sverzeichnis 3 1. Chemische Grundbegriffe...9 1.1. Sinn und Zweck dieser Lehreinheit... 9 1.2. Das Wesen der Naturwissenschaften... 10 1.3. Stoffe und Körper...12 1.4. Physikalische und chemische Vorgänge... 14 1.5. Reine Stoffe und Stoffgemische... 17 1.6. Trennung von Stoffgemischen...20 1.6.1. Trennung heterogener Gemische...20 1.6.2. Trennung homogener Gemische...22 1.7. Maßeinheiten und Messwerte...22 1.7.1. Das SI-System...23 1.7.2. Messwertstreuung, signifikante Stellen... 27 1.7.3. Mittelwert und Standardabweichung... 28 1.7.4. Extensive und intensive Messgrößen... 30 2. Atome und Moleküle...31 2.1. Atombestandteile...31 2.2. Chemische Symbole...34 2.3. Aufbau der Elektronenhülle...36 2.3.1. Das Bohrsche Atommodell...36 2.3.2. Das wellenmechanische Atommodell... 39 2.4. Das Periodensystem der Elemente (PSE)... 49 2.5. Chemische Formeln und Gleichungen... 57 2.5.1. Chemische Formeln...57 2.5.2. Chemische Gleichungen...60 2.5.3. Beispiele für das Aufstellen chemischer Gleichungen... 63 3. Stöchiometrie...65 3.1. Stoffmenge und Molmasse...65 3.2. Aggregatzustände...68 3.3. Das ideale Gas...71 3.4. Gasmischungen...73 3.5. Lösungen...75 3.6. Konzentrationsangaben für Lösungen... 79 3.7. Stöchiometrisches Rechnen...80 3.8. Übungsaufgaben...82
4 4. Die chemische Bindung...87 4.1. Die kovalente Bindung...87 4.1.1. Die polarisierte kovalente Bindung... 90 4.2. Die Ionenbindung...93 4.2.1. Nomenklatur von Verbindungen...96 4.3. Die Metallbindung...97 4.4. Die koordinative Bindung...99 4.4.1. Komplexbindung am Elektronendonator... 100 4.4.2. Komplexbindung am Elektronenakzeptor... 101 4.5. Nomenklatur von Komplexen...102 4.6. Zwischenmolekulare Wechselwirkungen... 103 4.6.1. Dipol-Dipol-Wechselwirkungen...104 4.6.2. Van der Waals-Wechselwirkungen... 104 4.6.3. Wasserstoff-Brückenbindungen...104 5. Oxidation und Reduktion...106 5.1. Oxidation als Reaktion mit Sauerstoff... 106 5.2. Elektronenübertragungs- und Redoxreaktionen... 107 5.2.1. Oxidationszahlen...109 5.2.2. Spezielle Redoxreaktionen... 114 5.2.3. Redoxreaktionen in der chemischen Technik... 116 6. Ionenreaktionen... 119 6.1. Dissoziation und Elektrolyte... 119 6.2. Säuren und Basen...121 6.2.1. Das Arrhenius-Konzept...121 6.2.2. Das Brönstedt-Konzept...124 6.2.3. Das Lewis-Konzept...126 6.2.4. Vergleichende Übersicht über die Säure-/ Base-Konzepte...127 6.3. Neutralisation und Salze...127 6.4. Nomenklatur der Salze...129 6.4.1. Benennung der Kationen...129 6.4.2. Benennung der Anionen...130 6.4.3. Benennung der Salze...132 6.5. Volumetrische Analyse von Säuren und Basen... 133 6.6. Stärke der Elektrolyte...137 6.7. Fällungsreaktionen...139
6.8. Der ph-wert...141 6.9. Puffer...144 6.10. Übungsaufgaben und Musterlösungen... 147 6.10.1. Übungsaufgaben...147 6.10.2. Musterlösungen...148 5 7. Elektrochemie...151 7.1. Elektrodenarten...151 7.1.1. Elektrodenpotentiale und Elektrodenreaktionen... 152 7.2. Galvanische Elemente...160 7.2.1. Aufbau und Prinzip galvanischer Elemente... 160 7.2.2. Das Daniell-Element...161 7.3. Korrosion...163 7.3.1. Säure- und Sauerstoffkorrosion... 163 7.3.2. Korrosionsursachen...164 7.3.3. Korrosionsschutzmaßnahmen...167 7.4. Elektrolyse...169 7.4.1. Prinzip der Elektrolyse...169 7.4.2. Elektrolyse in wässrigen Lösungen... 171 7.4.3. Elektrolyse von Salzschmelzen...173 7.4.4. Technische Anwendungen der Elektrolyse... 173 7.5. Faradaysche Gesetze...176 7.6. Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen... 181 7.6.1. Die spezifische Leitfähigkeit...181 7.6.2. Konzentrations- und Temperaturabhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit...182 8. Grundlagen der chemischen Thermodynamik und Reaktionskinetik...184 8.1. Die Grundlagen der Thermodynamik... 184 8.2. Energie, Energieformen, Energiearten... 184 8.3. Zustandsgrößen...185 8.4. System und Umgebung...187 8.5. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik... 188 8.6. Die Innere Energie U...189 8.7. Die Enthalpie H...190 8.8. Der Zusammenhang zwischen Innerer Energie U und Enthalpie H...192
6 8.9. Exotherme und endotherme Reaktionen, Abhängigkeit der Enthalpie von der Reaktionsgleichung... 193 8.10. Der Satz von Hess...196 8.11. Wärmekapazität, spezifische Wärmekapazität und Wärmemenge...198 8.12. Standard-Reaktionsenthalpie ΔH, Standard-Bildungsenthalpie ΔH f und Standard-Verbrennungsenthalpie ΔH c.. 204 8.13. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik... 207 8.14. Die freie Enthalpie G...209 8.15. Freie Standard-Reaktionsenthalpie, Freie Standard-Bildungsenthalpie...212 8.16. Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik (Nernst sches Wärmetheorem)...213 8.17. Gleichgewichtsreaktionen...215 8.18. Die Gleichgewichtskonstanten K c, K p und K a... 220 8.19. Die Konstanten K w, K s und K B... 225 8.20. Das Löslichkeitsprodukt...228 8.21. Verschiebung von Gleichgewichten, Prinzip des kleinsten Zwangs...230 8.22. Reaktionskinetik (Geschwindigkeitskonstanten, Reaktionsordnungen)...234 8.22.1. Reaktionen 1. Ordnung...235 8.22.2. Reaktionen 2. Ordnung...240 8.22.3. Reaktionen 0. Ordnung...242 8.22.4. Ermittlung der Aktivierungsenergie einer Reaktion aus der Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit...243 8.23. Übungsaufgaben und Musterlösungen... 246 8.23.1. Übungsaufgaben zu Kapitel 8...246 8.23.2. Musterlösungen zu den Aufgaben... 246 9. Grundlagen der Organischen Chemie... 248 9.1. Besonderheiten der Organischen Chemie... 248 9.2. Formeldarstellung organischer Verbindungen... 252 9.3. Alkane und Cycloalkane...254 9.3.1. Die homologe Reihe der Alkane...254 9.3.2. Konstitutionsisomerie bei Alkanen... 256 9.3.3. Die Molekülgestalt der Alkane...260 9.3.4. Cycloalkane...264
9.3.5. Cis-Trans-Isomerie bei Cycloalkanen... 271 9.3.6. Physikalische und chemische Eigenschaften der Alkane.273 9.4. Alkene und Alkine...278 9.4.1. Die homologe Reihe der Alkene...278 9.4.2. Die Molekülgestalt der Alkene...280 9.4.3. Chemische Reaktionen der Alkene... 283 9.4.4. Alkine...284 9.5. Das sp 3 -hybridisierte Kohlenstoffatom...287 9.5.1. Chiralität...287 9.5.2. Reaktivität...291 9.6. Alkohole und Amine...295 9.6.1. Alkohole...295 9.6.2. Amine...297 9.7. Aldehyde und Ketone...298 9.8. Carbonsäuren und deren Derivate...300 9.9. Aromatische Verbindungen...303 9.10. Weitere Verbindungsklassen...305 9.10.1. Isocyanate und deren Derivate...305 9.10.2. Ether und Epoxide...306 7 10. Praktikumsversuche...309 10.1. Kaliumpermanganat-Verbrauch (Chemischer Sauerstoffbedarf; CSB) eines Oberflächenwassers... 309 10.2. Katalytische Oxidation von Ethanol zu Ethanal... 313 10.3. Volumetrische Analyse eines Beizbades... 316 10.4. Bestimmung der Wasserhärte...320 10.4.1. Bestimmung der Gesamthärte des Wassers nach Boutron-Boudet...321 10.4.2. Bestimmung der Gesamthärte durch komplexometrische Titration...322 10.4.3. Bestimmung der temporären Härte (SBV) durch Titration mit 0,1 M HCl gegen Methylorange... 324 10.5. Nachweis wichtiger Ionen durch Fällungsreaktionen... 326 10.6. Volumetrische Titration von Phosphorsäure und ph-messung...330 10.7. Gravimetrische Silberbestimmung...334
8 10.8. Bestimmung der Faraday - Konstante durch Wasserelektrolyse...336 10.9. Galvanische Elemente...340 11. Indexverzeichnis...344