S. Hauptmann. Starthilfe Chemie

Transkript

1 S. Hauptmann Starthilfe Chemie

2 Starthilfe Chemie Von Prof. Dr. rer. nat. habil. Siegfried Hauptmann 2., durchgesehene Auflage B. G. Teubner Stuttgart Leipzig 1998

3 Prof. Dr. rer. nat. habit. Siegfried Hauptmann Geboren 1931 in DOrrhennersdorf/Oberlausitz. Ab 1950 Studium der Chemie an der Universitat Leipzig, Diplom 1955, Promotion 1958, Habilitation Von 1961 bis 1964 Dozent, vom bis zum Professor for Organische Chemie an der Universitat Leipzig. Seit 1967 Ehrenprofessor der Universitat Potosi/Bolivien. ISBN ISBN (ebook) DOl / Gedruckt auf chlorirei gebleichtem Papier. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Hauptmann, Siegfried: Starthilfe Chemie / von Siegfried Hauptmann. - 2., durchges. Aufl. - Stuttgart; Leipzig: Teubner, 1998 Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschutzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulassig und strafbar. Das gilt besonders fur Vervielfaltigungen, Obersetzungen, Mikroveriilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen B. G. Teubner Stuttgart. Leipzig

4 Vorwort zur 2. AutJage 1m Laufe von Jahren erlemten Menschen den Gebrauch von Werkzeugen, die zuerst aus Steinen angefertigt wurden, spilter aus Bronze, dann aus Eisen, schlieblich auch aus Leichtmetallen und synthetischen Polymeren. Die Nutzung des Feuers - einer Stoffumwandlung - begann vor etwa Jahren. Erfahrungen und Erkenntnisse fiber Stoffe und ihre Umwandlungen wurden im Laufe der Zeit standig erweitert und vertieft. Sie bilden den Gegenstand der Wissenschaftsdisziplin Chemie. In der vorliegenden "Starthilfe Chemie" wird dem Leser das grundlegende Denkmodell der Chemie nahegebracht: die Aufdeckung von Zusammenhiingen zwischen makroskopisch beobachtbaren Phiinomenen in der uns umgebenden Natur oder bei Experimenten im Laboratorium und submikroskopischen Strukturen von Atomen, MolekUlen und lonen. Dabei haben sich die chemischen Formeln als unenthehrliches Hilfsmittel hewmrt. Sich mit Chemie zu befassen heibt, sich an den Umgang mit diesen Formeln zu gewohnen und zu lemen, die in ihnen verschliisselten Informationen fiber Eigenschaften und Umwandlungen der Stoffe zu verstehen. Genau darin besteht das Anliegen dieses Buches. Es wendet sich an alle, die Grundkenntnisse der Chemie erwerben wollen, insbesondere an SchUler, und zwar als kurzgefabter Uberblick fiber das im Unterricht vermitteite Wissen, Studienanflinger, fur die Chemie als Nebenfach obligatorisch ist, zum Beispiel in den Studienrichtungen Physik, Biologie, Biochemie, Pharmazie und Medizin, Studierende der Chemie und Lehramtskandidaten. Vor allem soli es dazu dienen, den Ubergang von der Schule zur Hochschule zu erleichtern und auf das Studium vorzubereiten. Mein Dank gilt Herm Prof. Dr. W. Engewald fur die Durchsicht eines Teils des Manuskriptes sowie Frau I. Puls~ und Herm Dr. R. RulofffUr zuverliissige technische Mitarbeit. FUr kritische und sachdienliche Hinweise zur 1. Auflage bin ich Prof. Dr. H. Briehl, Fachhochschule Furtwangen, Prof Dr. H. R. Christen, Winterthur, Prof. Dr. S. Engels, Merseburg, Prof. Dr. E. Hoyer, Leipzig, Prof. Dr. D. Kamke, Bochum, S. Siegle, Winnenden und Prof. Dr. W. Stolz, TU Bergakademie Freiberg zu grobem Dank verpflichtet. Weiterhin bedanke ich mich heim Verlag B.G. Teubner, insbesondere bei Herm Dr. P. Spuhler und Herm J. Weill, fur die Anregung zu diesem Buch und die gute Zusammenarbeit. Leipzig, im Januar 1998 Siegfried Hauptmann

5 Inbalt Verzeichnis von Abkiirzungen, Symbolen und Konstanten Einleitung Gemische und reine Stoffe..., Trennung von Stoffgemischen Kriterien des reinen Stoffes..., Chemische Elemente und chemische Verbindungen Atome Stochiometrlsche Gesetze Relative Atommasse (Atomgewicht) Atombau Chemische Bindung Elemente Metalle Nichtmetalle Verbindungen S Wichtige Klassen chemischer Verbindungen Verbindungen des Wasserstoffs mit Nichtmetallen Metalloxide und Metallhydroxide Nichtmetalloxide und Oxosauren Koordinationsverbindungen Organische Verbindungen Kohlenwasserstoffe Halogenkohlenwasserstoffe Alkohole und Phenole Ether Carbonylverbindungen Carbonsauren und ihre Derivate Amine Heterocyclische Verbindungen Makromolekulare Verbindungen... 79

6 ~t 7 (; Chemische Reaktionen StiSchiometrie chemischer Reaktionen Energieindenmgen bei chemischen Reaktionen Chemisches Gleichgewicht Massenwirkungsgesetz EinfluB des Druckes auf das Gleichgewicht EinfluB der Temperator auf das Gleichgewicht Anwendung des Massenwirkungsgesetzes aufsaure-base-gleichgewichte Anwendung des Massenwirkungsgesetzes aufloswlgsgleichgewichte EntropieandefWlgen in chemischen Systemen Energie- und EntropieandefWlgen bei chemischen Reaktionen Geschwindigkeit chemischer Reaktionen Geschwindigkeitsgesetz EinfluB der Temperator auf die Reaktionsgeschwindigkeit EinfluB von Katalysatoren auf die Reaktionsgeschwindigkeit Literatur Sachwortverzeichnis

7 Verzeichnis von Abkiirzungen, Symbolen und Konstanten A Nucleonenzahl (fruher Massenzahl genannt) c Lichtgeschwindigkeit im Vakuum 2, mls c(a) Konzentration des Stoft"es A in moul e Elementarladung 1, C (Coulomb) E Energie in J (Joule), 1 J entspricht 0,239 cal (Kalorien), 1 cal entspricht 4,1868 J EA Arrhenius-Aktivierungsenergie Eea Elektronenaffinitlit E; Ionisierungsenergie ev Elektronenvolt, 1 eventspricht 1, J, 1 ev entspricht 9, J/mol F Faraday-Konstante 96485,309 C/mol G molare freie Enthalpie (Gibbs-Energie) in J/mol h Plancksches Wirkungsquantum 6, J s H molare Enthalpie in J/mol k Geschwindigkeitskonstante K Gleichgewichtskonstante m Masse in kg (Kilogramm) me Masse des Elektrons 9, kg M Molmasse (molare Masse) in g/mol Mr relative Teilchenmasse (relative Atommasse, relative Molekiilmasse, Atomgewicht, Molekuiargewicht) 1 relative Atommasseneinheit (1 Dalton) entspricht 1, kg n Stoffinenge in mol NA Avogadro-Konstante 6, morl p Druck in Pa (Pascal), 1 bar entspricht los Pa, 1 atm entspricht 1, los Pa r Reaktionsgeschwindigkeit R molare Gaskonstante 8,31451 J K- I morl S molare Entropie in J K- I morl Schmp. Scbmelzpunkt Sdp. Siedepunkt t Zeit in s (Sekunden) T thermodynamische Temperatur in K (Kelvin), Temperatur in C = TIK - 273,15 U molare innere Energie in J/mol U elektrische Spannung in V (Volt) V Volumen in m 3 (Kubikmeter), 11 (Liter) = 0,001 m 3 Vrn Molvolumen idealer Gase 22,41 bei Pa und 0 C W molare Volumenarbeit in J/mol Z Ordnungszahl, Kernladungszahl A WellenUinge in m (Meter) v Frequenz in Hz (Hertz) v Stochiometriezahl If/ Wellenfunktion If/nlm AO (Atomorbital)