1 Chemische Elemente und chemische Grundgesetze 1

Transkript

1 Inhaltsverzeichnis 1 Chemische Elemente und chemische Grundgesetze Verbreitung der Elemente Chemische Grundgesetze 2 2 Aufbau der Atome Atomkern 7.1 Kernregeln 9.2 Atommasse 9.3 Massendefekt 10.4 Isotopieeffekte 11.5 Trennung von Isotopen 12.6 Radioaktive Strahlung (Zerfall instabiler Isotope) 12.7 Radioaktive Zerfallsgeschwindigkeit 12.8 Beispiele für natürliche und künstliche Isotope 13.9 Radioaktive Aktivität Radioaktive Zerfallsreihen Radioaktives Gleichgewicht Beispiele für Anwendungsmöglichkeiten von Isotopen Aktivierungsanalyse Elektronenhülle Atommodell von Niels Bohr (1913) Bohrsches Modell vom Wasserstoffatom Atomspektren (Absorptions- und Emissionsspektroskopie) Verbesserungen des SoArschen Modells Wellenmechanisches Atommodell des Wasserstoffatoms Elektronenspin Graphische Darstellung der Atomorbitale Mehrelektronenatome Pauli-Prinzip, Pauli-Verbot Hitndsche Regel 34 Bibliografische Informationen digitalisiert durch

2 VIII Inhaltsverzeichnis 3 Periodensystem der Elemente Einteilung der Elemente auf Grund ähnlicher Elektronenkonfiguration Edelgase Hauptgruppenelemente ( repräsentative" Elemente, s- und p-block-elemente) Übergangselemente bzw. Nebengruppenelemente Valenzelektronenzahl und Oxidationsstufen Periodizität einiger Eigenschaften Atom- und Ionenradien Elektronenaffinität (EA) Ionisierungspotenzial / Ionisierungsenergie Elektronegativität Metallischer und nichtmetallischer Charakter der Elemente 50 4 Moleküle, chemische Verbindungen, Reaktionsgleichungen und Stöchiometrie Reaktionsgleichungen Konzentrationsmaße Stöchiometrische Rechnungen Beispiel einer Ausbeuteberechnung Berechnung von empirischen Formeln 66 5 Chemische Bindung, Bindungsarten Ionische (polare, heteropolare) Bindungen, Ionenbeziehung Gitterenergie Spinell-Struktur Perowskit-Struktur Calcit-Struktur Übergang von der ionischen zur kovalenten Bindung Übergang von der ionischen zur metallischen Bindung Atombindung (kovalente, homöopolare Bindung, Elektronenpaarbindung) MO-Theorie der kovalenten Bindung VB-Theorie der kovalenten Bindung Mehrfachbindungen, ungesättigte Verbindungen Energie von Hybridorbitalen Bindigkeit Bindungsordnung, Bindungsgrad Oktettregel Doppelbindungsregel Radikale Bindungsenergie und Bindungslänge 94

3 Inhaltsverzeichnis IX Mesomerie oder Resonanz Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßungsmodell Geometrie von Polyedern mit sieben bis zwölf Elektronenpaaren Metallische Bindung Metallgitter Mechanische Eigenschaften der Metalle, Einlagerungsstrukturen Legierungen Unbegrenzte Mischbarkeit Überstrukturphasen Eutektische Legierungen Mischungslücke Intermetallische Verbindungen oder intermetallische Phasen Beispiele für intermetallische Phasen Metallische Phasen Halbmetallische Phasen Fe-C-System Zwischenmolekulare Bindungskräfte, schwache Bindungen Wasserstoffbrückenbindungen Van der Waalsschs Bindung {van der Waals-Kiäfte, Dispersionskräfte) Komplexverbindungen, Bindungen in Komplexen Chelateffekt Beispiele für Komplexe Ji-Komplexe Chargetransfer-Komplexe Carbonyle Herstellung Eigenschaften Reaktionen von Carbonylen Molekülstruktur mehrkerniger Carbonyle Koordinationszahl und räumlicher Bau von Komplexen Isomerieerscheinungen bei Komplexverbindungen Stereoisomerie cis-trans-isomerie (geometrische Isomerie) Komplexe mit KZ Komplexe mit KZ trans-effekt Optische Isomerie (Spiegelbildisomerie) Komplexe mit KZ Komplexe mit KZ Strukturisomerie 134

4 X Inhaltsverzeichnis Hydratisomerie Bindungsisomerie, Salzisomerie Bindung in Komplexen, Koordinative Bindung Edelgas-Regel VB-Theorie der Komplexbindung Vorzüge und Nachteile der VB-Theorie Kristallfeld-Ligandenfeld-Theorie Besetzung der e g - und t 2g -Orbitale im oktaedrischen Feld Besetzung der e g - und t 2g -Orbitale im tetraedrischen Feld Absorptionsspektren Jahn-Teller-Effekt Vorzüge und Nachteile der Kristallfeld-Theorie MO-Theorie der Bindung in Komplexen Bildung der Molekülorbitale Verteilung der Elektronen des Zentralteilchens HSAB-Konzept bei Komplexen : a- und 7t-Bindung in Komplexen Komplexbildungsreaktionen Formelschreibweise von Komplexen Nomenklatur von Komplexen Beispiele zur Nomenklatur Zustandsformen der Materie (Aggregatszustände) Fester Zustand Kristalline Stoffe Kristallsysteme Raumgruppen; Bravais-Gitter Kristallklassen Eigenschaften von kristallinen Stoffen Schmelz- und Erstarrungspunkt; Schmelzenthalpie Gittertypen Gasförmiger Zustand Gasgesetze für ideale Gase" Gesetz von Boyle und Mariotte Gesetz von Gay-Lussac Allgemeine Gasgleichung Das Verhalten realer Gase Zustandsgieichung realer Gase Kritische Daten eines Gases Diffusion von Gasen Flüssiger Zustand 167

5 Inhaltsverzeichnis XI Dampfdruck einer Flüssigkeit Siedepunkt Gefrierpunkt Durchschnittsgeschwindigkeit von Atomen und Molekülen Nicht klassische Aggregatszustände Plasma Mehrstoffsysteme, Lösungen Definition des Begriffs Phase Zustandsdiagramme Gibbssche Phasenregel Beispiele für das Gibbssche Phasengesetz Mehrstoffsysteme Lösungen Eigenschaften von Lösemitteln (Lösungsmitteln) Echte Lösungen Lösungsvorgänge Löslichkeit Chemische Reaktionen bei Lösungsvorgängen Verhalten und Eigenschaften von Lösungen nichtflüchtiger Substanzen Dampfdruckerniedrigung über einer Lösung Siedepunktserhöhung Gefrierpunktserniedrigung Diffusion in Lösung Osmose Dialyse Lösungsgleichgewichte Verteilung zwischen zwei nichtmischbaren flüssigen Phasen Verteilung zwischen einer Gasphase und der Lösung Verteilung zwischen einer festen Phase und der Lösung Elektrolytlösungen Elektrolytische Dissoziation Ostwaldsches Verdünnungsgesetz Elektrodenprozesse Beispiele für Elektrolysen Elektrolyse einer wässrigen Natriumchlorid-Lösung (Chloralkalielektrolyse) 189 a) Diaphragma-Verfahren" 190 b) Amalgam-Verfahren" Elektrolyse einer Natriumchlorid-Schmelze (Schmelzelektrolyse) Verhalten und Eigenschaften von Lösungen flüchtiger Substanzen 192

6 XII Inhaltsverzeichnis Ideale Lösungen Nichtideale Lösungen Mischungslücke Kolloide Lösungen, koüoiddisperse Systeme Einteilung der Kolloide Isoelektrischer Punkt (I. P.) Redoxsysteme Oxidationszahl Regeln zur Ermittlung der Oxidationszahl Reduktion und Oxidation Normalpotenziale von Redoxpaaren Normalpotenzial und Reaktionsrichtung Nernstsche Gleichung Konzentrationskette Praktische Anwendung von galvanischen Elementen Trockenbatterie (Leclanche-Element, Taschenlampenbatterie) Alkali-Mangan-Zelle Nickel-Cadmium-Batterie Quecksilber-Batterie Brennstoffzellen Alkalische Zelle Akkumulatoren Bleiakku Lithium-Ionenakku Elektrochemische Korrosion, Lokalelement Elektrochemische Bestimmung von ph-werten Glaselektrode Elektroden 2. Art Spezielle Redoxreaktionen Säure-Base-Systeme Br0nstedsäuren und -basen; ph-wert Säure-und Basestärke Starke Säuren und starke Basen Schwache Säuren und schwache Basen Mehrwertige Säuren Mehrwertige Basen Protolysereaktionen beim Lösen von Salzen in Wasser Neutralisationsreaktionen Protolysegrad 233

7 Inhaltsverzeichnis XIII 10.6 Titrationskurven ph-abhängigkeit von Säure- und Base-Gleichgewichten, Pufferlösungen Bedeutung der Henderson-Hasselbalch-Gleichung Wichtige Puffersysteme des Blutes Bicarbonatpuffer Phosphatpuffer Acetatpuffer Messung von ph-werten Säure-Base-Reaktionen in nichtwässrigen Systemen Reaktionen in flüssigen Säuren Reaktionen in flüssigem Ammoniak Elektronentheorie der Säuren und Basen nach Lewis Supersäuren Prinzip der harten" und weichen" Säuren und Basen Energetik chemischer Reaktionen (Grundlagen der Thermodynamik) I. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz) Veranschaulichung der Volumenarbeit p AV Anwendung des I. Hauptsatzes auf chemische Reaktionen Hessischer Satz der konstanten Wärmesummen II. Hauptsatz der Thermodynamik Triebkraft chemischer Reaktionen Statistische Deutung der Entropie III. Hauptsatz der Thermodynamik Gibbs-Helmholtzsche Gleichung Zusammenhang zwischen AG undemk Kinetik chemischer Reaktionen Reaktionsordnung Reaktion nullter Ordnung Reaktion erster Ordnung Reaktion zweiter Ordnung Halbwertszeit Konzentration-Zeit-Diagramm für eine Reaktion erster Ordnung Molekularität einer Reaktion Pseudo-Ordnung und Pseudo-Molekularität Arrhenius-Gleichung Katalyse Darstellung von Reaktionsabläufen durch Energieprofile 270

8 XIV Inhaltsverzeichnis 12.8 Parallelreaktionen kinetische und thermodynamische Reaktionskontrolle Metastabile Systeme Kettenreaktionen Einleitung von Kettenreaktionen Abbruch von Kettenreaktionen Chemisches Gleichgewicht (Kinetische Ableitung) Massenwirkungsgesetz (MWG) Formulierung des MWG für einfache Reaktionen Gekoppelte Reaktionen Aktivitäten Beeinflussung von Gleichgewichtslagen Änderung der Temperatur Prinzip von Braun und le Chatelier Änderung von Konzentration bzw. Partialdruck bei konstanter Temperatur Das Löslichkeitsprodukt Allgemeine Formulierung Fließgleichgewicht Literaturauswahl und Quellennachweis Große Lehrbücher Kleine Lehrbücher Darstellungen der allgemeinen Chemie Physikalische Chemie Monographien über Teilgebiete Stöchiometrie Nachschlagewerke und Übersichtsartikel Abbildungsnachweis Sachverzeichnis 293