Grundwissen für technische Berufe

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1 Grundwissen für technische Berufe Dr. Gisela Katzer Prof. Dr. Franz Katzer Handwerk und Technik Hamburg

2 Einleitung 11 1 Chemie und Physik Arbeitsgebiete der Chemie und der Physik Physik und physikalischer Vorgang Änderungen des Aggregatzustandes als Beispiel für physikalische Vorgänge Chemie und chemischer Vorgang Chemische Eigenschaften Änderung von Eigenschaften als Merkmale eines chemischen Vorgangs Stoffe Einteilung der Stoffe nach Vorkommen und Verwendung Aggregatzustände von Stoffen Gase Flüssigkeiten Festkörper Zusammensetzung von Stoffen Einteilung der Stoffe nach der Zusammensetzung Gemische/Gemenge Reine Stoffe 25 3 Bau der Atome Geschichtliches Elementarteilchen und Bau des Atomkerns Protonen Neutronen Elektronen Absolute und relative Atommasse Relative Molekülmasse Das Mol als Teilchen- oder Stoff menge Beziehung zwischen AVOGADROscher und LOSCHMIDTscher Konstante Bau der Atomhülle 38 4 Periodensystem Periodizität der Eigenschaften Periodizität des Atombaus Energiestufen der Elektronen Periodizität des Atomvolumens 49 5 Primäre chemische Bindungen SO 5.1 Elektronenpaarbildung durch Spinkopplung Wirkung der elektrostatischen Kräfte auf das bindende Elektronenpaar lonenbindung oder lonenbeziehung (heteropolare Bindung) Bildung von Ionen lonenwertigkeit Elektronegativität Struktur von lonenverbindungen im festen Zustand - lonengitter 57 3

3 5.4 Atombindung (kovalente oder homöopolare Bindung) Bildung gemeinsamer Elektronenpaare Unpolare Atombindung Bindigkeit unpolarer Moleküle Bindungsenergie und Gitterenergie unpolarer Stoffe Struktur von unpolaren Molekülen im festen Zustand - Molekülgitter Polare Atombindung Bindigkeit polarer Moleküle und formale Oxidationszahl Gestalt von Molekülen Metallbindung Übergänge zwischen den Bindungsarten 71 6 Sekundäre Bindungen Nahkräfte zwischen den Molekülen Polare Moleküle - Dipolmoleküle Einteilung der zwischenmolekularen Kräfte Pol-Orientierungskräfte (KEESOM-Kräfte) Induktionskräfte (DEBYE-Kräfte) Dispersionskräfte (LONDON-Kräfte) Wasserstoffbrückenbindung 78 7 Einige Elemente des Periodensystems Nichtmetalle Bildung von Säuren Zusammensetzung der Säuren Sauerstofffreie Säuren Sauerstoffhaltige Säuren Flüchtige und schwerflüchtige Säuren Starke und schwache Säuren - Dissoziation und Hydratation Reaktion von verdünnten Säuren mit Metallen Oxidierende Säuren Metalle Kristallstruktur Allgemeine Eigenschaften der Metalle Legierbarkeit Einteilung und Verwendung der Metalle Oxidation von Metallen Metallhydroxide, Basen, Laugen Salze als lonenverbindungen zwischen Metallen und Nichtmetallen Stöchiometrische Berechnungen Grundlegende Gesetze Schrittfolge beim chemischen Rechnen Rechenbeispiel für teilweisen Umsatz der Ausgangsstoffe Rechenbeispiel für den Volumenumsatz Rechenbeispiel für die Metallgewinnung aus Erzen Aufgaben zur Stöchiometrie 118 4

4 9 Bedingungen für den Abiauf chemischer Reaktionen Reaktionswärme und Reaktionsenthalpie Exotherme Reaktionen - Verbrennungsenthalpie Standardbildungsenthalpie Rechnerische Bestimmung der Standard-Bildungsenthalpie Aktivierung Endotherme Reaktionen Katalyse - Katalysatoren Weitere Bedingungen für den Ablauf chemischer Vorgänge Reaktionstypen anorganischer Verbindungen Radikalreaktionen lonenreaktionen Protonenübergänge (Protolyse) oder Säure-Base-Reaktionen Redoxreaktionen Chemisches Gleichgewicht Richtung und Umkehrbarkeit einer Reaktion - Prinzip vom kleinsten Zwang Gleichgewicht zwischen Hin- und Rückreaktion Massenwirkungsgesetz Berechnung der Gleichgewichtskonstante K c Verallgemeinerung des Massenwirkungsgesetzes Bildung von Jodwasserstoffsäure Dissoziationskonstante von Elektrolyten lonenprodukt des Wassers und ph-wert Indikatoren Chemisch-technische Prozesse - Anwendung des Massenwirkungsgesetzes in der chemischen Technologie und Metallurgie Erzeugung von Schwefelsäure im Kontaktverfahren Erzeugung von Wassergas Erzeugung von Ammoniak nach dem HABER-BOSCH-Verfahren BOUDOUARDsches Gleichgewicht Ausnutzung des BOUDOUARDschen Gleichgewichts bei der Erzeugung von Metallen Gewinnung von Roheisen im Hochofenprozeß Vorbehandlung der Eisenerze Beschickung des Hochofens Chemische Vorgänge im Hochofen Produkte des Hochofens Weiterverarbeitung des Roheisens zu Eisengußwerkstoffen Einteilung der Eisenwerkstoffe Weißes Roheisen, Hartguß, Temperguß Graues Roheisen und Grauguß 157 5

5 13.4 Weiterverarbeitung des Roheisens zu Stahl Begleitelemente des Eisens Chemische Vorgänge bei der Stahlerzeugung Erzeugung von Stahl durch das Blasstahlverfahren (LD-Verfahren) im Konverter Weitere Verfahren der Stahlerzeugung Desoxidation von Stahlschmelzen Einteilung der Stähle Gewinnung von Kupfer, Zink und Blei Elektrochemie Elektrochemische Vorgänge Spannungsreihe der Metalle Halbelemente Galvanisches Element Normalwasserstoffelektrode und Standardpotentiale Polarisation, Überspannung und Passivität Primär- und Sekundärelemente Galvanische Spannungsquellen Primärelemente Sekundärelemente (Sammler oder Akkumulatoren) Brennstoffzellen Korrosionsvorgänge und Korrosionsschutz Definition Elektrochemische Korrosion zwischen zwei verschiedenen Metallen Rosten des Eisens Korrosion von kaltgeformtem Stahl Korrosionsschutz Elektrolyse Wesen der Elektrolyse Zersetzungsspannung Wasserzersetzung mit Schwefelsäure Elektrolyse von Kochsalzlösung Galvanisieren Wasser Eigenschaften des Wassers Wasser als Lösungsmittel und Einteilung der Lösungen Konzentration von Lösungen - Löslichkeit Vorgänge beim Lösen Vorkommen und Bedeutung des Wassers Trinkwasser Aufbereitung des Trinkwassers Wasserhärte Enthärtung des Wassers Abwasserbeiastung und Abwasserbehandlung Wasser- und Bodenverseuchung durch Mülldeponien 202 6

6 16 Luft Bestandteile der Luft Sauerstoff Eigenschaften und Bedeutung Verwendung von Sauerstoff Stickstoff Luftverflüssigung Das natürliche C Gleichgewicht Kohlenstoffdioxid und Treibhauseffekt Ozongleichgewicht und Ozonabbau Organische Chemie Zum Begriff organische Chemie" Bindungsmöglichkeiten des Kohlenstoffs Bindungen des Kohlenstoffs mit anderen Elementen Bindungen zwischen C-Atomen Allgemeine Eigenschaften von organischen Stoffen Organische Reaktionen Aliphatische oder acyclische Kohlenwasserstoffe Alkane oder Paraffine Kettenisomerie Alkene und Olefine Alkine Cycloalkane oder Naphthene Chloralkane und andere Halogenverbindungen der Kohlenwasserstoffe Stellungsisomerie \ Nitroalkane Amine Kettenförmige Alkanole oder Alkohole Alkanale oder Aldehyde Alkanone oder Ketone Ether Carbonsäuren oder Fettsäuren Allgemeiner Aufbau Gesättigte Carbonsäuren oder Alkansäuren Ungesättigte Carbonsäuren oder Alkensäuren Dicarbonsäuren Verbindungen der Carbonsäuren Ester der Carbonsäuren Natürliche Fette und Öle - Fetthärtung Natürliche Seifen und Waschmittel Synthetische oberflächenaktive Stoffe Aromatische Verbindungen Benzen (Benzol) Substitutionsverbindungen des Benzens (Benzols) Kohlenhydrate Eiweiße 246 7

7 18 Erdgas, Erdöl und Kohle als Energieträger und Rohstoff Entstehung Erdgas Erdöl Fraktionierte Destillation des Erdöls Verunreinigung durch Mineralöle - Umweltprobleme Weiterverarbeitung von Erdölfraktionen Raffination Erhöhung der Benzinausbeute durch Cracken Qualitätsverbesserung des Benzins durch Reformingprozesse (Molekülumbau) Verdichtbarkeit des Benzins - Octanzahl Dieselkraftstoff - Cetanzahl Mineralische und synthetische Schmieröle Schmierfette und Festschmierstoffe Kühlschmierstoffe Härte-und Anlaßöle Arbeitshygienische Aspekte Kohle Kohle als Energieträger und Rohstoff Entgasung der Kohle (Verkokung) Vergasen der Kohle zu Synthesegas Kunststoffe Makromolekulare Stoffe - Definition und Einteilung Geschichte und Bedeutung der Kunststoffe Ausgangsstoffe Synthesereaktionen und Produkte Polymerisation Polykondensation Polyaddition Allgemeine Eigenschaften der Kunststoffe Chemiefasern Recycling von Kunststoffen 284 Sachwort 287 Biidquellenverzeichnis 292 Periodensystem der Elemente (Ausschlagtafel) nach Seite 292