Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie
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- Helmut Giese
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2 A. Hädener H. Kaufmann Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie 14., überarbeitete und erweiterte Auflage Birkhäuser Verlag Basel Boston Berlin
3 Autoren Dr. A. Hädener Dr. H. Kaufmann Dieses Buch wird durch die 11. Auflage des Buches Grundlagen der organischen Chemie von A. Hädener und H. Kaufmann, Birkhäuser Verlag, Basel, ergänzt (siehe Anzeige am Buchende). Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN-10: Birkhäuser Verlag, Basel Boston Berlin ISBN-13: Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Weg und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbedingungen des Urheberrechts Birkhäuser Verlag, Postfach 133, CH-4010 Basel, Schweiz Ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media Gedruckt auf säurefreiem Papier, hergestellt aus chlorfrei gebleichtem Zellstoff Umschlaggestaltung: Micha Lotrovsky, CH-4106 Therwil Printed in Germany ISBN-10: e-isbn-10: ISBN-13: e-isbn-13:
4 Vorwort Die seit mehr als vierzig Jahren bewährte, knappe und anschauliche Einführung in die Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie liegt nun in der 14. Auflage vor. Nachdem der Text und die Gestaltung bereits für die 13. Auflage umfassend revidiert worden waren, berücksichtigt die Neuauflage in erster Linie neue wissenschaftliche Erkenntnisse, die für das Verständnis der Grundlagen der Chemie von Bedeutung sind. Allen Leserinnen und Lesern, die durch ihre Anregungen zur Verbesserung des Textes und der Abbildungen beigetragen haben, sind wir zu Dank verpflichtet. Die wichtigsten Neuerungen der 14. Auflage sind nachfolgend zusammengefasst. Die Daten von acht seit 1964 entdeckten Elementen ab Ordnungszahl 104 sind nach neuesten Literaturangaben aktualisiert. Während es ein Traum ist und bleiben wird, einzelne Atome mit einem klassischen Lichtmikroskop zu "sehen", können diese mit einem modernen Rastertunnelmikroskop immerhin "ertastet" werden. Die entsprechenden Befunde stützen die bisherigen Vorstellungen von Atomen eindrücklich und werden im Kapitel 1.4 zur Visualisierung herangezogen. Die Behandlung reversibler Reaktionen und das Massenwirkungsgesetz werden im weitgehend neu gestalteten Kapitel 3 in einen größeren Zusammenhang gestellt. Die Zahl der Übungsbeispiele, die zur aktiven Mitarbeit und Selbstkontrolle anhalten sollen, ist wesentlich erhöht worden; neu wird am Ende jedes Kapitels ein Abschnitt mit Übungen angeboten. V
5 Im Interesse der Übersichtlichkeit erscheinen häufig gebrauchte Tabellen mit wichtigen Daten leicht auffindbar im Anhang (Kapitel 8.1). Der Index bleibt ausführlich und ist benutzerfreundlich optimiert. Allen an der Neuauflage beteiligten Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Birkhäuser-Verlages danken wir für die angenehme Zusammenarbeit. Basel, im Juli 2005 Alfons Hädener Heinz Kaufmann Aus dem Vorwort zur 13. Auflage Für die neue Auflage wurde das erste Kapitel wesentlich erweitert. Es vermittelt die dem Atombau und dem Periodensystem zugrundeliegenden Modelle und Prinzipien in einer der historischen Entwicklung folgenden Darstellung und vermittelt dabei gleichzeitig Einblicke in naturwissenschaftliche Denkweisen. Weitere Kapitel behandeln die chemische Bindung, das Massenwirkungsgesetz und seine Anwendungen, Redoxreaktionen und Radioaktivität. Die Chemie der wäßrigen Lösungen wird mit Hilfe des Massenwirkungsgesetzes besonders ausführlich behandelt. Auch bei einem logischen Aufbau des Lehrstoffs läßt es sich nicht vermeiden, dass ab und zu Begriffe vorkommen, die im Buch erst später behandelt werden. Um dem Leser das Nachschlagen derartiger Begriffe, aber auch den Rückgriff auf schon gelesene Abschnitte zu erleichtern, sind im Text zahlreiche Querverweise eingesetzt und am Schluss ein ausführliches Stichwortregister angefügt worden. Kommentierte Rechenbeispiele und zahlreiche Übungen ermuntern zur aktiven Mitarbeit und Selbstkontrolle. Hinweise auf ausgewählte weiterführende Literatur sollen Interessierten die Vertiefung von Spezialgebieten erleichtern. Das Buch richtet sich an Studierende der Naturwissenschaften und der Medizin in den ersten Semestern an Universitäten und Fachhochschulen; es dürfte besonders auch bei Examensvorbereitungen gute Dienste leisten. Auch interessierten Gymnasiasten kann es für die Vertiefung des im Unterricht Gehörten von Nutzen sein. Basel, im Juli 1996 Heinz Kaufmann VI
6 Inhaltsverzeichnis 1. Atombau und Periodensystem Einführung Elemente, Atome und Verbindungen Die stöchiometrischen Gesetze DALTONS Atomtheorie Das ideale Gas Atommassen Mengenangaben in der Chemie Die Klassifizierung der Elemente DÖBEREINERS Triaden und NEWLANDS s Oktavengesetz Das erste Periodensystem Die Bausteine der Atome Metallische Festkörper Reale Gase Materie und Elektrizität Elektrolyse Das Elektron Röntgenstrahlung und Radioaktivität Der Atomkern Nuklide und Isotope Die Entwicklung des modernen Atommodells Das Wasserstoffatom nach NIELS BOHR SOMMERFELDS Verbesserung des Atommodells Atome im Magnetfeld Der Spin Das PAULI-Prinzip Die Elektronenkonfiguration VII
7 1.6 Ableitung des Periodensystems Das moderne Periodensystem Übungen Die chemische Bindung Einführung Größen zur Charakterisierung der chemischen Bindung Atom- und Ionenradien Die Ionisierungsenergie Die Elektronenaffinität Elektronegativität Die Ionenbindung Bildung von Ionenbindungen Ionengitter Die Wertigkeit bei Ionenverbindungen Bedingungen für die Bildung einer Ionenbindung Die Elektronenpaarbindung Bildung von Elektronenpaarbindungen Die Bindungszahl Doppel- und Dreifachbindungen Verbindungen mit ungepaarten Elektronen Polarisierte Elektronenpaarbindungen Das Wassermolekül H 2 O Die Richtung von Elektronenpaarbindungen Übergänge zwischen den Bindungstypen Die metallische Bindung Koordinationsverbindungen Ion-Ion-Komplexe Ion-Molekül-Komplexe Komplexe mit ungeladenen Zentralatomen VIII
8 2.7.4 Chelatkomplexe Elektronische Struktur von Komplexen Die Kristallfeldtheorie Die Ligandfeldtheorie Übungen Gesetzmäßigkeiten chemischer Reaktionen Einleitung Relevante Größen Konzentration und Aktivität Energieumsatz Die Kinetik chemischer Reaktionen Reversible Reaktionen. Das dynamische Gleichgewicht Prinzipien der Katalyse reversibler Reaktionen Beeinflussung von Gleichgewichtsreaktionen Temperaturänderungen Konzentrationsänderungen Druckänderungen Das Löslichkeitsprodukt Übungen Chemie der wäßrigen Lösungen Das Wasser Dipolcharakter und Assoziation Wasserstoffbrücken Die Dielektrizitätskonstante Wasser als Lösungsmittel Andere Lösungsmittel IX
9 4.2 Wirkung des Wassers auf chemische Bindungen, wäßrige Lösungen Ionenbindungen Elektronenpaarbindungen Komplexe Verbindungen Säuren und Basen Säure-Basen-Theorie von ARRHENIUS Säure-Basen-Theorie nach BRØNSTED-LOWRY Säure-Basen-Theorie nach LEWIS Säuredissoziationskonstanten Die ph-skala Neutralisationsreaktionen, Salze Säuren, Basen und Salze als Elektrolyte Dissoziationsgrad und OSTWALD sches Verdünnungsgesetz Säure-Basen-Indikatoren Grundlagen ph-messung und Titrationen ph-berechnungen für schwache Säuren und Basen Der ph-wert von Salzlösungen Pufferlösungen Definition, Bestimmung des ph-werts von Pufferlösungen Wirkungsweise von Pufferlösungen Übungen Redoxreaktionen Wertigkeit und Oxidationszahl Definition der Begriffe Oxidation und Reduktion X
10 5.2.1 Ursprüngliche Bedeutung Erweiterung des Oxidations-Reduktions-Begriffs Redoxsysteme Disproportionierung Normalpotentiale und Spannungsreihe Experimentelle Befunde Galvanische Elemente Normalpotentiale Kompliziertere Redoxgleichungen, ph-abhängige Redoxreaktionen Anwendungen Voraussagen über den Verlauf von Redoxreaktionen Bestimmung der Koeffizienten in chemischen Reaktionsgleichungen Batterien und Akkumulatoren Schmelzelektrolyse von Metallsalzen Die Elektrolyse wäßriger Salzlösungen Übungen Radioaktivität und Kernreaktionen Die radioaktive Strahlung Die Verschiebungsgesetze Zerfallsgesetz und Halbwertszeit Zerfallsreihen Kernreaktionen Einfache Kernreaktionen Künstliche radioaktive Nuklide Die Kernspaltung Herstellung von neuen Elementen XI
11 6.7 Tracermethoden Altersbestimmungen Übungen Lösungen zu den Übungen Anhang Tabellen Wichtige Konstanten Bindungsenergien Löslichkeitsprodukte Säuren, Dissoziationskonstanten K a und pk a -Werte Normalpotentiale E ausgewählter Redox-Paare Weiterführende Literatur Quellennachweis Index 217 XII
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