Fachwissen Chemie 2. Erweiterte Qualifikationen für Laborberufe

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1 Fachwissen Chemie 2 Erweiterte Qualifikationen für Laborberufe Bearbeitet von Henrik Althaus, Peter Brackmann, Astrid Grote-Wolff, Heinz Hug, Helmut Keim, Heribert Keweloh, Peter Kurzweil, Thomas Meyer 1. Auflage Taschenbuch. ca. 552 S. Paperback ISBN Format (B x L): 17 x 24 cm Gewicht: 919 g schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 EUROPA-FACHBUCHREIHE für Chemieberufe Fachwissen Chemie 2 Erweiterte Qualifikationen für Laborberufe VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL. Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG Düsselberger Straße Haan-Gruiten Europa-Nr.: 69956

3 Autoren: Dr. Henrik Althaus StR, Dipl. Chem. Stade Peter Brackmann Betr. Ausbilder Chemielaboranten Bremen Dr. Astrid Grote-Wolff Dipl.-Chem. Nottuln Dr. Heinz Hug OStR, Dipl.-Chem. Wiesbaden Helmut Keim OStR, Dipl.-Ing. Mülheim a. d. R. Dr. Heribert Keweloh Priv.-Doz. Oberhausen Prof. Dr. Peter Kurzweil Dipl.-Chem. Amberg Dr. Thomas Meyer OStR, Dipl.-Chem. Holzminden Unter Mitwirkung von Herrn Dr.-Ing. Eckhard Ignatowitz, Waldbronn Leitung des Arbeitskreises: Dr. Thomas Meyer Verlagslektorat: Dr. Astrid Grote-Wolff Bildbearbeitung: Grafische Produktionen Jürgen Neumann, Rimpar Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, Ostfildern Umschlaggestaltung: Grafische Produktionen Jürgen Neumann, Rimpar, nach dem Entwurf von Dr. Thomas Meyer 1. Auflage 2014 Druck Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfehlern untereinander unverändert sind. ISBN Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwendung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, Haan-Gruiten Satz: Grafische Produktionen Jürgen Neumann, Rimpar Druck: B.o.s.s. Druck und Medien GmbH, Goch

4 Vorwort Mit der rasanten Entwicklung der Wissenschaft Chemie, der chemischen Analytik und der chemischen Verfahrenstechnik geht die zunehmende fachliche Spezialisierung der Fachkräfte in Chemielaboratorien einher. Bereits während der Ausbildung findet eine Vertiefung der Kenntnisse auf den im fachpraktischen Teil der Ausbildung relevanten Wissensgebieten statt. Das Lehrbuch Fachwissen Chemie 2: Erweiterte Qualifikationen für Laborberufe baut auf den chemischen Grundlagen auf, die im ersten Band dieser Fachbuchreihe vermittelt wurden. Abgestimmt auf den Rahmenlehrplan für die Ausbildung zum Chemielaboranten/zur Chemielaborantin sowie angelehnt an die Lehrpläne der höheren Berufsfachschule Chemie bzw. Chemietechnik für die Ausbildung zum Chemisch-technischen Assistent/zur Chemisch-technischen Assistentin werden die Qualifikationen der Fachstufe bis zum Teil 2 der gestreckten Abschlussprüfung auf einem, an der bundeseinheitlichen Prüfung der Chemielaboranten orientierten Niveau vermittelt. Auch Schüler und Auszubildende anderer naturwissenschaftlicher Bildungsgänge sowie Studierende an Hochschulen und Universitäten können mit diesem Buch ihre im Studium zu erwerbenden Fachkenntnisse über ein fundiertes Grundwissen der Chemie hinaus vertiefen. Die fachlichen Schwerpunkte des Lehrwerks: Qualitätsmanagementsysteme, Qualitätswerkzeuge und statistische Verfahren werden anhand anschaulicher Beispiele unterstützt durch Grafiken erläutert. Auf der Basis der vermittelten grundlegenden Kenntnisse zur Probenahme, Probenbehandlung und Probenvorbereitung wird der Leser dazu befähigt, sich anhand aktueller Publikationen das fallspezifische Spezialwissen anzueignen. Volumetrische und gravimetrische Analyse sowie chromatographische Trenntechniken, wie GC und HPLC, werden genauso behandelt wie die Grundlagen spektrometrischer Verfahren, wie die Atomabsorptionsspektrometrie AAS und die Röntgenfluoreszenzanalyse RFA. Auf die systematische Darstellung von Reaktionsmechanismen der organischen Chemie folgen die Strukturaufklärung organischer Verbindungen mithilfe der UV/Vis-, IR-, 1 H-NMRund 13 C-NMR-Spektroskopie sowie der Massenspektrometrie. Für die Probenahme in großtechnischen Prozessen unerlässlich sind Kenntnisse von Produktions prozessen, der Darstellung von Produktionsanlagen in RI-Fließbildern sowie der Funktionsweise und Eigenschaften der verschiedenen Anlagenbestandteile Im Kapitel Werkstofftechnik erhält der Leser einen Überblick über Werkstoffarten, moderne Werkstoffprüfverfahren sowie über rheologische Bestimmungen in der Praxis. Grundlegende Kenntnisse zur Elektrochemie und Elektrotechnik werden schrittweise dargestellt. Hierauf aufbauend werden elektrochemische Vorgänge im großtechnischen Prozess, wie Galvanik und Elektrolyse, sowie die elektrochemischen Analyseverfahren verständlich gemacht. Das Kapitel zur Biotechnologie ermöglicht auf der Basis der biologischen Grundlagen einen Einblick in die modernen Methoden der Mikrobiologie und Biotechnik. Das Buch ist sowohl als den Unterricht begleitendes Werk als auch zum Selbst-studium geeignet. Das Verständnis der dargestellten Inhalte wird durch die reichhaltige Bebilderung gefördert. Während der Ausbildung, zur Prüfungsvorbereitung und nach der Ausbildung kann das Buch als wertvoller, umfangreicher Wissensspeicher genutzt werden. Eine Auswahl der genannten Stoffe wird mit ihrer Gefahrstoffkennzeichnung nach GHS im Anhang aufgeführt. Unseren Leserinnen und Lesern wünschen wir viel Freude und Erfolg beim Erlernen und Er - forschen der erweiterten Qualifikationen für Laborberufe. Hinweise und Ergänzungen, die zur Verbesserung und Weiterentwicklung des Buches beitragen, werden unter der Verlagsadresse oder per (lektorat@europa-lehrmittel.de) dankbar entgegen genommen. Herbst 2014 Autoren und Verlag 3

5 1 Qualität und Qualitätssysteme (Lernfelder 6a, 7, 8, 11) Qualität Qualitätsmerkmale Fehler Qualitätssysteme Qualitätskontrolle QK und Qualitätssicherung QS Qualitätsmanagement QM Totales Qualitätsmanagement TQM Gute Laborpraxis GLP Good Manufacturing Practice GMP CE-Kennzeichnung Mathematisch-statistische Methoden zur Kontrolle und Überwachung von Qualität Median m Arithmetisches Mittel x Varianz s 2 und Standardabweichung s Variationskoeffizient v Spannweite R Q7 Werkzeuge der Qualität Fehlersammelliste Qualitätsregelkarte Histogramm Korrelationsdiagramm Pareto-Diagramm Brainstorming Ursache-Wirkungs-Diagramm Fehlermöglichkeits- und Fehlereinfluss-Analyse Validierung Aufgaben zu Kapitel Probenahme, Probenbehandlung und Probenvorbereitung (Lernfelder 7, 9, 10) Analyse von Proben Probenahme Ort und Zeit der Probenahme, Festlegung der Grundgesamtheit Probenahmeverfahren bei Ortsabhängigkeit der Parameter Probenahmeverfahren bei Zeitabhängigkeit der Parameter Probenahmegeräte für Feststoffe Probenahmegeräte für Flüssigkeiten Probenahmegeräte für Gase Probenmenge Probengefäße Messungen vor Ort Probenkonservierung und -transport Probenahmeprotokoll Probenvorbereitung Homogenisierung, Probenverjüngung und Probenteilung Lösen der festen Analysenprobe Abtrennen von Analyt und Störsubstanzen... 79

6 2.6.4 Einstellen einer geeigneten Analytkonzentration Externe Kalibrierung und Messung Auswertung, Dokumentation und Qualitätssicherung Aufgaben zu Kapitel Reaktionen organischer Präparate (Lernfelder 6a, 6b, 11) Additionsreaktionen an C-C-Mehrfachbindungen Struktur der Alkene Reaktionen der Alkene Reaktionen der Alkine Reaktionen aromatischer Verbindungen Struktur des Benzols und Aromatizität Elektrophile aromatische Substitution und Folgereaktionen Zweit- und Mehrfachsubstitution Reaktionen von Diazoniumverbindungen Nucleophile aromatische Substitution Substitution und Eliminierung Substitutionsreaktionen der Halogenalkane Eliminierungsreaktionen der Halogenalkane Substitutionsreaktionen der Alkohole Eliminierungsreaktionen von Alkoholen Oxidation von Alkoholen Reaktionen der Amine Reaktionen der Ether und Oxirane (Epoxide) Carbonylverbindungen Reaktionen der Carbonsäuren und deren Derivate Reaktionen der Aldehyde und Ketone Stereochemie organischer Stoffe Asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome Optische Aktivität Verbindungen mit mehreren chiralen Zentren Makromoleküle Natürliche Makromoleküle Synthetische Makromoleküle Synthetisch veränderte Naturstoffe Aufgaben zu Kapitel Volumetrische und gravimetrische Analyse (Lernfeld 7) Volumetrische Analyse Äquivalenzpunkterkennung Maßlösungen Titrationstechniken Säure-Base-Titration Redoxtitration Komplexometrische Titration Fällungstitration Spezielle Titrationen

7 4.2 Gravimetrische Analyse Gravimetrische Fällungsanalyse Feuchtigkeits- und Trockengehalt, Glührückstand Thermogravimetrie Elektrogravimetrie Aufgaben zu Kapitel Chromatografische Trenntechniken (Lernfeld 8) Gaschromatografie GC Trägergase Probenaufgabe Injektionssysteme Säulenofen und Säulen Detektoren Fehlersuche und Optimierung Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatografie HPLC Eluentenförderung Injektionssystem Säulen und Trennung Detektion Fehlersuche Spezielle chromatografische Methoden Ionenchromatografie Elektrophorese Aufgaben zu Kapitel Spektroskopie (Lernfeld 9) Grundgrößen der Wellenlehre Quantenprinzip und Energie Spektrenarten Aufbau von Spektralapparaten Signalauftrennung Detektion und Auswertung Bouguer-Lambert-Beer-Gesetz Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) Aufbau eines Atomabsorptionsspektrometers Strahlungsquellen Atomisierung Störungen der Atomabsorptionsmessung AAS-Quantifizierung mittels Standardadditionsverfahren Plasma-Emissionsspektrometrie Plasmafackel Polychromatoren in der Plasma-Emissionsspektroskopie Vergleich von AAS und ICP-OES Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) Aufgaben zu Kapitel

8 7 Strukturaufklärung organischer Verbindungen (Lernfeld 10) Organisch-analytische Vorproben Elementaranalyse und Molmassenbestimmung UV/Vis-Spektroskopie Anregung von Elektronen in Molekülen UV/Vis-Spektrometer Absorptionsspektroskopie an Molekülen Anwendungen der UV/Vis-Spektroskopie Infrarot-Spektroskopie (IR) Molekülschwingungen und Rotationen Angewandte IR-Spektroskopie Auswertung von IR-Spektren Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR) in der Anwendungspraxis Raman-Spektroskopie Massenspektrometrie (MS) Molekülpeaks und Fragmente Auswertung von Massenspektren Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) Kernspin und NMR-Signale Auswertung von 1 H-NMR-Spektren Auswertung von 13 C-NMR-Spektren Spezielle NMR-Techniken in der Anwendungspraxis Strukturaufklärung mit kombinierten Methoden Aromastoff Weckamin Explosivstoff Aufgaben zu Kapitel Produktionsprozesse überwachen (Lernfeld 12) Vom Labormaßstab zum chemischen Produktionsprozess Darstellung eines chemischen Produktionsprozesses Grundfließbild RI-Fließbild RI-Fließbild einer Umkristallisation Komponenten einer chemischen Produktionsanlage Rohrleitungen Nennweite DN Nenndruck PN Kennzeichnung von Rohrleitungen Armaturen Absperrarmaturen Sicherheitsarmaturen Armaturen mit anderen Aufgaben Fördereinrichtungen Fördern von Flüssigkeiten Zentrifugalpumpen

9 Verdrängerpumpen Strahlpumpen Fördern und Verdichten von Gasen, Erzeugung von Unterdruck Fördern von Feststoffen Zerkleinern von Feststoffen Brecher Mühlen Behälter und Reaktoren Rührbehälter Reaktoren Heiz- und Kühltechnik Energieträger Heizen und Kühlen von Rührbehältern Wärmeaustauscher und Kondensatoren Thermisches Trennen Trocknen Verdampfen Kristallisieren Mechanisches Trennen Trennen von Feststoffgemischen Trennen von Suspensionen Trennen von Emulsionen Prozessleittechnik Aufbau eines Prozessleitsystems (PLS) Messtechnik Steuerungstechnik Regelungstechnik Aufgaben zu Kapitel Werkstofftechnik (Lernfeld 13) Einteilung, Aufbau und Eigenschaften der Werkstoffe Allgemeine Werkstoffeigenschaften Polymerwerkstoffe Gläser Keramiken Verformung der Metalle Gitterdefekte und Gefüge Legierungen Zustandsschaubilder Gibbssche Phasenregel Binäre Systeme Eisen-Kohlenstoff-Legierungen Legierte Stähle Werkstoffprüfung Mechanische Werkstoffprüfung

10 9.3.2 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung Metallografie und Ätzverfahren Chemisch-physikalische Analyseverfahren Korrosion und Korrosionsschutz Ursachen der Korrosion Erscheinungsformen der Korrosion Korrosionsschutz Korrosionsbeständige Werkstoffe Rheologische Bestimmungen in der Praxis Aufgaben zu Kapitel Elektrochemie und Elektrotechnik (Lernfelder 15, 20) Grundbegriffe Elektrische Ladung Q Elektrische Spannung U Elektrischer Strom Ü Elektrischer Widerstand R Stromkreis Schaltzeichen Messung von Spannung U und Strom Ü Reihenschaltung Parallelschaltung Brückenschaltung Gleichrichtung Bauelemente Elektrochemische Vorgänge Daniell-Element Elektrodenvorgänge Standardpotentiale und Elektrochemische Spannungsreihe Bezugselektroden Nernst-Gleichung Galvanische Elemente Primärelemente Sekundärelemente Brennstoffzellen Elektrolyse Prinzipieller Ablauf Abscheidungspotentiale und Zersetzungsspannung Faraday-Gesetze Großtechnische Anwendungen Chlor-Alkali-Elektrolyse Kupfer-Raffination Aluminium-Darstellung Korrosion

11 10.8 Elektrochemische Analyseverfahren Konduktometrie Potentiometrie Amperometrie Voltammetrie Polarografie Coulometrie Elektrogravimetrie Aufgaben zu Kapitel Biotechnologie (Lernfelder 14, 17,18) Biologische Grundlagen Lebewesen und Eigenschaften lebender Systeme Biologische Stoffklassen Biologische Grundstrukturen und -funktionen Zellen der Prokaryonten Zellen der Eukaryonten Biologische Membranen Viren Gene als Träger der Erbinformationen Proteinbiosynthese Stoffwechsel und Energieumwandlung Mikrobiologie Einordnung und Eigenschaften von Mikroorganismen Bedeutung der Mikroorganismen für den Menschen Wachstum und Vermehrung von Mikroorganismen Wachstumsvoraussetzungen für Mikroorganismen Mikrobiologische und biotechnische Methoden Steriles Arbeiten und Sicherheitsvorkehrungen Sterilisationstechniken Kultivierung von Mikroorganismen Keimzahlbestimmungen und Wachstumsmessungen Mikroskopische Methoden Aufgaben zu Kapitel Anhang A Liste ausgewählter Gefahrstoffe B RI-Fließbildsymbole nach DIN EN ISO : und Kennbuchstaben nach DIN : Sachwortverzeichnis Bildquellenverzeichnis Das Periodensystem der Elemente... Umschlaginnenseiten 10