Chemie. Grundlagen, Anwendungen, Versuche. Paul Scheipers (Hrsg.) Volkher Biese Uwe Bleyer Manfred Bosse. 4., verbesserte Auflage.

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1 Paul Scheipers (Hrsg.) Volkher Biese Uwe Bleyer Manfred Bosse Chemie Grundlagen, Anwendungen, Versuche 4., verbesserte Auflage Mit 135 Bildern IJ vleweg

2 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Biese, Volkher: Chemie: Grundlagen, Anwendungen, Versuche/Volkher Biese; Uwe Bleyer; Manfred Bosse, Paul Scheipers (Hrsg.). - 4., verb. Auf!. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1999 (Viewegs Fachbiicher der Technik) 1. Auflage , verbesserte und erweiterte Auflage 1990 Nachdruck , verbesserte Auflage , verbesserte Auflage 1999 Das Buch erschien zum ersten Mal 1981 unter der Herausgeberschaft von Wolfgang WeiBbach. Aile Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden, 1999 Urspriinglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/ Wiesbaden, 1999 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH. Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. lede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuliissig und strafbar. Das gilt insbesondere flir VervielfaItigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Wiesbaden Satz: Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden; Publishing Service Helga Schulz, Dreieich Gedruckt auf saurefreiem Papier ISBN DOI / ISBN (ebook)

3 III Vorwort Dieses Lehrbuch wurde auf der Grundlage von Weißbach, Chemie, völlig neubearbeitet und für folgende Schulformen des beruflichen Schulwesens (Ausbildungsrichtung Technik) konzipiert: Berufsfachschulen, Berufsaufbauschule, Fachschule flir Technik, Fachoberschulen. Das Buch eignet sich außerdem für 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 Beflirworter 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 flir Diskussionen über die Kernenergie grundlegendes Sachwissen bereitzustellen. Bei der 4. Auflage handelt es sich um eine durch Korrekturen und Ergänzungen verbesserteauflage. Für Verbesserungs- und Ergänzungsvorschläge sind die Autoren dankbar. Wiesbaden, im Dezember 1998 Herausgeber und Autoren

4 IV Inhaltsverzeichnis Formelzeichen und Abkürzungen XI Periodensystem der Elemente XII 1 Einleitung 1.1 Allgemeine Einflihrung 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 (Arbeitsvermögen) 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

5 Inhaltsverzeichnis v 3 Atomlehre Bedeutung der Atomlehre für die Chemie.... Entwicklung der Atomvorstellungen.... Atommodelle (allgemein).... Aufbau der Atome Größen und Massen der Atome Aufbau der Atome Größen und Massenvergleiche beim Atom.... Bohrsches Atommodell Orbital vorstellungen.... Energieschema für die Anordnung der Elektronen in der Atornhillle.... Kugelwolkenmodell (KWM).... Übersicht über 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 Elektronegativität (EN) Ähnlichkeiten innerhalb der Gruppen Zusammenfassung Aufgaben Chemische Bindung und Struktur 5.1 Allgemeines Ursachen chemischer Bindung Kräfte innerhalb eines Atomverbandes Die Bindungsarten und deren Übergänge Nichtmetalle mit niedriger Siedetemperatur Elektronenpaarbindung Oktett/Dublett-Regel Molekülstrukturen

6 VI ~tsverzeicbmüs 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

7 Inhaltsverzeichnis VII 6.13 Bildungsenthalpie!:lHB Einfluß des Aggregatzustandes der Verbindungen Zusammenhang Bildungsenthalpie!:lH B mit Reaktionsenthalpie!:lH 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

8 VIII Inhaltsverzeichnis 8 Oxidation und Reduktion (Redox) 8.1 Geschichtliche Entwicklung Oxidation und Reduktion im allgemeinen Sinne 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 Defmition nach Brönsted Säure-Base-Paar Säure stärke (Basenstärke) Ampholyte Bildung von Säuren (wichtige Möglichkeiten) Wichtige Säuren Salzsäure HCl Schwefelsäure Hz S Kohlensäure HzC Salpetersäure HN Bildung von Basen (wichtige Möglichkeiten) Indikatoren Zusammenfassung (Säuren und Basen) Versuche Aufgaben zu Abschnitt 9.1 (Säuren und Basen) Salze Deftnitionen Entstehung von Salzen Kristallwasser

9 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 KohlenstotT und seine Verbindungen 10.1 Bedeutung der Kohlenstoffchemie Das Kohlenstoffatom Der elementare Kohlenstoff Graphit _ Diamant Kohlenwasserstoffe (KW) Kettenförrnige Kohlenwasserstoffe Gesättigte kettenförmige Kohlenwasserstoffe Ungesättigte kettenförmige Kohlenwasserstoffe Ringförmige Kohlenwasserstoffe Kohlenwasserstoffe, Übersicht Funktionelle Gruppen Organische Reaktionsformen Addition... ' Substitution Hydrierung (Sonderfall der Addition) Esterbildung (Substitution) Verseifung (Hydrolyse)... " 207

10 x InhBItsverzeichmüs 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 Sachwortverzeichnis

11 Formelzeichen und Abkürzungen c c t:.c E EA EN e Fp F F Fr H!:.H B!:.HR!:.Hv 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:.t u t:.u V V mri V XA X m Xv relative Atommasse elektrochemisches Äquivalent Konzentration Lichtgeschwindigkeit Konzentrationsänderung Energie Aktivierungsenergie Elektronegativität Elektron Schmelzpunkt F araday -Konstante Kraft relative Formelmasse Heizwert Bildungsenthalpie Reaktionsenthalpie Verbrennungsenthalpie Stromstärke Gleichgewich tskonstan te, konzentrationsbezogen Gleichgewichtskonstante, druckbezogen Siedepunkt Länge, Abstand molare Masse Masse absolute Atommasse Äquivalentmasse relative MolekiUmasse Avogadro-Konstante 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 )

12 Periodensystem der Elemente -HdUpl 1., ~ - H i w_ M _ ) "[U3II I4j om _ h i u '""" -:-:: ['lj~~f ~... ~,..,., i Na ~ Mg -~ _ ~ oi'"'"~" ~ No~ U 2. liib,.... ~~ i K i ieel isoi --- :'~Kß.. ~. ~. ~. '.. ~~ - irb; ~ Sr ' i y ~ Periodensystem dt EtliiutetunS.. n:, t. OrtlnuIIS'~Mhl 2.,\tom!!..." ICh t. ""logen Buf 1/12 der M8S~ de$ Kohlensloffisotops 'ie ~. ~l6 der Buf drr Erde,orkommenden Iso topenmischung., 3. IJ,~ Punkte machen,\n!\8bcii uber die Di~hte der Elemente: ;{l < r~.':['< {l< 10;...:!O < {l< I[':...: 15< {l< 20: :20< {l (jf:'... e,ls on ks'dmll. 4. Ein bedeut~ 1. daa du Elemen l nur künstlich cncugt ",ertlen kam,. 5. Siedepunkt in C 6. Schmdzl'unkl 111 C ras subllmlt'rl be, 613 e und 760 To,.,.) 7. Ist das E1emenls}'mbol fbrbi~ ('msetrbsen. so sliid alk: Isotope radloakh\'. 8. lsl der I'amc des Uem... ntes f~rbl!!. Sedruckl so handelt es ~lch um eill Eddmetall:\Cu, Hg: tr ~ lb('d elmrtalle). 9. Es ""deuret: B (BI: Elemelltc mit t,j<lt~ ) hsischen O.~id{'11 5 (5 ): Elemente mit ( 'I.,r~ ) sauren Oxiden BS : Elemente mll basischen und.sauroo bl". am pholeren Oxiden 10. Die ['ullkle bedeuten WerliS keilen. und 1"'a r em sch"'aner ['unkt eme li.ul't ",erllgkelj, ein rarblser die "'i' hhgste Werhgkeil.lJle Sltlche (hellen nur dem,\bliihlen: Vom größeren mltlleren Stri,h aus ist nach o""n posiii\'. Il.,h un!ell negat,, lu zählen. n. Elektroncgali'"ltii! (na,h 1..I'aullng) 12. Eiektronell\'erteilullg. Sie entspr"hl dem Grul1d~usland. FartJIg angege""ne Elektronen sind für das chemische Verbalten moßgeblkh. 13. Oll' $eh...ne Linte to.edeute! die Grenle 1'" ehen Meta llen und NIChtmetallen. Sie spalle! si,h "", den Halbmetallen auf. Angege""n siiid je"'eils die... lchligsten Mo dlfikationen (z. 8. gilt für C : G r ~ l lhlt: Hal~tall, niama nl : NlChlmeta ll). 14. Die f~rbige I.in,e Iwd... utet die vrf'n~"l.. ischen \b<>i 20 (") ga.rormlg, " und fl'>t~n Elemen!en im,! ~"'el Ausnabmen: Br, Hg SlIId nussig).," ----,,, " Lan than>de und AcMrde " _ 1313< _...".,...,...:14 'ii_ ii_..,,.ii_ iilg:j<)iii_ II,,,,,,ii_!ii,_,,- ~ KSii ~ Ba ;! ~la icd ~ Pr ~ Nd ~ Pm ' ~Sm ~"Eu ~ i Gd ; i Tb ~.Dy ~ ~ Ho! ~ Er! ~ Tm i ~Yb ~ i Lu [i i"hi Euro GodIo,. 0,- Hol... -~... ~ e ~ 8, - 'Vi ",. - ~ " " " " " " --,Bk',,Cr' Es ' ~ " " ' Fm ',Md",,No ' lw, Kl - "'="- ~ ~

13 ~ie Mo ;tem der Elemente lila IV. -9ru ppen Va Via Vlla -,, 3 >,... 5 M o ", o nach Ralnef Engelhard

14 Gefährliche Umweltchemikalien (Auswahl) Asbest Asbest ist ein natürlich vorkommendes Fasermaterial. Die gebräuchlichen Asbestarten können als Staubteilchen in die Lunge geraten und zu schweren Erkrankungen fuhren (z. B. Asbestose, Krebs). Benzol (C6 H6 ) Benzol dient u. a. als Ausgangsstoff fur 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 fuhren. 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 C 2 ). Sie werden verwendet z. B. als Treibgas in Spraydosen,. Kältemittel in Kühlschränken und Treibmittel beim Kunststoffverschäumen. Sie sind chemisch sehr stabil, stellen sich aber zunehmend als Belastung fur die Ozonschicht in der hohen Lufthülle heraus (~Abschnitt ). Die Folge ist eine Zunahme der Hautkrebshäufigkeit. Fonnaldehyd (HCHO) Formaldehyd ist ein stechend riechendes Gas, das für viele chemische Produkte verwendet wird. Es wirkt giftig und krebserregend. Kohlendioxid (C0 2 ) 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 CO 2-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 fur Pflanzen, Tiere und Menschen fast in jeder Konzentration schädlich. In der Ozonschicht filtert 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 fuhrt. Schwefeldioxid (S02 ) Schwefeldioxid entsteht vor allem bei der Verbrennung von Kohle. Es bildet nach einer Verbindung mit Wasser Säure, die als Saurer Regen fur Waldschäden mit verantwortlich ist. Sti~koxide (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.