Charles E. Mortimer, Ulrich Müller: Chemie | 1 |
Vorderer Einband | 2 |
Auf einen Blick | 5 |
Innentitel | 9 |
Impressum | 10 |
Vorwort | 11 |
Danksagung | 12 |
Hinweise zur Benutzung | 13 |
Inhaltsverzeichnis | 15 |
1 Einleitung | 21 |
1.1 Historische Entwicklung der Chemie | 22 |
1.2 Elemente, Verbindungen, Gemische | 25 |
1.3 Stofftrennung | 27 |
1.3.1 Heterogene Gemische | 27 |
1.3.2 Homogene Gemische | 29 |
1.4 Maßeinheiten | 30 |
1.5 Genauigkeit und signifikante Stellen | 31 |
1.6 Mittelwert und Standardabweichung | 32 |
2 Einführung in die Atomtheorie | 34 |
2.1 Die Dalton-Atomtheorie | 34 |
2.2 Das Elektron | 35 |
2.2.1 Die Ladung des Elektrons | 36 |
2.3 Das Proton | 36 |
2.4 Das Neutron | 37 |
2.5 Aufbau der Atome | 37 |
2.5.1 Natürliche Radioaktivität | 37 |
2.5.2 Das Rutherford-Atommodell | 38 |
2.6 Atomsymbole | 39 |
2.7 Isotope | 39 |
2.8 Atommassen | 40 |
3 Stöchiometrie Teil I: Chemische Formeln | 43 |
3.1 Moleküle und Ionen | 43 |
3.1.1 Moleküle | 43 |
3.1.2 Ionen | 44 |
3.1.3 Andere Atomaggregate | 45 |
3.2 Empirische Formeln | 45 |
3.3 Das Mol | 45 |
3.4 Prozentuale Zusammensetzung von Verbindungen | 47 |
3.5 Ermittlung chemischer Formeln | 48 |
4 Stöchiometrie Teil II: Chemische Reaktionsgleichungen | 52 |
4.1 Chemische Reaktionsgleichungen | 52 |
4.1.1 Verbrennungsprozesse | 53 |
4.1.2 Umrechnung auf umgesetzte Massen | 54 |
4.2 Begrenzende Reaktanden | 55 |
4.3 Ausbeute bei chemischen Reaktionen | 56 |
4.4 Konzentration von Lösungen | 56 |
5 Energieumsatz bei chemischen Reaktionen | 61 |
5.1 Energiemaße | 62 |
5.2 Temperatur und Wärme | 62 |
5.3 Kalorimetrie | 63 |
5.4 Reaktionsenergie und Reaktionsenthalpie | 64 |
5.5 Der Satz von Hess | 66 |
5.6 Bildungsenthalpien | 67 |
5.7 Bindungsenergien | 70 |
6 Die Elektronenstruktur der Atome | 74 |
6.1 Elektromagnetische Strahlung | 75 |
6.2 Atomspektren | 76 |
6.2.1 Das Bohr-Atommodell | 77 |
6.3 Ordnungszahl und das Periodensystem der Elemente | 79 |
6.3.1 Das Moseley-Gesetz | 81 |
6.3.2 Einteilung des Periodensystems | 81 |
6.4 Wellenmechanik | 83 |
6.4.1 Die De-Broglie-Beziehung | 83 |
6.4.2 Die Heisenberg-Unschärferelation | 84 |
6.4.3 Das Elektron im Kasten | 85 |
6.4.4 Die Schrödinger-Gleichung | 86 |
6.5 Quantenzahlen | 87 |
6.5.1 Das Pauli-Prinzip | 91 |
6.6 Orbitalbesetzung und die Hund-Regel | 91 |
6.7 Die Elektronenstruktur der Elemente | 94 |
6.8 Halb- und vollbesetzte Unterschalen | 96 |
6.9 Einteilung der Elemente | 99 |
7 Eigenschaften der Atome und die Ionenbindung | 102 |
7.1 Atomgröße | 103 |
7.2 Ionisierungsenergien | 105 |
7.3 Elektronenaffinitäten | 107 |
7.4 Die Ionenbindung | 109 |
7.5 Gitterenergie | 110 |
7.6 Arten von Ionen | 112 |
7.7 Ionenradien | 114 |
7.8 Nomenklatur von Ionenverbindungen | 116 |
8 Die kovalente Bindung | 119 |
8.1 Konzept der kovalenten Bindung | 119 |
8.2 Übergänge zwischen Ionenbindung und kovalenter Bindung | 121 |
8.3 Elektronegativität | 123 |
8.4 Formalladungen | 125 |
8.5 Mesomerie (Resonanz) | 127 |
8.6 Nomenklatur von binären Molekülverbindungen | 129 |
9 Molekülstruktur, Molekülorbitale | 131 |
9.1 Ausnahmen zur Oktettregel | 132 |
9.2 Elektronenpaar-Abstoßung und Molekülstruktur | 132 |
9.3 Hybridorbitale | 137 |
9.4 Molekülorbitale | 139 |
9.5 Molekülorbitale in mehratomigen Molekülen | 143 |
9.6 Delokalisierte Bindungen | 144 |
9.7 Stark polare kovalente Bindungen | 148 |
9.8 Hypervalente Atome | 148 |
9.9 Die Bindung in Metallen | 150 |
9.10 Halbleiter | 153 |
10 Gase | 155 |
10.1 Druck | 156 |
10.2 Das Avogadro-Gesetz | 157 |
10.3 Das ideale Gasgesetz | 158 |
10.4 Stöchiometrie und Gasvolumina | 160 |
10.5 Die kinetische Gastheorie | 162 |
10.5.1 Herleitung des idealen Gasgesetzes mit der kinetischen Gastheorie | 162 |
10.6 Das Dalton-Gesetz der Partialdrücke | 163 |
10.7 Molekülgeschwindigkeiten in Gasen | 165 |
10.8 Das Graham-Effusionsgesetz | 166 |
10.9 Reale Gase | 167 |
10.10 Verflüssigung von Gasen | 169 |
11 Flüssigkeiten | 173 |
11.1 Intermolekulare Anziehungskräfte | 174 |
11.2 Wasserstoff-Brücken | 176 |
11.3 Der flüssige Zustand | 177 |
11.4 Verdampfung | 178 |
11.5 Dampfdruck | 179 |
11.6 Siedepunkt | 180 |
11.7 Verdampfungsenthalpie | 180 |
11.8 Gefrierpunkt und Schmelzpunkt | 181 |
11.9 Dampfdruck von Festkörpern | 182 |
11.10 Phasendiagramme | 182 |
12 Feststoffe | 185 |
12.1 Arten von kristallinen Feststoffen | 186 |
12.2 Kristallstruktur und Symmetrie | 187 |
12.3 Kristallstrukturen von Metallen | 190 |
12.4 Ionenkristalle | 193 |
12.5 Defektstrukturen | 196 |
12.6 Flüssigkristalle | 197 |
12.7 Nanostrukturen | 197 |
13 Strukturaufklärung | 201 |
13.1 Röntgenbeugung | 201 |
13.2 Kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie | 206 |
14 Lösungen | 211 |
14.1 Allgemeine Betrachtungen | 212 |
14.2 Der Auflösungsprozess | 213 |
14.3 Hydratisierte Ionen | 214 |
14.4 Lösungsenthalpie | 215 |
14.5 Abhängigkeit der Löslichkeit von Druck und Temperatur | 216 |
14.6 Konzentration von Lösungen | 217 |
14.7 Dampfdruck von Lösungen | 220 |
14.8 Gefrierpunkt und Siedepunkt von Lösungen | 221 |
14.9 Osmose | 223 |
14.10 Destillation | 226 |
14.11 Elektrolyt-Lösungen | 227 |
14.12 Interionische Wechselwirkungen in Lösungen | 228 |
14.13 Kolloide Lösungen und Gele | 229 |
14.14 Tenside und Mizellen | 229 |
14.15 Ionische Flüssigkeiten | 231 |
15 Reaktionen in wässriger Lösung | 234 |
15.1 Metathese-Reaktionen | 234 |
15.2 Oxidationszahlen | 237 |
15.3 Reduktions-Oxidations-Reaktionen | 239 |
15.4 Arrhenius-Säuren und -Basen | 242 |
15.5 Saure und basische Oxide | 244 |
15.6 Nomenklatur von Säuren, Hydroxiden und Salzen | 245 |
15.7 Volumetrische Analyse | 247 |
15.8 Äquivalentmasse und Äquivalentkonzentration | 249 |
16 Reaktionskinetik | 253 |
16.1 Reaktionsgeschwindigkeit | 254 |
16.2 Konzentrationsabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit | 255 |
16.3 Zeitabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit | 256 |
16.3.1 Reaktionen erster Ordnung | 256 |
16.3.2 Reaktionen zweiter Ordnung | 258 |
16.3.3 Reaktionen nullter Ordnung | 259 |
16.4 Einstufige Reaktionen | 260 |
16.4.1 Kollisionstheorie | 261 |
16.4.2 Theorie des Übergangszustands | 262 |
16.5 Geschwindigkeitsgesetze für einstufige Reaktionen | 263 |
16.6 Reaktionsmechanismen | 264 |
16.7 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit | 266 |
16.8 Katalyse | 267 |
17 Das chemische Gleichgewicht | 273 |
17.1 Reversible Reaktionen und chemisches Gleichgewicht | 274 |
17.2 Die Gleichgewichtskonstante Kc | 275 |
17.2.1 Heterogene Gleichgewichte | 278 |
17.3 Die Gleichgewichtskonstante Kp | 278 |
17.4 Das Prinzip des kleinsten Zwanges | 280 |
18 Säuren und Basen | 284 |
18.1 Das Arrhenius-Konzept | 285 |
18.2 Das Brønsted-Lowry-Konzept | 285 |
18.3 Die Stärke von Brønsted-Säuren und -Basen | 286 |
18.4 Säurestärke und Molekülstruktur | 287 |
18.4.1 Säuren, in denen Wasserstoff-Atome nicht an Sauerstoff-Atome gebunden sind | 288 |
18.4.2 Oxosäuren | 289 |
18.5 Das Lewis-Konzept | 290 |
18.6 Lösungsmittelbezogene Säuren und Basen | 292 |
19 Säure-Base-Gleichgewichte | 295 |
19.1 Das Ionenprodukt des Wassers. pH-Wert | 296 |
19.2 Schwache Elektrolyte | 297 |
19.3 Indikatoren | 302 |
19.4 Pufferlösungen | 303 |
19.5 Mehrprotonige Säuren | 306 |
19.6 Salze schwacher Säuren und Basen | 309 |
19.7 Säure-Base-Titrationen | 311 |
19.7.1 Titration einer starken Säure mit einer starken Base | 311 |
19.7.2 Titration einer schwachen Säure mit einer starken Base | 312 |
19.7.3 Titration einer schwachen Base mit einer starken Säure | 313 |
19.8 Erweiterung des Säure-Base-Konzepts auf Festkörper | 313 |
20 Löslichkeitsprodukt und Komplex-Gleichgewichte | 317 |
20.1 Das Löslichkeitsprodukt | 317 |
20.2 Fällungsreaktionen | 319 |
20.3 Fällung von Sulfiden | 322 |
20.4 Komplex-Gleichgewichte | 323 |
21 Grundlagen der chemischen Thermodynamik | 328 |
21.1 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik | 329 |
21.2 Enthalpie | 330 |
21.3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik | 331 |
21.4 Die freie Enthalpie | 333 |
21.5 Freie Standard-Enthalpien | 335 |
21.6 Absolute Entropien | 335 |
21.7 Gleichgewicht und freie Reaktionsenthalpie | 337 |
21.8 Temperaturabhängigkeit von Gleichgewichtskonstanten | 339 |
22 Elektrochemie | 342 |
22.1 Elektrischer Strom | 343 |
22.2 Elektrolytische Leitung | 344 |
22.3 Elektrolyse | 345 |
22.4 Stöchiometrische Gesetze bei der Elektrolyse | 346 |
22.5 Galvanische Zellen | 348 |
22.6 Die elektromotorische Kraft | 349 |
22.7 Elektrodenpotenziale | 350 |
22.8 Freie Reaktionsenthalpie und elektromotorische Kraft | 354 |
22.9 Konzentrationsabhängigkeit des Potenzials | 356 |
22.10 Potenziometrische Titration | 360 |
22.11 Elektrodenpotenziale und Elektrolyse | 360 |
22.12 Korrosion und Korrosionsschutz | 361 |
22.13 Elektrochemische Herstellung von nanostrukturierten Materialien | 362 |
22.14 Galvanische Zellen für den praktischen Gebrauch | 363 |
22.15 Brennstoffzellen | 365 |
23 Wasserstoff | 369 |
23.1 Vorkommen und physikalische Eigenschaften | 369 |
23.2 Herstellung von Wasserstoff | 370 |
23.2.1 Technische Herstellungsverfahren | 370 |
23.2.2 Laboratoriumsmethoden | 372 |
23.3 Chemische Eigenschaften des Wasserstoffs | 372 |
23.4 Technische Verwendung von Wasserstoff | 374 |
24 Halogene | 375 |
24.1 Eigenschaften der Halogene | 375 |
24.2 Vorkommen und Herstellung der Halogene | 377 |
24.3 Interhalogen-Verbindungen | 379 |
24.4 Halogenwasserstoffe | 381 |
24.5 Halogenide | 382 |
24.6 Oxosäuren der Halogene | 383 |
24.6.1 Hypohalogenige (oder Unterhalogenige) Säuren und Hypohalogenite | 384 |
24.6.2 Chlorige Säure und Chlorite | 386 |
24.6.3 Halogensäuren und Halogenate | 386 |
24.6.4 Perhalogensäuren und Perhalogenate | 387 |
24.7 Verwendung der Halogene | 387 |
25 Die Edelgase | 389 |
25.1 Vorkommen und Gewinnung der Edelgase | 389 |
25.2 Eigenschaften der Edelgase | 390 |
25.3 Verwendung der Edelgase | 391 |
26 Die Elemente der 6. Hauptgruppe (Gruppe 16) | 392 |
26.1 Allgemeine Eigenschaften der Chalkogene | 393 |
26.2 Vorkommen und Gewinnung von Sauerstoff | 394 |
26.3 Reaktionen des Sauerstoffs | 394 |
26.4 Verwendung von Sauerstoff | 397 |
26.5 Ozon | 397 |
26.6 Schwefel, Selen und Tellur | 398 |
26.7 Vorkommen und Gewinnung von Schwefel, Selen und Tellur | 399 |
26.8 Wasserstoff-Verbindungen von Schwefel, Selen und Tellur | 400 |
26.9 Schwefel-, Selen- und Tellur-Verbindungen in der Oxidationsstufe +IV | 401 |
26.10 Schwefel-, Selen- und Tellur-Verbindungen in der Oxidationsstufe +VI | 403 |
26.11 Verwendung von Schwefel, Selen und Tellur | 406 |
27 Die Elemente der 5. Hauptgruppe (Gruppe 15) | 408 |
27.1 Allgemeine Eigenschaften | 409 |
27.2 Die Elementstrukturen von Phosphor, Arsen, Antimon und Bismut | 410 |
27.3 Der Stickstoffzyklus | 411 |
27.4 Vorkommen und Herstellung der Elemente der 5. Hauptgruppe | 412 |
27.5 Nitride und Phosphide | 413 |
27.6 Wasserstoff-Verbindungen | 414 |
27.7 Halogen-Verbindungen | 416 |
27.8 Oxide und Oxosäuren des Stickstoffs | 417 |
27.9 Luftverschmutzung | 420 |
27.10 Oxide und Oxosäuren des Phosphors | 424 |
27.11 Oxide und Oxosäuren von Arsen, Antimon und Bismut | 426 |
27.12 Verwendung der Elemente der 5. Hauptgruppe | 427 |
28 Kohlenstoff, Silicium und Bor | 429 |
28.1 Allgemeine Eigenschaften der Elemente der 4. Hauptgruppe | 430 |
28.2 Die Strukturen der Elemente der 4. Hauptgruppe | 432 |
28.3 Vorkommen, Gewinnung und Verwendung von Kohlenstoff und Silicium | 434 |
28.4 Carbide, Silicide und Silane | 436 |
28.5 Oxide und Oxosäuren des Kohlenstoffs | 438 |
28.6 Siliciumdioxid und Silicate | 439 |
28.7 Schwefel- und Stickstoff-Verbindungen des Kohlenstoffs | 442 |
28.8 Allgemeine Eigenschaften der Elemente der 3. Hauptgruppe (Gruppe 13) | 442 |
28.9 Elementares Bor | 443 |
28.10 Bor-Verbindungen | 444 |
28.11 Borane (Borhydride) | 445 |
29 Metalle | 448 |
29.1 Physikalische Eigenschaften von Metallen | 449 |
29.2 Vorkommen von Metallen | 451 |
29.3 Metallurgie: Aufbereitung von Erzen | 452 |
29.4 Metallurgie: Reduktion | 454 |
29.5 Metallurgie: Raffination | 459 |
29.6 Metallurgie: Wiederaufbereitung | 460 |
29.7 Die Alkalimetalle | 461 |
29.8 Die Erdalkalimetalle | 464 |
29.9 Die Metalle der 3. Hauptgruppe | 467 |
29.10 Die Metalle der 4. Hauptgruppe | 470 |
29.11 Die Übergangsmetalle | 472 |
29.12 Die Lanthanoide | 477 |
30 Komplex-Verbindungen | 481 |
30.1 Struktur von Komplex-Verbindungen | 482 |
30.2 Stabilität von Komplexen | 486 |
30.3 Nomenklatur von Komplexen | 487 |
30.4 Isomerie | 487 |
30.5 Die Bindungsverhältnisse in Komplexen | 489 |
31 Organische Chemie Teil I: Kohlenwasserstoffe | 499 |
31.1 Alkane | 500 |
31.1.1 Konformation der Alkane und Cycloalkane | 502 |
31.1.2 Gewinnung von Alkanen und Cycloalkanen | 504 |
31.1.3 Eigenschaften der Alkane | 506 |
31.2 Alkene | 506 |
31.3 Alkine | 507 |
31.4 Arene | 508 |
31.5 Reaktionen der Kohlenwasserstoffe. Radikalische Substitution. Addition | 509 |
31.6 Cycloaddition und die Bedeutung der Orbitalsymmetrie für chemische Reaktionen | 512 |
31.7 Reaktionen von Arenen. Elektrophile Substitution | 512 |
32 Organische Chemie Teil II: Funktionelle Gruppen | 517 |
32.1 Halogenalkane. Nucleophile Substitution. Eliminierungsreaktionen | 518 |
32.2 Metallorganische Verbindungen | 521 |
32.3 Alkohole, Phenole und Thiole | 522 |
32.4 Ether | 525 |
32.5 Carbonyl-Verbindungen | 526 |
32.6 Carbonsäuren und ihre Derivate | 531 |
32.7 Amine und Carbonsäureamide | 538 |
32.8 Aminosäuren und Peptide | 541 |
32.9 Azo- und Diazo-Verbindungen | 542 |
32.10 Heterocyclische Verbindungen | 543 |
33 Stereochemie, Polymerchemie und supramolekulare Chemie | 546 |
33.1 Stereochemie organischer Verbindungen | 546 |
33.1.1 Prochiralität | 549 |
33.2 Racemat-Trennung und Synthese chiraler Moleküle | 550 |
33.3 Polymerchemie | 551 |
33.4 Supramolekulare Chemie | 558 |
34 Naturstoffe und Biochemie | 562 |
34.1 Terpene | 564 |
34.2 Kohlenhydrate | 565 |
34.3 Fette, Öle und Wachse | 569 |
34.4 Botenstoffe, Hormone und Vitamine | 571 |
34.5 Natürliche Farbstoffe | 574 |
34.6 Proteine | 577 |
34.7 Nucleinsäuren | 581 |
34.8 Proteinsynthese | 583 |
34.9 Gentechnik | 586 |
34.10 Enzyme und Coenzyme | 590 |
34.11 Schlussbemerkung: Biochemie und Chemie | 593 |
35 Kernchemie | 595 |
35.1 Der Atomkern | 596 |
35.2 Kernreaktionen | 597 |
35.3 Radioaktivität | 598 |
35.3.1 ?-Zerfall | 598 |
35.3.2 ?-Strahlung | 599 |
35.3.3 ?--Zerfall (Elektronen-Emission) | 600 |
35.3.4 ?+-Zerfall und Elektronen-Einfang | 600 |
35.3.5 Spontane Kernspaltung | 600 |
35.4 Messung der Radioaktivität | 601 |
35.5 Die radioaktive Zerfallsgeschwindigkeit | 602 |
35.5.1 Aktivität | 603 |
35.5.2 Altersbestimmung mit 14C | 604 |
35.6 Biologische Effekte der Radioaktivität | 605 |
35.7 Radioaktive Zerfallsreihen | 607 |
35.7.1 Geologische Altersbestimmung | 608 |
35.8 Künstliche Kernumwandlungen | 609 |
35.8.1 Teilchen-Beschleuniger | 609 |
35.8.2 Neutronen als Projektile | 610 |
35.8.3 Künstliche Nuclide. Transurane | 610 |
35.9 Kernspaltung | 611 |
35.9.1 Kernbindungsenergie | 611 |
35.9.2 Kernspaltung | 612 |
35.9.3 Kernreaktoren | 613 |
35.10 Kernfusion | 615 |
35.11 Verwendung von radioaktiven Nucliden | 616 |
36 Umgang mit gefährlichen Stoffen | 621 |
36.1 Einteilung und Kennzeichnung der Gefahrstoffe | 622 |
36.2 Europäisches Gefahrstoffrecht | 627 |
36.3 Giftstoffe, Toxikologie | 633 |
Anhang | 637 |
Anhang A: Normalpotenziale bei 25 °C | 638 |
Anhang B: Gleichgewichtskonstanten bei 25 °C | 639 |
B.1 Dissoziationskonstanten | 639 |
B.2 Löslichkeitsprodukte L bzw. LS | 640 |
B.3 Komplexzerfallskonstanten | 640 |
Anhang C: Thermodynamische Daten bei 25 °C | 641 |
Anhang D: Mittlere Bindungsenergien | 642 |
Anhang E: Lösungen zu den Übungsaufgaben | 643 |
1 Einleitung | 643 |
2 Einführung in die Atomtheorie | 643 |
3 Stöchiometrie Teil I: Chemische Formeln | 644 |
4 Stöchiometrie Teil II: Chemische Reaktionsgleichungen | 644 |
5 Energieumsatz bei chemischen Reaktionen | 645 |
6 Die Elektronenstruktur der Atome | 645 |
7 Eigenschaften der Atome und die lonenbindung | 646 |
8 Die kovalente Bindung | 646 |
9 Molekülstruktur. Molekülorbitale | 647 |
10 Gase | 649 |
11 Flüssigkeiten | 650 |
12 Feststoffe | 650 |
13 Strukturbestimmung | 651 |
14 Lösungen | 651 |
15 Reaktionen in wässriger Lösung | 652 |
16 Reaktionskinetik | 653 |
17 Das chemische Gleichgewicht | 654 |
18 Säuren und Basen | 654 |
19 Säure-Base-Gleichgewichte | 655 |
20 Löslichkeitsprodukt und Komplex-Gleichgewichte | 656 |
21 Grundlagen der chemischen Thermodynamik | 656 |
22 Elektrochemie | 656 |
23 Wasserstoff | 658 |
24 Halogene | 658 |
26 Die Elemente der sechsten Hauptgruppe | 658 |
27 Die Elemente der fünften Hauptgruppe | 659 |
28 Kohlenstoff, Silicium und Bor | 660 |
29 Metalle | 661 |
30 Komplexverbindungen | 662 |
31 Organische Chemie Teil I: Kohlenwasserstoffe | 664 |
32 Organische Chemie Teil II: Funktionelle Gruppen | 665 |
33 Stereochemie, Polymerchemie und supramolekulare Chemie | 667 |
34 Naturstoffe und Biochemie | 667 |
35 Kernchemie | 668 |
36 Umgang mit gefährlichen Stoffen | 669 |
Glossar | 670 |
Sachverzeichnis | 693 |
Ausklapptafel 1 | 716 |
Ausklapptafel 2 | 717 |
Die ausführlichen Lösungswege zu den Übungsaufgaben im Internet | 718 |