1 Chemie - eine Naturwissenschaft 9 1.1 Die Chemie im Kanon der Naturwissenschaften 10 1.2 Denk- und Arbeitsweisen in der Chemie 13 1.2.1 Begriffe und Größen 13 1.2.2 Gesetze, Modelle und Theorien in der Chemie 18 1.2.3 Erkenntnisgewinn in der Chemie 20 1.2.4 Vorbereitung, Durchführung und Auswertung chemischer Experimente 26 1.3 Stöchiometrie 31 1.3.1 Molare und Zusammensetzungsgrößen 31 1.3.2 Berechnungen zu chemischen Reaktionen 35 Bestimmung von Massen und Volumina 16 Aufgaben zur Stöchiometrie 37 2 Kernchemie 41 2.1 Kernchemie 42 2.2 Kernbausteine - Nukleonen 42 2.2.1 Stabilität von Atomkernen und Kernreaktionen 43 2.3 Entstehung der Elemente 54 2.3.1 Kernsynthese der Elemente 54 2.3.2 Häufigkeit der Elemente 56 Biologische Effekte der Radioaktivität 46, Geologische Altersbestimmung und Datierung 52 Das Wichtigste im Überbück: Bau des Atomkerns und Kernumwandlungen 58 Al t_,u r -.. Kernchemie...'... 59 3 Atombau und Periodensystem 61 3.1 Atombau '. 62 3.1.1 Historische Entwicklung des Atommodells 62 3.1.2 Das Atommodell nach BOHR und SOMMERFELD 64 3.1.3 Das moderne quantenmechanische Atommodell 69 3.2 Das Periodensystem der Elemente 77 3.2.1 Historie 77 3.2.2 Ordnungsprinzip im Periodensystem 78 3.2.3 Periodizität der Eigenschaften 80 Spektralanalyse und Struktur der Atomhülle 66 Atombau und Periodensystem der Elemente 89 Aufgaben und Experimente zum Atombau 90 4 Chemische Bindung 93 4.1 Hauptbindungsarten 94 4.1.1 Überblick 94 4.1.2 Atombindung (kovalente Bindung) 95 4.1.3 lonenbindung 112 4.2 Besondere Wechselwirkungen zwischen Molekülen 121 4.2.1 Van-der-Waals-Kräfte 121
4.2.2 Wasserstoffbrückenbindungen 122 Fullerene - Moleküle in Kugelform 107, Dichteanomalie des Wassers in der Natur 124 Chemische Bindung-Wechselwirkung zwischen Atomen und Ionen 125 Aufgaben und Experimente zur chemischen Bindung 126 5 Physikalische Chemie 129 5.1 Chemische Thermodynamik 130 5.1.1 Energie und Energieerhaltung 130 5.1.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 134 5.1.3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 139 5.1.4 Die freie Enthalpie 143 5.2 Elektrochemische Prozesse 149 5.2.1 Elektrische Leitung und Elektrolyte 149 5.2.2 Elektroden und Elektrodenpotenziale 150 5.2.3 Elektrochemische Zellen und Zellspannung 156 5.2.4 Elektrolytische Prozesse 168 5.3 Chemische Kinetik 174 5.3.1 Zeitlicher Ablauf chemischer Reaktionen 174 5.3.2 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 180 5.3.3 Mechanismus chemischer Reaktionen 183 5.3.4 Katalysatoren und Katalyse 186 Akkumulatoren und Wasserstoff als chemische Energiespeicher 164, Raffination von Kupfer durch Elektrolyse 171, Katalysatoren in Kraftfahrzeugen 189 Energetik chemischer Reaktionen und Hauptsätze der Thermodynamik 148, Elektrochemische Prozesse als spezielle Redoxreaktionen 173, Geschwindigkeit und Mechanismus chemischer Reaktionen 190 Aufgaben und Experimente zur physikalischen Chemie 191 6 Chemisches Gleichgewicht 199 6.1 Das chemische Gleichgewicht 200 6.1.1 Umkehrbarkeit chemischer Reaktionen 200 6.1.2 Einstellung des chemischen Gleichgewichts 201 6.1.3 Massenwirkungsgesetz und Gleichgewichtskonstante 202 6.1.4 Zusammenhang zwischen Gleichgewichtskonstante und freier Standardreaktionsenthalpie 206 6.2 Beeinflussung des chemischen Gleichgewichts 208 6.2.1 Einfluss der Temperatur und des Drucks 208 6.2.2 Einfluss weiterer Reaktionsbedingungen 210 6.3 Anwendungen des Massenwirkungsgesetzes 212 6.3.1 Das Ammoniakgleichgewicht 212 6.3.2 Löslichkeitsgieichgewichte und Löslichkeitsprodukt 213 6.3.3 Gekoppelte Gleichgewichte 215 Gekoppelte Gleichgewichte in der Natur 216
Merkmale und Einflussfaktoren auf das chemische Gleichgewicht 217 Aufgaben und Experimente zur physikalischen Chemie 218 7 Protonen- und Elektronenübertragungsreaktionen.. 221 7.1 Säuren und Basen 222 7.1.1 Säure-Base-Theorie nach BRÖNSTED 222 7.1.2 Säure-Base-Gleichgewichte 224 7.1.3 Amphoterie 235 7.1.4 Neutralisationsreaktionen 238 7.1.5 Säure-Base-Theorie nach LEWIS 245 7.1.6 Säuren und Basen im Alltag 246 7.2 Redoxreaktionen 249 7.2.1 Redoxreaktionen als Donor-Akzeptor-Reaktion 249 7.2.2 Oxidationszahlen 251 7.2.3 Aufstellen von Redoxgleichungen 253 7.2.4 Standardredoxpotenziale und Redoxgleichgewichte 254 7.2.5 Anwendungen von Redoxreaktionen 257 Feststoffe mit sauren Eigenschaften 236, Puffergleichgewichte im Blut 244, Die Entstehung der sauerstoffhaltigen Erdatmosphäre 260 Säure- und Base-Verhalten von Stoffen 248, Redoxreaktionen und Oxidationszahlen 262 Aufgaben und Experimente 263 8 Komplexchemie 269 8.1 Grundlagen der Komplexchemie 270 8.1.1 Aufbau und Nomenklatur von Komplexen 270 8.1.2 Darstellung von Komplexverbindungen 272 8.1.3 Stabilität von Komplexen 274 8.1.4 Bindungsverhältnisse in Komplexen 276 8.2 Eigenschaften und Bedeutung von Komplexen 280 Chemie und Fotografie 284, Wasserhärte - ein komplexes" Problem? 286 Chemie von Komplexverbindungen 287 Aufgaben und Experimente zur Komplexchemie 288 9 Strukturen und Reaktionen organischer Verbindungen 291 9.1 Allgemeine Grundlagen der organischen Chemie 292 9.1.1 Namen, Formeln und Strukturen 292 9.1.2 Elektronische Effekte in organischen Verbindungen 294 9.1.3 Der Isomeriebegriff 296 9.1.4 Reagenzien, Substrate, Reaktionen 301 9.1.5 Reaktionstypen in der organischen Chemie 303 9.2 Aliphatische Kohlenwasserstoffe 320 9.2.1 Nomenklatur aliphatischer Kohlenwasserstoffe 320 9.2.2 Gesättigte kettenförmige Kohlenwasserstoffe 323 9.2.3 Ungesättigte kettenförmige Kohlenwasserstoffe 328 9.3 Aromatische Kohlenwasserstoffe 331
9.3.1 Der aromatische Zustand 331 9.3.2 Substituierte Benzene 335 9.3.3 Biologische Aktivität aromatischer Verbindungen 337 9.4 Strukturen und Reaktionen organischer Verbindungen mit funktioneilen Gruppen 339 9.4.1 Funktionelle Gruppen 339 9.4.2 Halogenalkane 340 9.4.3 Amine 342 9.4.4 Alkohole und Phenole 344 9.4.5 Ether 350 9.4.6 Carbonylverbindungen 351 9.4.7 Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 355 9.5 Naturstoffe 365 9.5.1 Kohlenhydrate 365 9.5.2 Fette 373 9.5.3 Aminosäuren, Peptide und Proteine 376 9.6 Chemie in Biosystemen 389 9.6.1 Stoffwechsel und Biokatalyse 389 9.6.2 Autotrophe Assimilation - Fotosynthese 394 9.6.3 Heterotrophe Assimilation 396 9.6.4 Dissimilation - Atmung 400 9.6.5 Dissimilation - Gärung 403 Stereoisomere im Sehprozess 298, Benzin, Diesel und andere Kraftstoffe 326, Essigsäure - die wichtigste Carbonsäure 359, Organische Kampfstoffe 362, Organische Sprengstoffe 363, Fasern aus Eiweißen und Kohlenhydraten 384 Modellhafte Darstellungsformen organischer Moleküle 318, Reaktive Teilchen und Reaktionstypen in der organischen Chemie 319, Typische Reaktionen organischer Verbindungen mit funktioneilen Gruppen 364, Wichtige Stoffklassen in der Natur - Kohlenhydrate, Fette und Proteine 388, Stoffwechsel - chemische Reaktionen in biologischen Systemen 405 Aufgaben und Experimente zur organischen Chemie 406 10 Ausgewählte Anwendungen der Chemie 419 10.1 Werkstoffe... 420 10.1.1 Aufbau und Bildung synthetischer organischer Polymere 420 10.1.2 Struktur und Eigenschaften von Kunststoffen 430 10.1.3 Verarbeitung von Kunststoffen 434 10.1.4 Maßgeschneiderte synthetische Polymere 435 10.1.5 Kunststoffverwertung 440 10.1.6 Metallische Werkstoffe 442 10.1.7 Silicone, Silicate und Gläser 446 10.2 Farbstoffe 453 10.2.1 Grundlagen der Farbigkeit 453 10.2.2 Natürliche Farbstoffe 456 10.2.3 Synthetische Farbstoffe 457 10.2.4 Färbeverfahren 460 10.3 Tenside und Waschmittel 462 10.3.1 Tenside als grenzflächenaktive Stoffe 462
10.3.2 Anwendungen von Tensiden 464 10.3.3 Waschmittel 467 10.4 Arzneimittel 471 10.4.1 Entwicklung von Arzneimitteln 471 10.4.2 Wirkungsweise von Arzneistoffen 472 10.4.3 Arzneistoff Synthese 476 10.5 Ausgewählte chemisch-technische Verfahren 477 10.5.1 Besonderheiten chemisch-technischer Prozesse 477 10.5.2 Technische Herstellung von Ammoniak 480 10.5.3 Technische Herstellung von Salpetersäure 482 10.5.4 Technische Herstellung von Schwefelsäure 484 10.5.5 Technische Herstellung von Chlor und Natronlauge 486 10.5.6 Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse 488 10.5.7 Erdölverarbeitung - Gewinnung von Treibstoffen und Rohstoffen für die chemische Industrie 490 10.6 Umweltbezogene Chemie 498 10.6.1 Chemikalieneintrag in die Umwelt 498 10.6.2 Stoffkreisläufe 499 10.6.3 Belastungen der Atmosphäre 502 10.6.4 Belastungen der Gewässer 508 10.6.5 Belastungen des Bodens 512 Biologisch abbaubare Werkstoffe 438, Faserverstärkte Kunststoffe 439, Keramische Werkstoffe 450, Farbige Lebensmittel - Das Auge isst mit" 458, Tenside in Küche und Bad 466, Gifte, Drogen und Arzneistoffe 474, Nachwachsende Rohstoffe für die chemische Industrie 478, Chemieprodukte ohne Umweltbelastung? 496, Der Kreislauf des Stickstoffs 500 Systematisierung von Werkstoffen 452, Strukturen und Eigenschaften von Farbstoffen und Tensiden 470, Umweltbelastungen durch anthropogene Einflüsse 513 Aufgaben zu Anwendungen der Chemie 514 11 Chemische Analytik 525 11.1 Klassische Analyseverfahren 526 11.1.1 Qualitative anorganische Analyse 526 11.1.2 Analyse organischer Verbindungen 530 11.2 Instrumentelle Analyseverfahren 536 11.2.1 Elektrochemische Analyseverfahren 536 11.2.2 Chromatograf sehe Analysemethoden 542 11.2.3 Spektroskopische Analysemethoden 547 Moderne Analyseverfahren in der Medizin 552 Qualitative und quantitative Analyse von Stoffen 554 Aufgaben und Experimente zur chemischen Analytik 555 A Anhang 559 Periodensystem der Elemente 560, Grundregeln zur Sicherheit beim chemischen Experimentieren 561, Gefahrenhinweise und Sicherheitsratschläge 563 Register 565