Chemie für Einsteiger

Josef K. Felixberger

Chemie für Einsteiger

Josef K. FelixbergerAugsburgDeutschland

ISBN 978-3-662-52820-4 ISBN 978-3-662-52821-1 (eBook)DOI 10.1007/978-3-662-52821-1

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Planung: Dr. Rainer MünzEinbandabbildung: Josef Felixberger unter Verwendung des Fotos © Tobik/Shutterstock 245596864

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Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier

V

Stets geforscht und stets gegründet,nie geschlossen, oft geründet,Ältestes bewahrt mit Treue,freundlich aufgefasstes Neue,heitern Sinn und reine Zwecke:Nun, man kommt wohl eine Strecke!

Johann Wolfgang von Goethe

For my marvelous wife, for her continuous support and her understanding.

VII

Das Wachstum der Weltbevölkerung ist ungebrochen. Noch im 21. Jahrhundert wird die 10 Milliardengrenze überschritten werden. Die Versorgung der Menschheit mit ausreichend Nahrungsmitteln, Trinkwasser, Energie und Wohnraum stellt eine immense Herausforderung dar. Des Weiteren gilt es die steigenden Ansprüche an medizinische Versorgung, Mobilität, Bildung, Freizeitangebote und Lebensstil zu befriedigen. Bodenschätze müssen nachhaltig genutzt, Natur und Klima dürfen nicht negativ beeinträchtigt werden.

Hocheffiziente Solarzellen aus Reinstsilicium für die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom, nebenwirkungsfreie Medikamente gegen Virenerkrankungen wie AIDS, hochselektive Katalysatoren für optima-len Rohstoffeinsatz, farbbrillante Flüssigkristalle für Flachmonitore, umweltverträgliche Pflanzenschutzmittel und Kunstdünger für hohe Ernteerträge, etc. sind nur mit der Querschnittswissenschaft Chemie realisierbar.

Um die Herausforderungen der Zukunft zu meistern, werden exzellente Chemiker, gut ausgebildete Lehrer und ein allgemeines Verständnis für Chemie in der breiten Bevölkerung benötigt. Das vorliegende Buch „Chemie für Einsteiger“ soll dazu seinen Beitrag leisten.

Zielgruppe dieses Buches sind zum einen interessierte Leser, die tiefer in die faszinierende Welt der Chemie ein-tauchen wollen und zum anderen Chemiestudenten, denen der Einstieg in das Studium erleichtert werden soll.

In vier Teilen werden die Grundlagen der allgemeinen, anorganischen, organischen und Polymerchemie dar-gelegt. Durch anschauliche Erläuterungen, klare Definitionen und zahlreiche Verweise auf den Alltag wurde der Stoff so aufbereitet, dass das Lesen Spaß bereitet und zum Weiterlesen verleitet. Anregungen und anschauliche Beispiele aus der Leserschaft, die zum besseren Verständnis der Materie beitragen, sind dem Autor übrigens jederzeit herzlich willkommen.

Mein Dank gilt dem Verlag Springer Spektrum und insbesondere Frau Bartels und Herrn Dr. Münz, die den Anstoß für das Projekt gaben und als routinierte „Coaches“ jederzeit katalytisch zur Seite standen.

Viel Spaß bei der Lektüre!

Josef Felixberger Juni 2017

Vorwort

IX

Welchen Beitrag leistet die Chemie bei der Bewältigung der Herausforderungen, vor denen unsere Gesellschaft steht? Wie können wir Energie effizienter nutzen, uns besser ernähren oder ein ökologisches Zusammenleben in Städten ermöglichen? Mit diesen Fragen beschäftigt sich nicht nur die Politik, sondern auch die Chemie-industrie intensiv. Chemische Produkte und Lösungen helfen, Ressourcen zu schonen, Ernährung zu sichern und die Lebensqualität der Menschen weltweit zu verbessern.

Chemieunternehmen wie die BASF hatten hier schon immer eine Vorreiterrolle. Denken Sie an die Ammoniak-synthese Anfang des 20. Jahrhunderts oder die Erfindung von Styropor in den 1950er Jahren. Noch stärker als früher sind heute Nachhaltigkeit und Innovationen wesentliche Triebkräfte der Entwicklung. Aktuelle Bei-spiele für nachhaltige Produkte sind u. a. der neue Vier-Wege-Katalysator für benzinbetriebene Fahrzeuge, der kompostierbare Kunststoff auf Basis nachwachsender Rohstoffe oder Batteriematerialien für Elektromobilität. Das sind Beiträge zur Gestaltung gesellschaftlicher Herausforderungen. Die Chemie wird dabei in Zukunft eine noch größere Rolle spielen.

Neue Ideen können aber nur dann gedeihen, wenn es uns gelingt, dem Forscherdrang und den persönlichen Talenten freien Lauf zu lassen. Neugier ist hier ein ganz wesentlicher Faktor. Die Fähigkeit und Bereitschaft zum Lernen wird in einer sich rasch wandelnden Welt immer wichtiger.

Professor Dr. Josef Felixberger hat mit „Chemie für Einsteiger“ ein Buch geschrieben, das Interesse an der Wissenschaft weckt. Während der Lektüre des Buches werden Sie viel über die faszinierende Welt der Chemie lernen. Und wer weiß: Vielleicht arbeiten Sie als Chemiker bald an neuen Innovationen mit oder wecken als Chemielehrer bei Schülern den Forschergeist.

Ich wünsche Ihnen viel Spaß beim Lesen und Lernen. Bleiben Sie neugierig!

Katharina Möller-Zender Head of Talent Development

Geleitwort

Prof. Dr. Josef Felixberger Stipendiat der Studienstiftung des deutschen Volkes, hat an der Technischen Universität Mün-chen (TUM) Chemie studiert und in der Arbeitsgruppe von Prof. Herrmann zu katalytischen Anwendungen metallorganischer Verbindungen promoviert. Darüber hinaus schloss er ein Stu-dium der Betriebswirtschaft an der Universität Hagen als Dipl.-Kaufmann ab.

Nach einem Postdoc-Aufenthalt an der Australian National University (ANU) hat er langjährige Erfahrung im Entwicklungs- und Managementbereich in den Branchen Erdölexploration und Bauchemie in Europa und USA gewonnen. Aktuell ist er Technischer Direktor einer Tochterge-sellschaft der BASF.

Der Autor hält Vorträge und Seminare zu Themen der Chemie (Basiswissen, Katalyse, Polymere und Kunststoffe, Naturstoffe, Analytik, Energie und Gesellschaft, Bauchemie), der Betriebswirt-schaft (Basiswissen, Marketing, Investitionsrechnung, Qualitätsmanagement, Businesspläne etc.) und Rhetorik sowohl für Studierende und Postgraduierte an der St. Petersburg National Research University ITMO als auch in der beruflichen Weiterbildung. Dabei legt er großen Wert auf didaktisch gut aufbereitete Unterlagen und hohen Praxisbezug.

Dr. Felixberger ist stellvertretender Vorstandsvorsitzender der Qualitätsgemeinschaft Deutsche Bauchemie (QDB) und Obmann des Fachausschusses für „Modifizierte mineralische Mörtelsyste-me“ der Deutschen Bauchemie (DBC).

Vita

XI

Inhaltsverzeichnis

I Allgemeine Chemie

1 Elemente – sämtliche Materie besteht aus 92 verschiedenen Elementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1 Elemente – Grundbausteine der Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Entstehung der Elemente – wir sind alle Sternenstaub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Herkunft der Elementnamen und der Elementsymbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4 Künstliche Elemente – Herstellung durch Kernverschmelzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

2 Atome – massiver Kern umgeben von einer mehrschaligen Elektronenhülle . . . . . . . . . . . . . . . . . .132.1 Historische Atommodelle – John Dalton als Vater der modernen Atomtheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152.2 Thomsons Rosinenkuchenmodell – Atome sind keine homogene Kugeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152.3 Rutherfordscher Streuversuch – Atome bestehen aus Kern und Elektronenhülle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152.4 Bohrsches Atommodell – die Elektronenhülle besteht aus mehreren Schalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162.5 Protonen, Neutronen, Elektronen – elementare Bestandteile der Atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192.5.1 Elektron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.5.2 Proton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.5.3 Neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.5.4 Atomkerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.5.5 Atomare Masseneinheit u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.6 Orbitalmodell – Elektronen bewegen sich in Aufenthaltsbereichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .212.6.1 Hauptquantenzahl n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.6.2 Nebenquantenzahl l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.6.3 Magnetische Quantenzahl m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.6.4 Spinquantenzahl s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.6.5 Mehrelektronenatome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.7 Atome – Größe und Masse variieren elementabhängig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .242.7.1 Größe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.7.2 Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.7.3 Form von Atomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.8 Isotope – Atome eines Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262.9 Radioaktivität – Atomkerne zerfallen spontan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .272.9.1 Radioaktivität – Was ist das? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.9.2 α-Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.9.3 β-Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.9.4 γ-Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.9.5 Halbwertszeit (tH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.9.6 Physiologische Wirkung radioaktiver Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.10 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

3 Das Periodensystem – Anordnung der Elemente nach drei Ordnungskriterien . . . . . . . . . . . . . . .313.1 Dmitrij Mendelejew – Vater des modernen Periodensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .323.2 Ordnungszahl, Periodenzahl, Gruppenzahl – die Ordnungskriterien des PSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333.2.1 Ordnungszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2.2 Periodenzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2.3 Hauptgruppenzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2.4 Nebengruppenzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2.5 Lanthanoide, Actinoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2.6 Metalle, Halbmetalle, Nichtmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.3 Elektronenhülle – Orbitale werden sukzessive mit Elektronen aufgefüllt?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .343.3.1 Wasserstoff und Helium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

XII Inhaltsverzeichnis

3.3.2 Valenzorbitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.4 Periodische Verläufe im PSE – Atomradius, Ionisierungsenergie, Elektronegativität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .373.4.1 Atomradius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.4.2 Ionisierungsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.4.3 Elektronegativität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.5 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

4 Chemische Bindung – Elemente streben Edelgaskonfiguration an . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .414.1 Edelgaskonfiguration – Atome verfügen über acht Valenzelektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .424.2 Ionenbindung – Elektronenübergang von Metallatom auf Nichtmetallatom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .424.3 Kovalente Bindung – Nichtmetallatome teilen sich Elektronenpaare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .444.3.1 Polare Bindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.3.2 Geometrische Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.4 Metallbindung – Freies Elektronengas stabilisiert Gitter von „Metallatomrümpfen“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .494.4.1 Elektronengasmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.4.2 Bändermodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.4.3 Elektrische Leiter – Halbleiter – Isolatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.4.4 Struktur des Metallgitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.4.5 Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.5 Komplexbindung – Liganden gruppieren sich um ein Zentralatom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .514.5.1 Hexammincobalt(III)-trichlorid [Co(NH3)6]Cl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.5.2 Chelate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.5.3 Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.6 Chemische Bindung in der Zusammenschau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .534.6.1 Ionenbindung (Metall + Nichtmetall, ΔEN > 1,7) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.6.2 Kovalente Bindung (Nichtmetall + Nichtmetall, ΔEN = 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.6.3 Polare Bindung (Nichtmetall + Nichtmetall, ΔEN < 1,7) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.6.4 Komplexbindung (Zentralatom + Liganden) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.6.5 Metallbindung (Metall + Metall, ΔEN = 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.6.6 Legierungen (Metall + Metall, ΔEN > 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.7 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

5 Stöchiometrie – das Zahlengerüst der Chemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .575.1 Absolute und relative Atommasse/Molekülmasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .585.1.1 Absolute Atommasse (mA,a) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.1.2 Atomare Masseneinheit (u) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.1.3 Relative Atommasse (mA,r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.1.4 Relative Molekülmasse (mM,r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.2 Stoffmenge n in Mol – die Anzahl der Teilchen ist entscheidend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .595.3 Molare Masse und molares Volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .605.3.1 Molare Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.4 Mol pro Liter – die wichtigste Konzentrationseinheit für den Chemiker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .625.5 Chemische Formeln – kompakte Darstellung mit hoher Aussagekraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .625.5.1 Verhältnisformel, Empirische Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.5.2 Summenformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.5.3 Hill-Summenformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.5.4 Konstitutionsformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.5.5 Valenzstrichformel, Lewis-Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.5.6 Strukturformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.6 Berechnung der elementaren Zusammensetzung von Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .645.7 Von der elementaren Zusammensetzung zur Summenformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .645.8 Reaktionsgleichungen – Art und Anzahl der Atome ändern sich nicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .655.9 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

6 Stoffe – zwischenmolekulare Wechselwirkungen erklären die Aggregatzustände . . . . . . . . . . . .676.1 Zwischenmolekulare Wechselwirkungen sorgen für inneren Zusammenhalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .686.1.1 Dipol-Dipol-Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

XIIIInhaltsverzeichnis

6.1.2 Wasserstoffbrückenbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696.1.3 Van-der-Waals-Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696.2 Gasförmig, flüssig, fest – die drei klassischen Aggregatzustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .706.2.1 Gase – Stoffe von variabler Form und variablem Volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706.2.2 Flüssigkeiten – Stoffe mit definiertem Volumen, aber variabler Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746.2.3 Feststoffe – Stoffe mit fester Form und festem Volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786.3 Phasenübergänge – Wärme entscheidet über den Aggregatzustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .796.4 Reinstoffe und Stoffgemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .816.4.1 Gehaltsangaben – Anteile und Konzentrationen einzelner Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 836.4.2 Löslichkeit – wie viel Substanz löst sich in einem Lösemittel? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 866.5 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87

7 Trennen von Stoffgemischen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .897.1 Thermische Trennverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .907.1.1 Destillieren – Auftrennen von Stoffen unterschiedlicher Siedepunkte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 907.1.2 Sublimieren – direkter Übergang vom Fest- in den Gaszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 937.1.3 Extrahieren – Löslichkeit als entscheidender Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 947.2 Mechanische Trennverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .967.2.1 Sedimentieren – Feststoffpartikel sinken zu Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 967.2.2 Zentrifugieren – Zentrifugalkräfte beschleunigen den Sedimentationsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 977.2.3 Filtrieren – Filtermedium trennt Feststoffpartikel und Flüssigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 977.2.4 Sieben – Auftrennen eines Feststoffgemisches nach der Korngröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997.2.5 Windsichten – Luftströmung trennt kleine von großen Feststoffteilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1007.2.6 Umkehrosmose – Semipermeable Membran filtert Ionen aus Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1017.2.7 Flotieren – Auftrennen von Mineralen mithilfe von Luftblasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1017.2.8 Magnettrennung – eisenhaltige Werkstoffe werden separiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1027.3 Chemische Austauschreaktion – Ionenaustauscher sorgen für entkalktes Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1037.3.1 Funktionsweise – Vernetzte Reaktionsharze binden Calciumionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1037.3.2 Regeneration – Umkehrung des Ionenaustauschvorgangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1047.3.3 Verwendung – Deionisiertes Wasser für Industrie und Haushalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1047.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104

8 Thermodynamik – chemische Reaktionen gehen mit Energieumwandlung einher . . . . . . . . . . .1078.1 Enthalpie– Maß für Reaktionswärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1088.1.1 Kalorimeter – Messung von Reaktionsenthalpien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1098.1.2 Hess'scher Wärmesatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1108.2 Entropie S – ein Teil der Wärme geht irreversibel verloren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1108.3 Gibbs-Energie – Enthalpie und Entropie werden zu einer Kennzahl verknüpft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1128.4 Massenwirkungsgesetz – reversible Reaktionen im Gleichgewichtszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1128.5 Lage des chemischen Gleichgewichts – das Prinzip von Le Chatelier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1168.5.1 Druckänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1168.5.2 Stoffmengenänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1168.5.3 Temperaturänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1178.6 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117

9 Kinetik – Reaktionsgeschwindigkeit hängt von Temperatur und Konzentration ab . . . . . . . . . .1199.1 Chemische Reaktion – Moleküle müssen aktiviert werden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1209.2 Die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt mit zunehmendem Reaktionsfortschritt ab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1209.3 Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von der Konzentration der Edukte ab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1219.3.1 Geschwindigkeitsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1229.4 Reaktionsordnung und Molekularität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1229.4.1 Reaktionsordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1229.4.2 Molekularität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1239.5 Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit zunehmender Temperatur an . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1239.6 Arrhenius-Gleichung – Verknüpfung von Aktivierungsenergie und Reaktionsgeschwindigkeit . . . . . . . . . .1239.7 Die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt mit zunehmendem Zerteilungsgrad zu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1259.8 Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125

XIV Inhaltsverzeichnis

9.9 Katalysatoren erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1269.9.1 Prinzip der Katalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1269.9.2 Homogene und heterogene Katalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1279.9.3 Leistungskennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1289.10 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128

10 Säuren und Basen – der pH-Wert macht den Unterschied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13110.1 Arrhenius – Säuren/Basen geben an Wasser H+ resp. OH− ab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13210.1.1 Wertigkeit von Säuren und Basen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13310.2 Brønsted – Säuren/Basen als Protonendonatoren resp. Protonenakzeptoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13310.2.1 Konjugierte Säure-Base-Paare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13310.2.2 Ampholyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13410.3 Lewis – Säuren/Basen als Elektronenpaarakzeptoren resp. Elektronenpaardonatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13410.4 pH- und pK-Wert – Kennzahlen für die Stärke von Säuren und Basen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13510.4.1 Autoprotolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13510.4.2 pH-Wert und pK-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13510.4.3 pH-Wert starker Säuren und Basen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13710.4.4 pH-Wert schwacher Säuren und Basen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13810.4.5 Unterschied zwischen pH- und pKS-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13910.5 Salze – Säuren und Basen neutralisieren sich zu Salzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14010.6 Bestimmung des pH-Wertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14110.6.1 Indikator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14110.6.2 Glaselektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14110.7 Titration – volumetrische Bestimmung des Gehalts von Säuren/Basen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14210.7.1 Titration einer starken Säure mit einer starken Base. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14210.7.2 Titration einer schwachen Säure mit einer starken Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14410.8 Pufferlösungen – der pH-Wert bleibt konstant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14410.8.1 Wirkungsweise eines Puffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14510.8.2 Henderson-Hasselbalch-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14510.8.3 Pufferoptimum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14610.8.4 Pufferkapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14610.9 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147

11 Readoxreaktionen – Elektronenübergang zwischen Atomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14911.1 Oxidationszahl – Definition und Bestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15011.1.1 Regeln zur Bestimmung der Oxidationszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15011.1.2 Oxidationszahl versus Formalladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15211.2 Oxidation – die Oxidationszahl nimmt zu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15211.3 Reduktion – die Oxidationszahl nimmt ab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15311.4 Redoxgleichungen – systematische Ableitung mithilfe von Oxidationszahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15311.4.1 Aufstellen von Redoxgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15311.4.2 Disproportionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15511.4.3 Synproportionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15511.5 Halbzelle, Galvanische Zelle, Normalpotential, Nernstsche Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15611.5.1 Halbzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15611.5.2 Galvanische Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15611.5.3 Normalpotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15611.5.4 Nernstsche Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15711.6 Leclanché-Element, Bleiakkumulator, Brennstoffzelle, Lithiumbatterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15811.6.1 Zink-Kohle-Batterie (Leclanché-Element) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15811.6.2 Bleiakkumulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15811.6.3 Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16011.6.4 Lithiumionen-Akkumulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16011.7 Elektrolyse, Galvanik, Korrosion – Redoxvorgänge von kommerzieller Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16211.7.1 Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16211.7.2 Galvanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16311.7.3 Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16311.8 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165

XVInhaltsverzeichnis

II Anorganische Chemie

12 Nichtmetalle – alle Nichtmetalle sind Hauptgruppen-Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16912.1 Elektronenkonfiguration – die äußerste Schale wird mit Elektronen aufgefüllt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17212.2 Gruppe 1 – Wasserstoff, das leichteste und häufigste Element des Universums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17212.2.1 Vorkommen, Eigenschaften und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17212.2.2 Wasserstoff geht mit fast allen Elementen chemische Verbindungen ein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17512.2.3 Oxide des Wasserstoffs – Wasser, Schweres Wasser, Überschweres Wasser, Wasserstoffperoxid. . . . . . . . . . . . . . . . 17612.2.4 Verwendung von Wasserstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18012.2.5 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18112.3 Gruppe 13 – Bor, Element von hoher Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18212.3.1 Vorkommen, Eigenschaften und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18212.3.2 Bor-Sauerstoff-Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18412.3.3 Borwasserstoffe – klassische Elektronenmangelverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18512.3.4 Borhalogende – Lewis-Säuren von hoher Flüchtigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18712.3.5 Bornitride und Borcarbid – Hartstoffe von kommerzieller Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18812.3.6 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18912.4 Gruppe 14 – Kohlenstoff, Element voller Überraschungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19012.4.1 Graphit, Diamant, Fulleren, Graphen – allotrope Modifikationen des Kohlenstoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19012.4.2 Inkohlung – Pflanzen werden zu Torf, Braunkohle, Steinkohle, Anthrazit oder Graphit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19412.4.3 Brikett, Koks, Holzkohle, Aktivkohle, Ruß – Gebrauchsprodukte des Kohlenstoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19512.4.4 Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid – Verbrennungsprodukte des Kohlenstoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19512.4.5 Carbide – Kohlenstoff mit partiell negativer Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19812.4.6 Kohlenwasserstoffverbindungen – Variationsvielfalt als Voraussetzung für Leben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19912.4.7 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19912.5 Gruppe 15 – Stickstoff und Phosphor, wichtig für Mensch, Tier und Pflanze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20112.5.1 Vorkommen, Eigenschaften und Herstellung – Luftverflüssigung nach Linde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20112.5.2 Ammoniak – großtechnische Synthese aus Luftstickstoff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20312.5.3 Oxide und Sauerstoffsäuren – Salpeter- und Phosphorsäure für die Düngemittelindustrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20712.5.4 Halogenverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21212.5.5 Verwendung – Düngemittel, Sprengstoffe, Waschmittelzusätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21312.5.6 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21512.6 Gruppe 16 – Chalkogene, wichtige Bestandteile von Erzen und Mineralien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21612.6.1 Vorkommen, Eigenschaften und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21612.6.2 Schwefel-Sauerstoff-Verbindungen – Schwefelsäure als wichtigster Vertreter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22412.6.3 Halogenverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22712.6.4 Wasserstoffverbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22812.6.5 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23012.7 Gruppe 17 – Halogene, Elemente hoher Elektronegativität und Reaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23112.7.1 Vorkommen, Eigenschaften und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23112.7.2 Chemisches Reaktionsverhalten und bedeutende Verbindungsklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23512.7.3 Verwendung von Halogenverbindungen – Kunststoffe, Salze, Lampen, Kontrastmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23912.7.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24212.8 Gruppe 18 – Edelgase sind äußerst reaktionsträge Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24212.8.1 Vorkommen und Gewinnung – Atmosphärenluft enthält ein Prozent Argon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24312.8.2 Physikalische Eigenschaften und chemisches Reaktionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24312.8.3 Verwendung – Traggas für Ballone, Schutzgas für Metalle und Füllgas für Leuchtröhren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24412.8.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

13 Hauptgruppenmetalle – Metalle mit stark variierenden Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25113.1 Gruppe 1 – Alkalimetalle (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25413.1.1 Vorkommen und Herstellung – Schmelzflusselektrolyse von Alkalihalogeniden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25513.1.2 Allgemeine und physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25613.1.3 Chemisches Reaktionsverhalten – Halogenide, Oxide, Hydroxide, Alkalilaugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

XVI Inhaltsverzeichnis

13.1.4 Verwendung – Batterien, Kühlmittel, Atomuhren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26013.1.5 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26213.2 Gruppe 2 – Erdalkalimetalle (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26313.2.1 Vorkommen und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26313.2.2 Allgemeine und physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26413.2.3 Chemisches Reaktionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26413.2.4 Grignard-Verbindungen erweitern das Syntheserepertoire organischer Chemiker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26613.2.5 Kalkkreislauf – Kalkstein, Branntkalk, gelöschter Kalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26613.2.6 Calciumsulfate – Anhydrit, Halbhydrat, Dihydrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26813.2.7 Zement – das mengenmäßig größte chemisch erzeugte Produkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26913.2.8 Wasserhärte – Calcium und Magnesium als troublemaker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27013.2.9 Verwendung – Leichtlegierungen, Reduktionsmittel, Chlorophyll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27113.2.10 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27213.3 Gruppe 13 – Aluminium, Gallium, Indium, Thallium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27313.3.1 Vorkommen und Herstellung – Schmelzflusselektrolyse von Oxiden und Halogeniden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27313.3.2 Allgemeine und physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27513.3.3 Chemisches Reaktionsverhalten – Oxide, Halogenide, Hydride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27513.3.4 Verwendung – Leichtlegierungen, Halbleitertechnologie, LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27713.3.5 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27813.4 Gruppe 14 – Silicium, Germanium, Zinn, Blei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27813.4.1 Vorkommen und Herstellung – chemische Reduktion von Oxiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27813.4.2 Allgemeine und physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28113.4.3 Chemisches Reaktionsverhalten – Oxide, Silicate, Halogenide, Hydride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28213.4.4 Verwendung – Wafer, Photovoltaik, Mikrochips, Weißblech, Bleiakku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28813.4.5 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29013.5 Gruppe 15 – Arsen, Antimon, Bismut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29013.5.1 Vorkommen und Herstellung – Reduktion von Sulfid- bzw. Oxiderzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29113.5.2 Allgemeine und physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29213.5.3 Chemisches Reaktionsverhalten – Oxide, Sulfide, Halogenide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29313.5.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29613.6 Gruppe 16 – Selen, Tellur, Polonium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29713.6.1 Vorkommen und Herstellung – Reduktion von Sulfid- bzw. Oxiderzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29713.6.2 Allgemeine und physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29813.6.3 Chemisches Reaktionsverhalten – Oxide, Hydride, Halogenide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29913.6.4 Verwendung – Photozellen, Legierungen, Pigmente, Antistatika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30013.6.5 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

14 Nebengruppenmetalle – Metalle von hohem kommerziellen Interesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30314.1 Elektronenstruktur und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30514.1.1 Elektronenkonfiguration – Die zweitäußerste Schale wird mit Elektronen aufgefüllt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30514.1.2 Komplexverbindungen – Liganden umgeben ein Zentralatom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30614.1.3 Komplexverbindungen – Aufbau, Bindungstyp, 18-Elektronen-Regel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30614.1.4 Komplexverbindungen – Ligandenfeldtheorie erklärt Magnetismus und Farbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30714.1.5 Vergleich von Nebengruppenmetallen mit Hauptgruppenmetallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31014.1.6 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31014.2 Gruppe 3 – Scandiumgruppe (Sc, Y, La, Ac) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31114.2.1 Vorkommen und Herstellung – Reduktion von Fluoriden mit Calcium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31114.2.2 Physikalische Eigenschaften und chemisches Reaktionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31214.2.3 Anwendungen – Leichtlegierungen, Farbstofflaser, Zündsteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31214.2.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31314.3 Gruppe 14 – Titangruppe (Ti, Zr, Hf, Rf) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31314.3.1 Vorkommen und Herstellung – Reduktion von Chloriden mit Magnesium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31314.3.2 Physikalische Eigenschaften und chemisches Reaktionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31414.3.3 Anwendungen – Implantate, Lambdasonde, Kernbrennstäbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31614.3.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

XVIIInhaltsverzeichnis

14.4 Gruppe 5 – Vanadiumgruppe (V, Nb, Ta, Db) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31714.4.1 Vorkommen und Herstellung – Reduktion von Fluoriden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31714.4.2 Physikalische Eigenschaften und chemisches Reaktionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31814.4.3 Anwendungen – Stahl, Supraleiter, Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32014.4.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32114.5 Gruppe 6 – Chromgruppe (Cr, Mo, W, Sg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32114.5.1 Vorkommen und Herstellung – Reduktion von Oxiden mit Aluminium oder Wasserstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32114.5.2 Physikalische Eigenschaften und chemisches Reaktionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32214.5.3 Anwendungen – Sanitärarmaturen, Schmiermittel, Glühfaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32414.5.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32614.6 Gruppe 7 – Mangangruppe (Mn, Tc, Re, Bh) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32614.6.1 Vorkommen und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32614.6.2 Physikalische Eigenschaften und chemisches Reaktionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32714.6.3 Anwendungen – Stahlhärtung, Radiomedizin, Katalysatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32914.6.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33014.7 Gruppe 8 – Eisengruppe (Fe, Ru, Os, Hs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33114.7.1 Vorkommen und Herstellung – Hochofenprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33114.7.2 Physikalische Eigenschaften und chemisches Reaktionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33414.7.3 Anwendungen – Stahl, Katalysatoren, Herzklappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33614.7.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33714.8 Gruppe 9 – Cobaltgruppe (Co, Rh, Ir, Mt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33814.8.1 Vorkommen und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33814.8.2 Physikalische Eigenschaften und chemisches Reaktionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33914.8.3 Anwendungen – Salpetersäureherstellung, Glasfärberei, Zündkerzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34114.8.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34314.9 Gruppe 10 – Nickelgruppe (Ni, Pd, Pt, Ds) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34314.9.1 Vorkommen und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34414.9.2 Physikalische Eigenschaften und chemisches Reaktionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34514.9.3 Anwendungen – Münzen, Dreiwegekatalysator, Krebstherapie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34714.9.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35014.10 Gruppe 11 – Kupfergruppe (Cu, Ag, Au, Rg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35014.10.1 Vorkommen und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35114.10.2 Physikalische Eigenschaften und chemisches Reaktionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35314.10.3 Anwendungen – Stromleitung, Tafelsilber, Schmuck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35614.10.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35914.11 Gruppe 12 – Zinkgruppe (Zn, Cd, Hg, Cn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35914.11.1 Vorkommen und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36014.11.2 Physikalische Eigenschaften und chemisches Reaktionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36114.11.3 Anwendung – Dachabdeckungen, Lagerbuchsen, Energiesparlampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36314.11.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

15 Lanthanoide und Actinoide – Metalle mit außergewöhnlichen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . .36715.1 Atombau – die drittäußerste Schale wird mit Elektronen aufgefüllt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36815.2 Vorkommen, Gewinnung, Marktsituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37015.2.1 Lanthanoide – Vorkommen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37015.2.2 Actinoide – Vorkommen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37015.2.3 Lanthanoide – Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37015.2.4 Actinoide – Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37015.3 Physikalische Eigenschaften und chemisches Reaktionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37215.3.1 Eigenschaften – Lanthanoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37215.3.2 Eigenschaften – Actinoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37415.4 Anwendungen – Windkraftwerke, Elektromobilität, Kommunikationstechnik, Kernenergie . . . . . . . . . . . . . .37415.4.1 Lanthanoide – Magnete, Gläser, Katalysatoren, Laser, Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37415.4.2 Actinoide – Kernbrennstoffe, Neutronenquellen, Kernwaffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37415.5 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .382

XVIII Inhaltsverzeichnis

III Organische Chemie

16 Kohlenwasserstoffe – Grundbausteine der organischen Chemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38516.1 Alkane – Kohlenwasserstoffe, die ausschließlich Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindungen

aufweisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38816.1.1 Nomenklatur, Bindungsverhältnisse, Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39016.1.2 Konstitutionsisomere und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39316.1.3 Vorkommen, physikalische Eigenschaften, Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39416.1.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Oxidation, Pyrolyse, Halogenierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39916.1.5 Halogenalkane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40316.1.6 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40416.2 Alkene – Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung . . . . . . . . . . .40516.2.1 Nomenklatur, Bindungsverhältnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40616.2.2 Konfigurationsisomerie – Z/E- bzw. cis/trans-Isomerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40816.2.3 Vorkommen, Herstellung, physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41016.2.4 Wichtige Vertreter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41116.2.5 Chemisches Reaktionsverhalten – Hydrierung, Halogenierung, Polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41216.2.6 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41416.3 Alkine – Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung . . . . . . . . . . .41516.3.1 Nomenklatur, Bindungsverhältnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41616.3.2 Vorkommen, Herstellung, physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41716.3.3 Chemisches Reaktionsverhalten – Reppe-Chemie und Additionsreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42016.3.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42216.4 Cyclische Kohlenwasserstoffe – Polygone aus Kohlenstoffatomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42316.4.1 Nomenklatur, Bindungsverhältnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42416.4.2 Vorkommen, physikalische Eigenschaften, Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42616.4.3 Chemisches Reaktionsverhalten – Ringöffnung durch Additionsreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42816.4.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42816.5 Aromatische Kohlenwasserstoffe – Benzolring als Grundeinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42916.5.1 Definition, Struktur, Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43016.5.2 Vorkommen, Herstellung, physikalische Eigenschaften, Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43216.5.3 Chemisches Reaktionsverhalten – Elektrophile aromatische Substitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43416.5.4 Polyaromatische Kohlenwasserstoffe – Verbund mehrerer Benzolmoleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43716.5.5 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43916.6 Erdöl – fossiler Brennstoff und Rohstoffbasis für die chemische Industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43916.6.1 Erdöl – vor über 100 Millionen Jahren aus Biomasse entstanden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44016.6.2 Exploration – rotierender Bohrmeißel frisst sich tief in die Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44016.6.3 Peak oil – gehört easy oil der Vergangenheit an? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44316.6.4 Rohöl – ein Gemisch aus Hunderten Kohlenwasserstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44316.6.5 Raffinerie – Fraktionieren, Cracken, Umformen des KW-Gemisches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44416.6.6 Clathrate – Hoffnung für ausreichend fossile Energie in der Zukunft? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44716.6.7 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44816.7 Stereochemie – die räumliche Anordnung der Atome ist entscheidend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44916.7.1 Stereochemie – Grundbegriffe und Formen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44916.7.2 Konstitutionsisomerie – gleiche Summenformel, aber unterschiedliche Atomverknüpfungen . . . . . . . . . . . . . . . . 44916.7.3 Stereoisomerie – gleiche Atomverknüpfungen, aber unterschiedliche räumliche Anordnung . . . . . . . . . . . . . . . . 45016.7.4 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

17 Organische Sauerstoffverbindungen – Sauerstoff erhöht die Molekülvielfalt . . . . . . . . . . . . . . .45717.1 Alkanole (Alkohole) und Phenole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45917.1.1 Funktionelle Gruppe und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45917.1.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46017.1.3 Typische Vertreter – Methanol, Ethanol, Glycol, Glycerin, Phenol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46117.1.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Etherbildung, Oxidation, Veresterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46317.2 Alkanale (Aldehyde) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46517.2.1 Funktionelle Gruppe und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

XIXInhaltsverzeichnis

17.2.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46617.2.3 Typische Vertreter – Formaldehyd, Acetaldehyd, Benzaldehyd. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46617.2.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Additionsreaktionen, Acetalbildung, Aldoladdition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46717.3 Alkanone (Ketone) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46917.3.1 Funktionelle Gruppe und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46917.3.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47017.3.3 Typische Vertreter – Aceton, Cyclohexanon, Acetophenon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47017.3.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Aldoladdition, Aldolkondensation, Ketalbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47217.4 Carbonsäuren und Ester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47217.4.1 Funktionelle Gruppe und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47217.4.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47417.4.3 Typische Vertreter – Ameisensäure, Essigsäure, Benzoesäure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47417.4.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Acidität, Veresterung, Anhydridbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47617.5 Alkoxyalkane (Ether) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47717.5.1 Funktionelle Gruppe und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47717.5.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47717.5.3 Typische Vertreter – Diethylether, Ethylenoxid, MTBE, THF, Kronenether. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47717.5.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Autoxidation, Etherspaltung, Polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48017.6 Organische Peroxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48017.6.1 Funktionelle Gruppe und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48017.6.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48017.6.3 Typische Vertreter – Peroxyessigsäure, Dibenzoylperoxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48217.6.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Epoxidbildung, thermischer Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48217.7 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .483

18 Organische Stickstoffverbindungen – Stickstoff steigert die Reaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48518.1 Amine – Derivate des Ammoniaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48718.1.1 Funktionelle Gruppe und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48718.1.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48718.1.3 Herstellung und typische Vertreter – Anilin, Pyridin, Alkaloide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48818.1.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Basizität, Neutralisation, Amidbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49018.2 Carbonsäureamide – formales Neutralisationsprodukt von Carbonsäure und Amin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49218.2.1 Funktionelle Gruppe und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49218.2.2 Typische Vertreter – Dimethylformamid, Harnstoff, Caprolactam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49218.2.3 Chemisches Reaktionsverhalten – Hydrolyse, Reduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49318.3 Nitrile – Derivate der Blausäure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49418.3.1 Funktionelle Gruppe und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49418.3.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49418.3.3 Herstellung und typische Vertreter – Acetonitril, Acrylnitril . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49518.3.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Reduktion zu Aminen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49618.4 Isocyanate – hochreaktive Verbindungen für die Kunststoffindustrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49618.4.1 Funktionelle Gruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49718.4.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49718.4.3 Herstellung und typische Vertreter – TDI, MDI, HDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49718.4.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Urethanbildung und Dimerisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49718.5 Azo-, Diazo- und Diazoniumverbindungen – funktionelle Gruppen mit zwei N-Atomen . . . . . . . . . . . . . . . . . .49818.5.1 Funktionelle Gruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49818.5.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49918.5.3 Typische Vertreter – AIBN, Azofarbstoffe, Diazomethan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49918.5.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Methylierung, Azokupplung, Sandmeyer-Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50018.6 Nitroverbindungen – je mehr Nitrogruppen, desto explosiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50118.6.1 Funktionelle Gruppe und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50118.6.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50118.6.3 Herstellung und typische Vertreter – Nitromethan, Nitrobenzol, TNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50118.6.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Reduktion zu Aminen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50218.7 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .503

XX Inhaltsverzeichnis

19 Organische Schwefelverbindungen – Schwefel sorgt für Geruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50519.1 Thiole – Verbindungen mit unangenehmen Geruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50619.1.1 Funktionelle Gruppe und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50719.1.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50719.1.3 Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50719.1.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Disulfidbildung, Oxidation zu Sulfonsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50719.2 Sulfide, Disulfide – Verbindungen mit antibakterieller Wirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50719.2.1 Funktionelle Gruppe und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50719.2.2 Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50919.2.3 Chemisches Reaktionsverhalten – Oxidation zu Sulfoxiden, Sulfonen und Sulfonsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51019.3 Sulfoxide, Sulfone – polare, wasserlösliche Verbindungen mit hoher Oxidationszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51119.3.1 Funktionelle Gruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51119.3.2 Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51119.3.3 Typische Vertreter – Dimethylsulfoxid, Sulfolan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51119.4 Sulfonsäuren – Substanzen mit tensidischen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51119.4.1 Funktionelle Gruppe und Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51119.4.2 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51219.4.3 Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51219.4.4 Chemisches Reaktionsverhalten – Neutralisation zu Sulfonamiden und Sulfonaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51319.5 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .513

20 Biomoleküle – Chemie und Leben sind eng miteinander verknüpft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51520.1 Aminosäuren – Bausteine von Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51720.1.1 Struktur und Chiralität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51720.1.2 Seitenketten machen den Unterschied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51720.2 Proteine – unendliche Variationsmöglichkeiten als Voraussetzung für Leben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51820.2.1 Physiologische Bedeutung – Proteine als Universalwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51820.2.2 Proteinstruktur – Von der Aminosäureabfolge zur 3D–Knäuelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51920.2.3 Chemischer Abbau - Hydrolyse und Denaturierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52220.3 Kohlenhydrate – primäre Energiequelle des menschlichen Organismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52220.3.1 Physiologische Bedeutung – Glucose als Engeriequelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52320.3.2 Klassifizierung von Kohlenhydraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52320.3.3 Fischerprojektion, Ketten- und Ringstruktur, Haworth-Formel, Sesselkonformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52320.3.4 Kettenlänge – Mono-, Di- und Polysaccharide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52620.4 Lipide – Energiespeicher des menschlichen Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53120.4.1 Physiologische Bedeutung – Einlagerung überschüssiger Energie in Fettdepots. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53120.4.2 Struktur von Triglyceriden, Fettsäuren und Pflanzenölen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53120.4.3 Margarine – Härtung von Pflanzenfetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53320.4.4 Qualitätsprüfung von Ölen und Fetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53420.5 Vitamine – essenziell für Vitalität und Gesundheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53520.5.1 Entdeckung und Namensgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53520.5.2 Klassifizierung nach Wasser- und Fettlöslichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53520.5.3 Vitaminbedarf und Mangelerscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53620.6 Enzyme – Stoffwechselreaktionen bei milden Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53720.6.1 Enzymnamen – Einteilung in sechs Wirkungsklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53820.6.2 Spezifizität und Wirkungsprinzip gemäß dem Schlüssel-Schloß-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53820.6.3 Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54020.7 DNA – Doppelhelix als Träger des Erbguts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54120.7.1 Genom, Chromosom, DNA, Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54120.7.2 DNA – Doppelhelix ähnelt einer verdrillten Strickleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54220.7.3 DNA als Baupläne für Proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54420.8 Photosynthese und Zellatmung – Verlinkung von anorganischer und belebter Natur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54520.8.1 Lichtreaktion – Wasser wird mit Hilfe von Sonnenlicht in die Elemente gespalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54520.8.2 Dunkelreaktion – Aufbau von Kohlenhydraten aus CO2 und H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54620.8.3 Zellatmung – stille Verbrennung von Glucose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54720.9 Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .549

XXIInhaltsverzeichnis

IV Polymerchemie

21 Polymere – viele Monomermoleküle verbinden sich zu einem Makromolekül . . . . . . . . . . . . . . .55321.1 Kunststoffe – historischer Streifzug von Kautschuk über Bakelit® zu Teflon® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55421.1.1 Charles Nelson Goodyear – vulkanisierter Naturkautschuk hilft dem Auto auf die Sprünge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55421.1.2 Leo Hendrik Baekeland – Bakelit® nimmt der Elektrizität den Schrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55521.1.3 Wallace Hume Carothers – Nylon® entzückt die Damenwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55621.1.4 Fritz Stastny – Polystyrol, der Stoff aus dem die Schäume sind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55621.1.5 Roy J. Plunkett – Teflon®, ein Kunststoff mit außergewöhnlichen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55721.2 Polymerchemie – das Basiswissen kurz und bündig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55721.2.1 Monomer – Polymer – Kunststoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55721.2.2 Polymerisationsgrad – molare Masse – Uneinheitlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55821.2.3 Dispersion – Suspension – Emulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55921.2.4 Copolymere – Terpolymere – Pfropfpolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56021.2.5 Thermoplaste – Duroplaste – Elastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56021.3 Kommerzielle Bedeutung – 300 Mio. Tonnen Kunststoff werden jährlich produziert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .562

22 Polymerisation – Mechanismen, Verfahren, Produkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56522.1 Polymerisation – Monomere bilden Makromoleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56622.1.1 Radikalische Polymerisation – Monomerverknüpfung über C=C- Doppelbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56622.1.2 Polykondensation – Verknüpfung bifunktioneller Monomere unter Abspaltung kleiner Moleküle . . . . . . . . . . . . 56722.1.3 Polyaddition – Verknüpfung bifunktioneller Monomere ohne Abspaltprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56922.2 Kunststoffe – Herstellung, Eigenschaften, Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57022.2.1 Polyethylen (PE) – Folien, Flaschen, Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57022.2.2 Polypropylen (PP) – härter und wärmebeständiger als Polyethylen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57222.2.3 Polyvinylchlorid (PVC) – Fußböden, Fensterprofile, Kabelisolierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57322.2.4 Polystyrol (PS) – geschäumter Kunststoff für die Wärmedämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57522.2.5 Polymethylmethacrylat (PMMA) – Plexiglas® sorgt für Transparenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57722.2.6 Polytetrafluorethylen (PTFE) – thermisch und chemisch hoch resistent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57822.2.7 Silicone – Kautschuk von hoher Elastizität und Chemikalienbeständigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58122.2.8 Polyethylenterephthalat (PET) – Textilfasern, Filme, Flaschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58422.2.9 Polyamide – Nylonstrümpfe, ein weltweiter Erfolg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58522.2.10 Polyurethan (PUR) – Schaumstoffe, Beschichtungen, Lacke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58822.2.11 Epoxidharze – Klebstoffe, Gießharze, Verbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59122.3 Großtechnische Polymerisationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59322.3.1 Lösungspolymerisation – Monomer und Polymer liegen gelöst vor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59322.3.2 Emulsionspolymerisation – emulgiertes Monomer ergibt dispergiertes Polymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59422.3.3 Suspensionspolymerisation – Monomertröpfchen polymerisieren zu „Perlen“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59522.3.4 Substanzpolymerisation – Lösemittel nicht erforderlich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59522.3.5 Sprühtrocknen – aus Polymerdispersionen werden Polymerpulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596

23 Kunststoffe – Additive verbessern Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften . . . . . . . . . . . .59723.1 Additive – aus Polymeren werden gebrauchsfertige Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59823.1.1 Füllstoffe – Zuschläge machen Kunststoffe günstiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59823.1.2 Stabilisatoren – Schutz gegen Temperatur, UV-Strahlen und Sauerstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59823.1.3 Weichmacher – aus starrem Polymer wird weicher, flexibler Kunststoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59923.1.4 Flammschutzmittel – Additive erhöhen die Brandsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60023.1.5 Verbundwerkstoffe – Fasern verbessern die mechanischen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60123.2 Kunststoffverarbeitung – aus Granulat und Pulver werden Kunststoffformteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60223.2.1 Extrudieren – Fertigung von Granulat und Endlosprofilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60223.2.2 Spritzgießen – Fertigung offener Formteile von hoher Komplexität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60323.2.3 Blasformen – Fertigung dreidimensionaler Hohlkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60423.2.4 Kalandrieren – Fertigung von Kunststofffolien nach dem Walzenverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60523.2.5 Blasfolienextrusion – Fertigung von Folien und Schläuchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60623.2.6 Schäumen – Fertigung expandierter Polystyrolperlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606

XXII Inhaltsverzeichnis

23.3 Polymere – Übersicht wichtiger physikalischer Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60723.4 Lernkontrolle für 7 Kap. 21 bis 23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .608

Serviceteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .611 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612 Lösungen ausgewählter Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622 Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623

XXIII

A Ampere, Einheit der elektrischen Stromstärke

A-PET amorphes PolyethylenterephthalatAA AcrylamidAbb. AbbildungAbschn. AbschnittABS Acrylnitril-Butadien-Styrol-Terpolymerägypt. ÄgyptischAIBN Azobis(isobutyronitril)AN AcrylnitrilAO AtomorbitalÄP ÄquivalenzpunktAr Aromat, ArylrestARAL Aromaten-AliphatenASS AcetylsalicylsäureAT amorpher Thermoplast

BASF Badische Anilin- & Soda-FabrikBHT ButylhydroxytoluolBO BindungsordnungBq Bequerel, Einheit der Aktivität des

radioaktiven ZerfallsBTX Benzol, Toluol, XylolBz Benzylrest

C1–4 Verbindungen mit ein bis vier C-AtomenCFK kohlenstofffaserverstärkter KunststoffCFKW ChlorfluorkohlenwasserstoffeCMC CarboxymethylcellulosecP CentipoiseCSH Calciumsilicathydrat

D DuroplastDBP DibutylphthalatDDT DichlordiphenyltrichlorethanDef. DefinitionDEHP Diethylhexylphthalat°dH Grad deutscher HärteDINCH Diisononylcyclohexan-1,2-dicarboxylatDINP DiisononylphthalatDMF DimethylformamidDMSO DimethylsulfoxidDNA deoxyribonucleic acid,

DesoxyribonucleinsäureDU Dobson Unit, Einheit der

Ozonkonzentration

E° Normalpotentiale ElektronELOXAL elektrisch oxidiertes AluminiumEN ElektronegativitätEP EpoxidharzEPS expandiertes PolystyrolEt EthyleV Elektronvolt, Einheit der Energie,

1 eV ≈ 1,602 · 10–19 JEVA Ethylen-Vinylacetat-CopolymerEZ Esterzahl

f festFCKW Fluorchlorkohlenwasserstofffl flüssig

g gasförmigGFK glasfaserverstärkter KunststoffGG Gleichgewichtgr. griechischHal HalogenHDA HexamethylendiaminHEC HydroxyethylcelluloseHDI HexamethylendiisocyanatHOMO highest occupied molecular orbitalhPa HektopascalHTV hochtemperaturvernetzendHz Hertz, Einheit der Frequenz, 1 Hz = 1/s

i-KW verzweigter KohlenwasserstoffI InitiatorIAEO International Atomic Energy Organisation,

Internationale AtomenergieorganisationIC integrated circuit, integrierter SchaltkreisICI Imperial Chemical IndustriesI.G.-Farben Interessen-Gemeinschaft Farbenindustrie

AGIPDI IsophorondiisocyanatIR InfrarotITO indium tin oxide, IndiumzinnoxidIUPAC International Union of Pure and Applied

ChemistryIZ Iodzahl

J Joule, Einheit der Energie, 1 J = 1(kg · m2)/s2

K Kelvin, Einheit der TemperaturK-PET kristallines PolyethylenterephthalatKap. KapitelKat. Katalysatork.D.v. keine Daten vorhandenkJ KilojouleKKK Kern-Kälte-KatalysatorKW KohlenwasserstoffKZ Koordinationszahl

LAS lineares Alkylbenzolsulfonatlat. lateinischLCD liquid crystal display, FlüssigkristallanzeigeLED light-emitting Diode, LeuchtdiodeLM LösemittelLn LanthanoidLNG liquified natural gas, FlüssigerdgasLPG liquified petroleum gas, FlüssiggasLUMO lowest unoccupied molecular orbital

m meta, 1,3-SubstitutionM Monomer, MetallMAK maximale Arbeitsplatzkonzentrationmbar MillibarMC MethylcelluloseMDI MethylendiphenyldiisocyanatMe MethylMJ MegajouleMMA MethylmethacrylatMO MolekülorbitalmPas MillipascalsekundemSv Millisievert

Abkürzungsverzeichnis

XXIV Abkürzungsverzeichnis

MTBE Methyl-tert-butyletherMWG Massenwirkungsgesetz

n Neutron, Anzahl C-Atome, Polymerisationsgrad

N Newton, Einheit der Kraftn. b. nicht bestimmtn-KW unverzweigter Kohlenwasserstoffnm NanometerNP NeutralpunktNu Nucleon, Nucleophiln. b. nicht bekanntn. v. nicht vorhandenn. z. nicht zutreffend

o ortho, 1,2-SubstitutionOPEC Organization of the Petroleum Exporting

Countries, Organisation der Erdöl exportierenden Länder

OZ Oxidationszahl, Oktanzahl

p para, 1,4-Substitution, ProtonP Poise, Einheit der ViskositätPa Pascal, Einheit des DrucksPA PolyamidPAK polyaromatische KohlenwasserstoffePE PolyethylenPE-HD Polyethylen, high density (hoher Dichte)PE-LD Polyethylen, low density (niedriger Dichte)PE-LLD Polyethylen, linear and of low density

(unverzweigt und niedriger Dichte)PEM PolymerelektrolytmembranPET PolyethylenterephthalatpH pondus hydrogenii, lat. für Gewicht, Kraft

des WasserstoffsPh Phenylrestpm PicometerPMMA PolymethylmethacrylatPP Polypropylenppb parts per billionppm parts per millionPr PropylPS PolystyrolPSE Periodensystem der ElementePTFE PolytetrafluorethylenPUR PolyurethanPVC PolyvinylchloridPVC-P Polyvinylchlorid, plastified (Weich-PVC)PVC-U Polyvinylchlorid, unplastified (Hart-PVC)

q. e. d. quod erat demonstrandum, lat. für was zu beweisen war

R Rydberg-Konstante, Alkylrest, Kohlenwasserstoffrest, Radikal

REA RauchgasentschwefelungsanlageRO ReaktionsordnungRT Raumtemperatur (20 °C)RTV raumtemperaturvernetzend

S Styrol, StartermolekülSADT self accelerating decomposition temperatureSE elektrophile aromatische SubstitutionSbl. SublimationstemperaturSdp. SiedepunktSI SiliconSmp. Schmelzpunkt

Sp. spanischSSS Seitenkette-Siedehitze-SonnenlichtSZ Säurezahl

t Tonne, 1 t = 1000 kgT TritiumTab. TabelleTDI ToluoldiisocyanatTFE TetrafluorethylenTHF TetrahydrofuranTNT TrinitrotoluolTOF turnover frequencyTON turnover numberTT teilkristalliner Thermoplast

u atomare MasseneinheitUpM Umdrehungen pro MinuteUV Ultraviolett

V Volt, Einheit der elektrischen SpannungVC VinylchloridVSEPR valence shell electron pair repulsion,

Valenzschalen-Elektronenpaar-AbstoßungVZ Verseifungszahl

X HalogenXPS extrudiertes Polystyrol

Z Zentralatom, ProtonenzahlZSM-5 Zeolite Socony Mobile, Typenspezifizierung

Zeolith

1K-PUR einkomponentiges Polyurethan2K-PUR zweikomponentiges Polyurethan2z-2e Zweizentren-Zweielektronen-Bindung3z-2e Dreizentren-Zweielektronen-Bindung3D dreidimensionalπ-MO nicht-rotationssymmetrisches, bindendes

Molekülorbitalπ*-MO nicht-rotationssymmetrisches, nicht-

bindendes Molekülorbitalσ-MO rotationssymmetrisches, bindendes

Molekülorbitalσ*-MO rotationssymmetrisches, nicht-bindendes

Molekülorbital

XXV

Symbolverzeichnis

a Kohäsionsdruck, Binnendruck N/m², PaA Fläche m²A Massenzahl, ZentralatomA Frequenzfaktor, präexponentieller Faktor mol(1-RO)/(l(1-RO)·s)A0 Aktivität zum Zeitpunkt t = 0 BqA(t) Aktivität zum Zeitpunkt t Bqb Eigenvolumen Gasteilchen m³/molb(A) Molalität der Komponente A mol/kgΔc Änderung Stoffmengenkonzentration mol/lc Konzentration, relative Häufigkeit %, g/100 cm³, …c Lichtgeschwindigkeit m/sc(A) Stoffmengenkonzentration der Komponente A mol/lc0(A) Ausgangskonzentration der Komponente A mmol/mlcE prozentualer Massenanteil eines Elements %cE,S Konzentration Extrakt im Lösemittel mol/lcE,T Konzentration Extrakt im Trägergut mol/lci relative Häufigkeit des Isotops i %cM Stoffmengenkonzentration mol/l, mol/m³CW Wärmekapazität Wasser J/(K·kg)d Durchmesser Feststoffkorn mdi Maschenweite Sieb i mmD Küvettenlänge in Dezimeter dmD kumulierter Siebdurchgang, Durchgangskennlinie %Di differentieller Siebdurchgang von Sieb i %ΔE Energiedifferenz Je Elementarladung, Naturkonstante A·sE0 Normalpotential VEA Aktivierungsenergie J/molEB,Nu mittlere Kernbindungsenergie pro Nukleon MJEB Kernbindungsenergie J/molf RadikalausbeutefaktorF Kraft NF Faraday-Konstante, Naturkonstante, F = 96.485 As/mol A·s/molΔG Änderung der freien Enthalpie, Gibbs Energie J/molΔGR Gibbs Energie, freie Reaktionsenthalpie J

DGRmo, freie molare Standardreaktionsenthalpie J/mol

h Plancksches Wirkungsquantum, Naturkonstante JsH Enthalpie, Reaktionswärme JΔH Enthalpieänderung J

DHAmo, molare Standardaktivierungsenthalpie J/mol

ΔHR Reaktionsenthalpie JΔHR,m molare Reaktionsenthalpie J/mol

DHRmo, molare Standardreaktionsenthalpie J/mol

[ ]H O3+ Hydroniumionenkonzentration mol/l, mmol/ml

I elektrische Stromstärke AΔI Längenzunahme mk Geschwindigkeitskonstante mol(1-RO)/(l(1-RO)·s)ka Geschwindigkeitskonstante der KettenabbruchreaktionKB Basenkonstanteki Geschwindigkeitskonstante des Initiatorzerfallskw Geschwindigkeitskonstante des PolymerkettenwachstumsK GleichgewichtskonstanteKE Nernstscher VerteilungskoeffizientKM Michaelis-Menten-Konstante mol/lKS SäurekonstanteKW Ionenprodukt des Wassers bei Normalklima mol²/l²l NebenquantenzahlI0 Ausgangslänge mL Ligand

XXVI Symbolverzeichnis

LT Löslichkeitsprodukt bei der Temperatur Tm magnetische Quantenzahlm Masse, Stoffmenge g, kgmA,a absolute Atommasse g, kgmA,r relative AtommassemM,r relative MolekülmassemW Masse Wasserbad kg[M] Stoffmenge Monomer molM molare Masse g/molME molare Masse Element g/molMM molare Masse Monomermolekül g/mol

Mn Zahlenmittel der Verteilung der molaren Masse g/mol

MV molare Masse Verbindung g/mol

Mw Gewichtsmittel der Verteilung der molaren Masse g/mol

n Stoffmenge moln Drehfrequenz 1/sn Polymerisationsgradn HauptquantenzahlnD20 Brechungsindex bei 20 °CΔn Stoffmengenänderung mol

nkin kinetische Kettenlänge, kinetischer Polymerisationsgrad

n0 Stoffmenge Monomere zu Beginn der Polymerisation molnP Stoffmenge Produkt molnK Stoffmenge Katalysator molnt Stoffmenge umgesetzte Monomere zum Zeitpunkt t molN NeutronenzahlN Gesamtzahl PolymermoleküleNA Avogadro-Konstante 1/molNi Anzahl Polymermoleküle mit Polymerisationsgrad ni

[ ]OH- Hydroxidionenkonzentration mol/l

[Ox.] Konzentration Oxidationsmittel mol/lp Druck, Gasdruck bar, Pa, N/mm²pKB BaseexponentpKS SäureexponentP Protonenzahl[P·] Stoffmenge Polymerradikal molQ elektrische Ladungsmenge A·sQ Wärmemenge JΔQW Wärmemengenänderung Wasserbad Jr Radius mr stöchiometrisches Verhältnis zweier MonomereR allgemeine Gaskonstante, Naturkonstante J/(mol · K)R Rydberg-Konstante 1/mR kumulierter Siebrückstand, Rückstandskennlinie %[R·] Stoffmenge Radikalstarter mol[Red.] Konzentration Reduktionsmittel mol/lRi differentieller Siebrückstand auf Sieb i %RZB relative Zentrifugalbeschleunigungs Spinquantenzahl[S] Substratmenge mol/lS Entropie J/K

SRmo, molare Standardentropie J/(K·mol)

ΔS Entropieänderung J/Kt Zeit, Zeitpunkt s, h, d, atH Halbwertszeit s, h, d, aΔt Zeitintervall s, h, d, aT absolute Temperatur KΔT Temperaturänderung °C, KTq Glasübergangstemperatur °C, KU Umsetzungsgrad, UmsatzU Uneinheitlichkeit der Verteilung der molaren MasseU innere Energie JΔU Änderung der inneren Energie JΔU Spannungsunterschied V

XXVIISymbolverzeichnis

V Reaktionsgeschwindigkeit mol/(l·s)V(S) Stoffwechselrate als Funktion der Substratmenge mol/(l·s)ve Bahngeschwindigkeit Elektron m/sve,n Bahngeschwindigkeit des Elektrons auf der n-ten Schale m/svmax maximale Stoffwechselrate mol/(l·s)va Geschwindigkeit Abbruchreaktionvi Geschwindigkeit Initiatorzerfallsvs Sinkgeschwindigkeit Feststoffteilchen m/svw Geschwindigkeit des Polymerkettenwachstumsv Volumen, Reaktionsvolumen l, m³V(A) Volumen Komponente A mlV0(A) Ausgangsvolumen Komponente A mlV0(HCl) Ausgangsvolumen Salzsäure mlVM molares Normvolumen l, m³VS Lösemittelvolumen lVT Trägergutvolumen lΔV Volumenänderung l, m³W mechanische Arbeit, Volumenarbeit Jχ(A) Stoffmengenanteil der Komponente A mol/(·mol)z Wertigkeit Säure, Base, Ion

[ ]αD20 spezifischer Drehwert bei 20 °C °

α thermischer Ausdehnungskoeffizient 1/°Cα beobachteter Drehwert °α Alpha-StrahlungαHCH Bindungswinkel Wasserstoff-Kohlenstoff-Wasserstoff °β Ausfallswinkel Flüssigkeit °β Beta-Strahlungβ(A) Massenkonzentration der Komponente A g/lY Gamma-Strahlungδ+ positive elektrische Partialladungδ− negative elektrische Partialladungη Viskosität Pa·s, kg/(m·s)λ Wellenlänge nmλe Wellenlänge Elektron mν Frequenz 1/s, HzνE Indexzahl Elementπ osmotischer Druck N/m², Paρ Dichte kg/m³, kg/l, g/l, g/mlσ Oberflächenspannung N/mσS Streckspannung MPaφ(A) Volumenanteil der Komponente A ml/mlω(A) Massenanteil der Komponente A g/g