigenschaften von Ionenverbindungen Hydratation Gitterenergien Metallbindung Bildung und Verhalten der Metallbindung Eigenschaften der Metalle Übersicht Hauptbindungsarten Zusammenfassung Aufgaben Chemische Reaktionen 6.1 Chemische Formeln Chemische Gleichung Gesetz von der Erhaltung der Masse Gesetz der konstanten Massenverhältnisse Gesetz der multiplen Massenverhältnisse Atommasse Atomare Masseneinheit u Relative Atommasse Ar Relative Molekülmasse M r Molare Masse M Stoffmenge n Avogadro-Konstante NA Zusammenhang zwischen molarer Masse, Stoffmenge, Atommasse und Avogadro-Konstante Volumenverhältnisse bei Gasreaktionen Volumengesetz von Gay-Lussac Gesetz von Avogadro Molares Normvolumen V mn Molare Normvolumen realer Gase Thermische Zustandsgleichung der Gase Stöchiometrische Berechnungen Beispiele zu den stöchiometrischen Berechnungen Thermochemische Reaktionen Reaktionsenergie LlUund Reaktionsenthalpie LlH R Exotherme und endotherme Reaktionen

8 Inhaltsverzeichnis VII 6.13 Bildungsenthalpie!:l.H B Einfluß des Aggregatzustandes der Verbindungen Zusammenhang Bildungsenthalpie!:l.H B mit Reaktionsenthalpie!:l.H R Heßscher Satz Verbrennungsenthalpie HeizwertH Aktivierungsenergie E A Zündtemperatur - Mindestzündenergie 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 Einfluß des Druckes auf die Lage des chemischen Gleichgewichts Einfluß der Temperatur auf die Lage des chemischen Gleichgewichts Einfluß der Konzentration auf die Lage des chemischen Gleichgewichts Einflußgrößen der Gleichgewichtseinstellung Einstellung des chemischen Gleichgewichts Einfluß der Temperatur auf die Gleichgewichtseinstellung Einfluß von Katalysatoren Wechselseitiger Einfluß von Druck, Temperatur und Katalysatoren auf das chemische Gleichgewicht am Beispiel der Ammoniak-Synthese Reaktionsgeschwindigkeit Einfluß der Temperatur Einfluß der Konzentration Einfluß des Zerteilungsgrades Massenwirkungsgesetz Reaktionsordnung Massenwirkungsgesetz (Zusammenhänge) Abhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten K p von der Temperatur Abhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten K p vom Druck Kurzfassung wichtiger Begriffe Aufgaben

9 VIII Inhaltsverzeichnis 8 Oxidation und Reduktion (Redox) 8.1 Geschichtliche Entwicklung l Oxidation und Reduktion im allgemeinen Sinne l Oxidationszahl Redoxvorgänge in der Technik Oxidation von Eisen..., Oxidation von Nichteisenmetallen Ursachen für unterschiedliche Oxidschichten Chemische Oxidation von Aluminium Luft Eigenschaften und Zusammensetzung der Luft Wichtige Bestandteile der Luft Spurenstoffe in der Luft Chemische Reaktionen in der Atmosphäre Persistente Stoffe in der Atmosphäre Versuche Aufgaben Säuren, Basen, Salze, ph-werte, Elektrochemie 9.1 Säuren und Basen Defmition nach Arrhenius Definition nach Brönsted Säure-Base-Paar Säure stärke (Basenstärke) Ampholyte Bildung von Säuren (wichtige Möglichkeiten) Wichtige Säuren Salzsäure HCI Schwefelsäure H2 S Kohlensäure H2 C Salpetersäure HN , Bildung von Basen (wichtige Möglichkeiten) Indikatoren Zusammenfassung (Säuren und Basen) Versuche Aufgaben zu Abschnitt 9.1 (Säuren und Basen) Salze Definitionen Entstehung von Salzen Kristallwasser

10 Inhaltsverzeichnis IX Salznamen Wichtige Salze (Auswahl) Zusammenfassung (Salze) Versuche (Salze) Aufgaben zu Abschnitt 9.2 (Salze) ph-werte Erklärung Versuche Aufgaben zu Abschnitt 9.3 (ph-wert) Elektrochemische Vorgänge Allgemeine Bedeutung Stromleitung Elektrolyse Technische Elektrolysen Elektrolytische Abscheidung von Metallen Die Faradayschen Gesetze, elektrochemisches Äquivalent 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) Kettenförmige Kohlenwasserstoffe Gesättigte kettenförmige Kohlenwasserstoffe Ungesättigte kettenförrnige Kohlenwasserstoffe Ringförmige Kohlenwasserstoffe Kohlenwasserstoffe, Übersicht 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 Natürlich 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 Kunststoffübersicht Aufgaben Kernchemie 12.1 Wichtige Elementarteilchen Radioaktivität Natürliche Radioaktivität Künstliche Radioaktivität Biologische Wirkungen radioaktiver Strahlung Kernspaltung Kernenergie durch Spaltprozesse Urananreicherung Leichtwasserreaktoren Wiederaufbereitung Schneller Brüter Hochtemperaturreaktor (HTR) Gesamtübersicht Zusammenfassung Kernverschmelzung (Kernfusion) Aufgaben... ' Anhang: Lösung der Aufgaben

12 Formelzeichen und Abkürzungen c c ~c E E A EN e F p F F Fr H MB M R MV I K,K c K p K I M m m a Meq M r NA n n p p Q P RG T t ~t u ~u V V rnn V X A X rn Xv relative Atommasse elektrochemisches Äquivalent Konzentration Lichtgeschwindigkeit Konzentrationsänderung Energie Aktivierungsenergie Elektronegativität Elektron Schmelzpunkt Faraday-Konstante Kraft relative Formelmasse Heizwert Bildungsenthalpie Reaktionsenthalpie Verbrennungsenthalpie Stromstärke Gleichgewichtskonstante, konzentrationsbezogen Gleichgewichtskonstante, druckbezogen Siedepunkt Länge, Abstand molare Masse Masse absolute Atommasse Äquivalentmasse relative MolekiUmasse A vogadro-konstan te Stoffmenge, Anzahl Neutron Druck Proton elektrische Ladung, Ladungsmenge Dichte Reaktionsgeschwindigkeit Temperatur Zeit Zeitänderung atomare Masseneinheit Reaktionsenergie Volumen molares Normvolumen Gasvolumen Molenbruch Konzentration (Massenverhältnis) Konzentration (Volumenverhältnis)

13 Periodensystem der Elemente Perlodensysteni Erläuterungen: L Ordnungszahl 2. Atomgewicht, bezogen auf 1112 der Masse des Kohlenstofrlsotops ~e der auf der Erde vorkommenden Isotopenmischung. _ 3. Die Punkte machen Angaben über die Dichte der Elemente : ' : Q< 5; ": 5<11< 10; "': 10< (>< 15; : 15< 11< 20;. : 20< (> (jeweils in kg/dm3). 4. Ein* bedeutet, daß das Element nur künstlich erzeugt werden kann. 5. Siedepunkt in oe 6. Schmelzpunkt in oe (As sublimiert bei 613 oe und 760 Torr) 7. Ist das Elementsymbol farbig eingetragen, so sind aue Isotope rad.ioaktiv. 8. Ist der Name des Elementes farbig gedruckt, so handelt es sich um ein EdelmetaU:(Cu. Hg: HalbedelmetaUe). 9. Es bedeutet: 8 (8): Elemente mit (slal'k) basischen Oxiden 5 (5): Elemente mit (slark ) sauren Oxiden 85 : Elemente mit basischen und sauren bzw. amphoteren Oxiden 10. Die Punkte bedeuten Wertigkeiten, und zwar ein schwarzer Punkt eine Haupt wertigkeit, ein farbiger die wichtigste Wertigkeit Die Striche dienen nur dem Abzählen : Vom größeren mittleren Strich aus ist nach oben positiv, nach unten negativ zu zählen. li. Elektronegativität (nach L. Pauling) 12. Elektronenverteilung. Sie entspricht dem Gru.ndzustand. Farbig angegebene Elektronen sind für das chemische Verhalten maßgeblich. 13. Die schwarze Linie bedeutet die Grenze zw ' chen Metallen und Nichtmetillien. Sie spaltet sich bei den Halbmetallen auf. Angegeben sind jeweils die wichtigsten Mo' dijikat.ionen (z.b. gilt für C : Graphit: Halbmetall, Diamant: Nichtmetall). 14. Die farbige Linie bedeutet die Grenze zwischen (bei 20 C) gasförmigen und festen Elementen (mit zwei Ausnahmen: Sr, Hg sind nüssig).

14 der Elemente I I 111 a I IV a I Va gruppen VI a I~ 1 gasförmig fesi bel 20 C (Ausnahme: 8r, Hg: flosslg) Nichtmetall Halbmelall Melall = 1!.OOOj1' "-' 10 2OJ83 i B ~ C ~ ~ N ~ ~ 0 ~ I I ~ F ~ ~ Ne ~ Bo< ~ :::: s.:r Auo< Neon 2 ~2ß :! ~2.;--" ~3~ ~ 12h5 ;:;121.:0 ' 121 i fk j;'"tf b'2i :231 ~ ~.li!j jf t!1il2eji81 14 _ 11 ~' !\ _ ~ AI i I Si ~ ~ p 'i i S ~ ; CI ~ i Ar ~ Alu O~. Pbos Sd>we ~,.... minil"tm m phot; tel ~ -= <.V""" g-ru-p-p-e-n ,ß ~ I~!ß~.;-'~s 2.1 ~~~ ~~ 3.0 :;~-K ---::-:-:---r-:-:-:-.-:-::-:----r--:-:-+~:.: r_- r-,-h L IV b I V b V I b VII b VIII b I b 11 b 2 I M nach Rainer Engelhard

15 Gefährliche Umweltchemikalien (Auswahl) Asbest Asbest ist ein natürlich vorkommendes Fasermaterial. Die gebräuchlichen Asbestarten können als Staubteilchen in die Lunge geraten und zu schweren Erkrankungen führen (z. B. Asbestose, Krebs). Benzol (C 6 H 6 ) Benzol dient u. a. als Ausgangsstoff für viele Substanzen, Lösemittel und Zusatzstoff im Benzin. Es wirkt giftig und krebserregend (... Abschnitt ). Blei (Pb) Blei und Bleiverbindungen (z. B. Mennige, Antiklopfmittel) sind besonders in staubförmiger oder gelöster Form Umweltgifte. Blei sammelt sich im Körper an und erhöht den Bleispiegel. Bleivergiftungen können u. a. zu Verdauungsstörungen, Nierenschäden und Hirnschäden führen. Cadmium (Cd) Cadmium kommt u. a. in Batterien, Legierungen und Farbpigmenten vor. Es reichert sich im menschlichen Körper an und schädigt Lunge, Nieren und Knochen. Dioxin (Tetrachlordiobenzdioxin, TCDD) Dioxin ist eine hochgiftige Substanz und verursacht schwere Hautschäden. Außerdem schädigt es besonders ungeborenes Leben. Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) Bei den FCKW's handelt es sich um Kohlenwasserstoffe (... Abschnitt 10.4), die Wasserstoffatome durch Fluor und Chlor ersetzen (meistens CFCl 3 oder CF 2 C2). Sie werden verwendet z. B. als Treibgas in Spraydosen, Kältemittel in Küh1schränken und Treibmittel beim Kunststoffverschäumen. Sie sind chemisch sehr stabil, stellen sich aber zunehmend als Belastung flir die Ozonschicht in der hohen Lufthülle heraus (... Abschnitt ). Die Folge ist eine Zunahme der Hautkrebshäufigkeit. Formaldehyd (HCHO) Formaldehyd ist ein stechend riechendes Gas, das für viele chemische Produkte verwendet wird. Es wirkt giftig und krebserregend. Kohlendioxid (C02 ) Kohlendioxid entsteht bei der Atmung und Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kohle, Erdöl, Erdgas, Holz). In kleinen Konzentrationen ist es ungiftig. Hohe Konzentrationen wirken betäubend und erstickend. Ein Ansteigen des CO2-Anteiles in der Lufthülle fördert den sogenannten Treibhauseffekt (... Abschnitte und ). Ozon (03 ) Ozon entsteht in Erdnähe unter Einfluß von Sonnenlicht, Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen und in höheren Schichten durch Einwirkung ultravioletter Strahlung (Ozonschicht). In Erdnähe ist Ozon für Pflanzen, Tiere und Menschen fast in jeder Konzentration schädlich. In der Ozonschicht mtert es die harte, energiereiche Strahlung der Sonne weitgehend ab. (Vergleiche Kohlendioxid) Quecksilber (Hg) Quecksilber ist ein flüssiges Metall, das sich als Element oder in Form von Verbindungen im Körper anreichert und zu Nerven- und Nierenschäden führt. Schwefeldioxid (S02 ) Schwefeldioxid entsteht vor allem bei der Verbrennung von Kohle. Es bildet nach einer Verbindung mit Wasser Säure, die als Saurer Regen für Waldschäden mit verantwortlich ist. Stickoxide (NOx) Stickoxide bilden sich besonders in Mikroorganismen und bei Verbrennungen mit hohen Temperaturen, z. B. in Kohlekraftwerken und Automotoren. In der Atmosphäre können sie weiter zu Säure reagieren oder durch photochemische Prozesse in Erdnähe Ozon erzeugen.