Grundwissen für technische Berufe Dr. Gisela Katzer Prof. Dr. Franz Katzer Handwerk und Technik Hamburg
Einleitung 11 1 Chemie und Physik 12 1.1 Arbeitsgebiete der Chemie und der Physik 12 1.2 Physik und physikalischer Vorgang 12 1.3 Änderungen des Aggregatzustandes als Beispiel für physikalische Vorgänge 12 1.4 Chemie und chemischer Vorgang 15 1.5 Chemische Eigenschaften 17 1.6 Änderung von Eigenschaften als Merkmale eines chemischen Vorgangs.. 18 2 Stoffe 19 2.1 Einteilung der Stoffe nach Vorkommen und Verwendung 19 2.2 Aggregatzustände von Stoffen 20 2.2.1 Gase 20 2.2.2 Flüssigkeiten 21 2.2.3 Festkörper 22 2.3 Zusammensetzung von Stoffen 23 2.3.1 Einteilung der Stoffe nach der Zusammensetzung 23 2.3.2 Gemische/Gemenge 24 2.3.3 Reine Stoffe 25 3 Bau der Atome 28 3.1 Geschichtliches 28 3.2 Elementarteilchen und Bau des Atomkerns 32 3.3 Protonen 32 3.4 Neutronen 32 3.5 Elektronen 33 3.6 Absolute und relative Atommasse 34 3.7 Relative Molekülmasse 35 3.8 Das Mol als Teilchen- oder Stoff menge 36 3.9 Beziehung zwischen AVOGADROscher und LOSCHMIDTscher Konstante 37 3.10 Bau der Atomhülle 38 4 Periodensystem 44 4.1 Periodizität der Eigenschaften 44 4.2 Periodizität des Atombaus 45 4.3 Energiestufen der Elektronen 47 4.4 Periodizität des Atomvolumens 49 5 Primäre chemische Bindungen SO 5.1 Elektronenpaarbildung durch Spinkopplung 50 5.2 Wirkung der elektrostatischen Kräfte auf das bindende Elektronenpaar 51 5.3 lonenbindung oder lonenbeziehung (heteropolare Bindung) 52 5.3.1 Bildung von Ionen 52 5.3.2 lonenwertigkeit 54 5.3.3 Elektronegativität 55 5.3.4 Struktur von lonenverbindungen im festen Zustand - lonengitter 57 3
5.4 Atombindung (kovalente oder homöopolare Bindung) 58 5.4.1 Bildung gemeinsamer Elektronenpaare 58 5.4.2 Unpolare Atombindung 59 5.4.3 Bindigkeit unpolarer Moleküle 61 5.4.4 Bindungsenergie und Gitterenergie unpolarer Stoffe 61 5.4.5 Struktur von unpolaren Molekülen im festen Zustand - Molekülgitter 62 5.4.6 Polare Atombindung 63 5.4.7 Bindigkeit polarer Moleküle und formale Oxidationszahl 64 5.4.8 Gestalt von Molekülen 66 5.5 Metallbindung 69 5.6 Übergänge zwischen den Bindungsarten 71 6 Sekundäre Bindungen 73 6.1 Nahkräfte zwischen den Molekülen 73 6.2 Polare Moleküle - Dipolmoleküle 73 6.3 Einteilung der zwischenmolekularen Kräfte 75 6.4 Pol-Orientierungskräfte (KEESOM-Kräfte) 76 6.5 Induktionskräfte (DEBYE-Kräfte) 77 6.6 Dispersionskräfte (LONDON-Kräfte) 78 6.7 Wasserstoffbrückenbindung 78 7 Einige Elemente des Periodensystems 80 7.1 Nichtmetalle 80 7.2 Bildung von Säuren 84 7.2.1 Zusammensetzung der Säuren 84 7.2.2 Sauerstofffreie Säuren 84 7.2.3 Sauerstoffhaltige Säuren 85 7.2.4 Flüchtige und schwerflüchtige Säuren 87 7.2.5 Starke und schwache Säuren - Dissoziation und Hydratation 89 7.2.6 Reaktion von verdünnten Säuren mit Metallen 91 7.2.7 Oxidierende Säuren 92 7.3 Metalle 94 7.3.1 Kristallstruktur 94 7.3.2 Allgemeine Eigenschaften der Metalle 99 7.3.3 Legierbarkeit 99 7.3.4 Einteilung und Verwendung der Metalle 102 7.3.5 Oxidation von Metallen 103 7.3.6 Metallhydroxide, Basen, Laugen 104 7.4 Salze als lonenverbindungen zwischen Metallen und Nichtmetallen 110 8 Stöchiometrische Berechnungen 114 8.1 Grundlegende Gesetze 114 8.2 Schrittfolge beim chemischen Rechnen 114 8.3 Rechenbeispiel für teilweisen Umsatz der Ausgangsstoffe 116 8.4 Rechenbeispiel für den Volumenumsatz 117 8.5 Rechenbeispiel für die Metallgewinnung aus Erzen 117 8.6 Aufgaben zur Stöchiometrie 118 4
9 Bedingungen für den Abiauf chemischer Reaktionen 119 9.1 Reaktionswärme und Reaktionsenthalpie 119 9.2 Exotherme Reaktionen - Verbrennungsenthalpie 119 9.3 Standardbildungsenthalpie 121 9.4 Rechnerische Bestimmung der Standard-Bildungsenthalpie 121 9.5 Aktivierung 122 9.6 Endotherme Reaktionen 125 9.7 Katalyse - Katalysatoren 126 9.8 Weitere Bedingungen für den Ablauf chemischer Vorgänge 129 10 Reaktionstypen anorganischer Verbindungen 130 10.1 Radikalreaktionen 130 10.2 lonenreaktionen 130 10.3 Protonenübergänge (Protolyse) oder Säure-Base-Reaktionen 131 10.4 Redoxreaktionen 132 11 Chemisches Gleichgewicht 135 11.1 Richtung und Umkehrbarkeit einer Reaktion - Prinzip vom kleinsten Zwang 135 11.2 Gleichgewicht zwischen Hin- und Rückreaktion 136 11.3 Massenwirkungsgesetz 137 11.4 Berechnung der Gleichgewichtskonstante K c 138 11.5 Verallgemeinerung des Massenwirkungsgesetzes 138 11.6 Bildung von Jodwasserstoffsäure 139 11.7 Dissoziationskonstante von Elektrolyten 139 11.8 lonenprodukt des Wassers und ph-wert 140 11.9 Indikatoren 142 12 Chemisch-technische Prozesse - Anwendung des Massenwirkungsgesetzes in der chemischen Technologie und Metallurgie 143 12.1 Erzeugung von Schwefelsäure im Kontaktverfahren 143 12.2 Erzeugung von Wassergas 145 12.3 Erzeugung von Ammoniak nach dem HABER-BOSCH-Verfahren 147 12.4 BOUDOUARDsches Gleichgewicht 150 13 Ausnutzung des BOUDOUARDschen Gleichgewichts bei der Erzeugung von Metallen 152 13.1 Gewinnung von Roheisen im Hochofenprozeß 152 13.1.1 Vorbehandlung der Eisenerze 152 13.1.2 Beschickung des Hochofens 153 13.1.3 Chemische Vorgänge im Hochofen 154 13.2 Produkte des Hochofens 155 13.3 Weiterverarbeitung des Roheisens zu Eisengußwerkstoffen 156 13.3.1 Einteilung der Eisenwerkstoffe 156 13.3.2 Weißes Roheisen, Hartguß, Temperguß 156 13.3.3 Graues Roheisen und Grauguß 157 5
13.4 Weiterverarbeitung des Roheisens zu Stahl 159 13.4.1 Begleitelemente des Eisens 159 13.4.2 Chemische Vorgänge bei der Stahlerzeugung 160 13.4.3 Erzeugung von Stahl durch das Blasstahlverfahren (LD-Verfahren) im Konverter 161 13.4.4 Weitere Verfahren der Stahlerzeugung 162 13.4.5 Desoxidation von Stahlschmelzen 163 13.5 Einteilung der Stähle 164 13.6 Gewinnung von Kupfer, Zink und Blei 166 14 Elektrochemie 167 14.1 Elektrochemische Vorgänge 167 14.2 Spannungsreihe der Metalle 167 14.3 Halbelemente 168 14.4 Galvanisches Element 169 14.5 Normalwasserstoffelektrode und Standardpotentiale 171 14.6 Polarisation, Überspannung und Passivität 174 14.7 Primär- und Sekundärelemente 175 14.7.1 Galvanische Spannungsquellen 175 14.7.2 Primärelemente 175 14.7.3 Sekundärelemente (Sammler oder Akkumulatoren) 176 14.7.4 Brennstoffzellen 179 14.8 Korrosionsvorgänge und Korrosionsschutz 180 14.8.1 Definition 180 14.8.2 Elektrochemische Korrosion zwischen zwei verschiedenen Metallen 181 14.8.3 Rosten des Eisens 182 14.8.4 Korrosion von kaltgeformtem Stahl 183 14.8.5 Korrosionsschutz 184 14.9 Elektrolyse 186 14.9.1 Wesen der Elektrolyse 186 14.9.2 Zersetzungsspannung 186 14.9.3 Wasserzersetzung mit Schwefelsäure 187 14.9.4 Elektrolyse von Kochsalzlösung 188 14.9.5 Galvanisieren 189 15 Wasser 190 15.1 Eigenschaften des Wassers 190 15.2 Wasser als Lösungsmittel und Einteilung der Lösungen 192 15.3 Konzentration von Lösungen - Löslichkeit 192 15.4 Vorgänge beim Lösen 193 15.5 Vorkommen und Bedeutung des Wassers 195 15.6 Trinkwasser 197 15.7 Aufbereitung des Trinkwassers 197 15.8 Wasserhärte 198 15.9 Enthärtung des Wassers 200 15.10 Abwasserbeiastung und Abwasserbehandlung 201 15.11 Wasser- und Bodenverseuchung durch Mülldeponien 202 6
16 Luft 203 16.1 Bestandteile der Luft 203 16.2 Sauerstoff 203 16.2.1 Eigenschaften und Bedeutung 203 16.2.2 Verwendung von Sauerstoff 204 16.3 Stickstoff 206 16.4 Luftverflüssigung 206 16.5 Das natürliche C0 2-0 2 -Gleichgewicht 207 16.6 Kohlenstoffdioxid und Treibhauseffekt 208 16.7 Ozongleichgewicht und Ozonabbau 209 17 Organische Chemie 213 17.1 Zum Begriff organische Chemie" 213 17.2 Bindungsmöglichkeiten des Kohlenstoffs 213 17.2.1 Bindungen des Kohlenstoffs mit anderen Elementen 213 17.2.2 Bindungen zwischen C-Atomen 214 17.3 Allgemeine Eigenschaften von organischen Stoffen 216 17.4 Organische Reaktionen 217 17.5 Aliphatische oder acyclische Kohlenwasserstoffe 217 17.5.1 Alkane oder Paraffine 217 17.5.2 Kettenisomerie 221 17.5.3 Alkene und Olefine 222 17.5.4 Alkine 225 17.6 Cycloalkane oder Naphthene 226 17.7 Chloralkane und andere Halogenverbindungen der Kohlenwasserstoffe... 227 17.8 Stellungsisomerie \ 229 17.9 Nitroalkane 229 17.10 Amine 230 17.11 Kettenförmige Alkanole oder Alkohole 230 17.12 Alkanale oder Aldehyde 232 17.13 Alkanone oder Ketone 233 17.14 Ether 233 17.15 Carbonsäuren oder Fettsäuren 234 17.15.1 Allgemeiner Aufbau 234 17.15.2 Gesättigte Carbonsäuren oder Alkansäuren 234 17.15.3 Ungesättigte Carbonsäuren oder Alkensäuren 236 17.15.4 Dicarbonsäuren 236 17.16 Verbindungen der Carbonsäuren 236 17.16.1 Ester der Carbonsäuren 236 17.16.2 Natürliche Fette und Öle - Fetthärtung 238 17.16.3 Natürliche Seifen und Waschmittel 238 17.16.4 Synthetische oberflächenaktive Stoffe 240 17.17 Aromatische Verbindungen 241 17.17.1 Benzen (Benzol) 241 17.17.2 Substitutionsverbindungen des Benzens (Benzols) 242 17.18 Kohlenhydrate 245 17.19 Eiweiße 246 7
18 Erdgas, Erdöl und Kohle als Energieträger und Rohstoff 248 18.1 Entstehung 248 18.2 Erdgas 249 18.3 Erdöl 249 18.4 Fraktionierte Destillation des Erdöls 250 18.5 Verunreinigung durch Mineralöle - Umweltprobleme 253 18.6 Weiterverarbeitung von Erdölfraktionen 254 18.6.1 Raffination 254 18.6.2 Erhöhung der Benzinausbeute durch Cracken 254 18.6.3 Qualitätsverbesserung des Benzins durch Reformingprozesse (Molekülumbau) 256 18.6.4 Verdichtbarkeit des Benzins - Octanzahl 256 18.6.5 Dieselkraftstoff - Cetanzahl 258 18.7 Mineralische und synthetische Schmieröle 258 18.8 Schmierfette und Festschmierstoffe 260 18.9 Kühlschmierstoffe 260 18.10 Härte-und Anlaßöle 261 18.11 Arbeitshygienische Aspekte 262 18.12 Kohle 262 18.12.1 Kohle als Energieträger und Rohstoff 262 18.12.2 Entgasung der Kohle (Verkokung).1 264 18.12.3 Vergasen der Kohle zu Synthesegas 265 19 Kunststoffe 266 19.1 Makromolekulare Stoffe - Definition und Einteilung 266 19.2 Geschichte und Bedeutung der Kunststoffe 267 19.3 Ausgangsstoffe 268 19.4 Synthesereaktionen und Produkte 268 19.4.1 Polymerisation 268 19.4.2 Polykondensation 274 19.4.3 Polyaddition 279 19.5 Allgemeine Eigenschaften der Kunststoffe 280 19.6 Chemiefasern 283 19.7 Recycling von Kunststoffen 284 Sachwort 287 Biidquellenverzeichnis 292 Periodensystem der Elemente (Ausschlagtafel) nach Seite 292