Chemie - Das Basiswissen der Chemie - PDF

Basiseinheiten des internationalen Einheitensystems (gültig ab 20. Mai 2019) Zu messende Größe Einheit Symbol Definition Basiseinheiten Zeit Sekunde s 9 192 631 770-mal die Dauer einer Schwingung der Strahlung,...

Basiseinheiten des internationalen Einheitensystems (gültig ab 20. Mai 2019) Zu messende Größe Einheit Symbol Definition Basiseinheiten Zeit Sekunde s 9 192 631 770-mal die Dauer einer Schwingung der Strahlung, die dem Übergang zwischen den Hyperfein-Niveaus in einem 133 55 Cs-Atom entspricht. Länge Meter m Weglänge, die Licht im Vakuum in 1/299 792 458 s zurücklegt. Masse Kilogramm kg Masse, die sich ergibt, wenn der festgelegte Zahlenwert 6,626 070 15 · 10–34 der Planck-Konstanten h in Joulesekunden aus- gedrückt wird, 1 J s = 1 kg m2s–1. Temperatur Kelvin K Temperatureinheit, die sich ergibt, wenn der festgelegte Zahlenwert 1,380 649 · 10–23 der Boltzmann-Konstanten k in Joule pro Kelvin ausgedrückt wird, 1 J K–1 = 1 kg m2s–2K–1. Stoffmenge Mol mol Stoffmenge, die aus NA = 6,022 140 76 · 1023 Teilchen besteht elektrische Stromstärke Ampere A Elektrischer Strom, bei dem 1019/1,602 176 634 Elementarladungen e pro Sekunde fließen. Lichtstärke Candela cd Lichtstärke innerhalb eines Raumwinkels, die sich ergibt, wenn der festgelegte Zahlenwert 683 für den Lichtstrom von monochromati- schem Licht der Frequenz 540 · 1012 Hz in Lumen pro Watt aus- gedrückt wird, 1 lm W–1 = 1 cd sr kg–1m–2s3. Zusätzliche Einheiten ebener Winkel Radiant rad Verhältnis einer Kreisbogenlänge zum Kreisradius r, 1 rad = 2pr/r Raumwinkel Steradiant sr Verhältnis einer Oberfläche auf einer Kugel zum Quadrat des Kugel- radius r2; 1 sr = 4pr2/r2 Naturkonstanten Präfixe zur Bezeichnung von Vielfachen der Maßeinheiten Konstante Symbol Zahlenwert Präfix Abkürzung Faktor Avogadro-Konstante* NA 6,022 140 76 · 1023 mol–1 Bohr-Radius a0 5,291 77 · 10–11 m exa- E 1018 Elektron, Ruhemasse 9,109 383 · 10–28 g 1015 5,485 799 · 10–4 u peta- P 1012 1,602 176 634 · 10–19 C tera- T Elementarladung* e 109 F = NA · e 9,648 533 21 · 104 C · mol–1 giga- G Faraday-Konstante 106 1,380 649 · 10–23 J · K–1 mega- M Boltzmann-Konstante* k 103 R = k · NA 8,314 46262 J · mol–1 K–1 kilo- k Ideale Gaskonstante hecto- h 102 8,314 46262 kPa · L · mol–1K–1 deca- da 101 Lichtgeschwindigkeit* c 2,997 924 58 · 108 m · s–1 deci- d 10–1 Molares Volumen eines centi- c 10–2 idealen Gases Vm 22,4140 L · mol–1 milli- m 10–3 Neutron, Ruhemasse 1,674 9273 · 10–24 g micro- m 10–6 1,008 664 916 u nano- n 10–9 Planck-Konstante* h 6,626 070 15 · 10–34 J · s pico- p 10–12 Proton, Ruhemasse 1,672 6219 · 10–24 g femto- f 10–15 1,007 276 47 u atto- a 10–18 Normal-Fallbeschleunigung gm 9,806 65 m s–2 * exakt festgelegter Wert Genaue Daten zu den SI-Einheiten sind in Broschüren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig publiziert, www.ptb.de und beim Internationalen Büro für Maß und Gewicht, www.bipm.org Aktuelle Werte für die Naturkonstanten siehe bei physics.nist.gov/cuu/Constants/ Weitere SI-Einheiten Einheiten ohne eigenen Namen Einheiten mit eigenem Namen Zu messende Größe Einheit Zu messende Größe Einheit Symbol Fläche m2 Kraft Newton = kg m s–2 N Volumen m3 Energie Joule = N m = kg m2s–2 J Dichte kg m–3; Leistung Watt = J s–1 = kg m2s–3 W gebräuchli- Druck Pascal = N m–2 = kg m–1s–2 Pa cher: g cm–3 elektrische Ladung Coulomb =As C Geschwindigkeit m s–1 elektrische Spannung Volt = W A–1 = J C–1 V Beschleunigung m s–2 elektrischer Widerstand Ohm = VA–1 Ω molare Masse g mol–1 elektrische Leitfähigkeit Siemens = Ω–1 = V–1 A S Stoffmengen- elektrische Kapazität Farad = CV–1 F konzentration mol L–1 magnetischer Fluss Weber =Vs Wb Wärmekapazität J K–1 Induktivität Henry = V A–1 s H Strahlungsexposition Bq kg–1 magnetische Induktion Tesla = V s m–2 T (magnetische Flussdichte) Frequenz Hertz = s–1 Hz Radioaktivität (atomare Ereig- Becquerel = s–1 Bq nisse pro Zeiteinheit) Absorbierte Energiedosis Gray = J kg–1 Gy Äquivalentdosis Sievert = J kg–1 Sv katalytische Aktivität Katal = mol s–1 kat Lichtstrom Lumen = cd sr lm Gebräuchliche Nicht-SI-Einheiten und ältere Maßeinheiten Zu messende Größe Einheit Symbol entsprechendes SI-Maß weiter gebräuchliche Einheiten Masse Atommasseneinheit u 1,660539 · 10–24 g (gesetzlich erlaubt) Dalton Da = u 931,49 MeV Tonne t 103 kg Zeit Minute min 60 s Stunde h 3600 s Tag d 86 400 s Jahr (tropisch) a 3,15569 · 107 s Länge Ångström Å 10–10 m = 100 pm nautische Meile 1852 m Volumen Liter L oder l 1 dm3 Temperatur Grad Celsius ºC K – 273,15 Druck Bar bar 105 Pa Torr (mm Quecksilbersäule)* Torr 133,322 Pa Energie Elektronenvolt eV 1,60218 · 10–19 J ebener Winkel Grad º p/180 rad nicht mehr zu verwendende Kraft Dyn dyn 10–5 N Einheiten Energie Erg erg 10–7 J (nichtgesetzliche Einheiten) Kalorie cal siehe Seite 60 Druck Physikalische Atmosphäre atm 101,325 kPa Viskosität Poise P 10–1 Pa s Dipolmoment Debye D 3,336 · 10–30 C m magnetische Induktion Gauß G 10–4 T Radioaktivität Curie Ci 37 GBq Äquivalentdosis Rem rem 0,01 Sv * nur in der Heilkunde erlaubt Auf einen Blick Grundlagen und 1 Einleitung 19 Atomtheorie 2 Einführung in die Atomtheorie 32 Stöchiometrie 3 Stöchiometrie I: Chemische Formeln 41 4 Stöchiometrie II: Chemische Reaktionsgleichungen 50 5 Energieumsatz bei chemischen Reaktionen 59 Atome und 6 Die Elektronenstruktur der Atome 72 chemische Bindung 7 Eigenschaften der Atome und die Ionenbindung 100 8 Die kovalente Bindung 117 9 Molekülstruktur, Molekülorbitale 129 Gase, Flüssigkeiten, 10 Gase 153 Feststoffe und Lösungen 11 Flüssigkeiten 171 12 Feststoffe 183 13 Strukturaufklärung 199 14 Lösungen 209 Gesetzmäßigkeiten 15 Reaktionen in wässriger Lösung 232 chemischer Reaktionen 16 Reaktionskinetik 251 17 Das chemische Gleichgewicht 271 18 Säuren und Basen 282 19 Säure-Base-Gleichgewichte 293 20 Löslichkeitsprodukt und Komplex-Gleichgewichte 315 21 Grundlagen der chemischen Thermodynamik 326 22 Elektrochemie 340 Stoffchemie 23 Wasserstoff 367 der Elemente 24 Halogene 373 25 Die Edelgase 387 26 Die Elemente der 6. Hauptgruppe (Gruppe 16) 390 27 Die Elemente der 5. Hauptgruppe (Gruppe 15) 406 28 Kohlenstoff, Silicium und Bor 427 29 Metalle 446 30 Komplex-Verbindungen 479 Organische Chemie 31 Organische Chemie Teil I: Kohlenwasserstoffe 497 und Biochemie 32 Organische Chemie Teil II: Funktionelle Gruppen 515 33 Stereochemie, Polymerchemie und supramolekulare Chemie 544 34 Naturstoffe und Biochemie 560 Kernchemie 35 Kernchemie 593 Gefahrstoffe 36 Umgang mit gefährlichen Stoffen 619 Anhang 635 Chemie Das Basiswissen der Chemie Charles E. Mortimer Ulrich Müller 13., vollständig überarbeitete Auflage 408 Abbildungen 551 Formelbilder Georg Thieme Verlag Stuttgart · New York Anschriften Charles E. Mortimer † Titel der Originalausgabe: Chemistry (Muhlenberg College Original English Language Edition Published by Wadsworth Publishing, Allentown, Pennsylvania/USA) A Division of Wadsworth, Inc., 10 Davis Drive, Belmont, California 94002, U.S.A. Prof. Dr. Ulrich Müller Fachbereich Chemie Copyright for the original English edition 1987 by Wadsworth Publishing Philipps-Universität Company, assigned, 1993, to Dr. Charles E. Mortimer, and 2015 to his heir D-35032 Marburg Charles E. Mortimer Jr., 16307 County Road 384, Buena Vista, CO 81211- 9683, U.S.A. All rights for the English language reserved. No part of the original English language edition of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording, or any information storage and retrieval system, without per- mission, in writing, of the copyright owner, Charles E. Mortimer Jr. 1. Auflage 1973 7. Auflage 2001 2. Auflage 1976 8. Auflage 2003 3. Auflage 1980 9. Auflage 2007 4. Auflage 1983 10. Auflage 2010 5. Auflage 1987 11. Auflage 2014 6. Auflage 1996 12. Auflage 2015 Impressum Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Deine Meinung ist uns wichtig! Bitte schreib uns unter www.thieme.de/service/feedback.html © 1973, 2020 Georg Thieme Verlag KG Rüdigerstraße 14 70469 Stuttgart Deutschland www.thieme.de Printed in Germany Zeichnungen: epline, Ruth Hammelehle, Kirchheim; Roland Geyer, Das Werk, einschließlich aller seiner Teile, auch der über das Internet Weilerswist; Karin Baum, Paphos, Zypern; Fa. willscript, aufrufbaren Lösungswege zu den Übungsaufgaben, ist urheberrechtlich Dr. Wilhelm Kuhn, Tübingen geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheber- Umschlagsgestaltung: Thieme Gruppe rechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Umschlaggrafik: Martina Berge, Stadtbergen Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfil- Satz: Druckhaus Götz GmbH, Ludwigsburg mungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Sys- gesetzt aus Arbortext APP V9.1 Unicode temen. Druck: aprinta druck GmbH, Wemding DOI 10.1055/b-006-163279 ISBN 978-3-13-242274-2 1 2 3 4 5 6 Auch erhältlich als E-Book: eISBN (PDF) 978-3-13-242275-9 Vorwort Dieses Lehrbuch wendet sich an Studierende der Chemie im deutscht. Unser lange gewachsener, reichhaltiger fach- ersten Studienjahr sowie an Studierende mit Chemie als Ne- sprachlicher Wortschatz droht zu verkümmern. Das gilt benfach. ganz besonders, wenn auch Lehrveranstaltungen von In den ersten 22 Kapiteln werden die Grundlagen der all- deutschsprachigen Dozenten für deutschsprachige Zuhörer gemeinen und der physikalischen Chemie dargelegt. In den auf Englisch abgehalten werden. Der Wissenschaft wird so folgenden Kapiteln wird das Grundwissen der anorgani- ein schlechter Dienst erwiesen, denn schwierige Gedanken- schen Chemie, der organischen Chemie, Biochemie und gänge fasst man immer besser in der Muttersprache – nie- Kernchemie vermittelt. Am Schluss folgt ein Kapitel über mand besitzt in einer Fremdsprache den gleichen Wort- den Umgang mit Gefahrstoffen und über das Gefahrstoff- schatz und die gleiche Ausdrucksfähigkeit wie in der Mut- recht. tersprache. In Umfang und Tiefe ist dieses Buch für Studierende mit Als internationale Fachsprache in der Wissenschaft ist Chemie als Nebenfach gedacht. Studierende mit Chemie als Englisch fest etabliert. Deutschsprachige Wissenschaftler Hauptfach werden es als Einführung in die verschiedenen und auch Autoren mit anderen Muttersprachen veröffent- Teilgebiete der Chemie und als Repetitorium vor Prüfungen lichen ihre Forschungsergebnisse überwiegend auf Englisch schätzen. und auf internationalen Fachkongressen ist Englisch die ge- Das amerikanische Original zu diesem Buch von Charles E. meinsame Sprache. Das wird solange so bleiben, bis es Com- Mortimer erlebte sechs Auflagen, deren letzte im Jahr 1986 puterprogramme gibt, die grammatisch und semantisch ein- herausgegeben wurde. Seitdem ist das Werk in den USA wandfrei übersetzen und dolmetschen können. Jeder Natur- nicht mehr auf dem Markt. Die erste deutsche Ausgabe er- wissenschaftler muss heutzutage über Englischkenntnisse schien 1973 und wurde seitdem gepflegt und in inzwischen verfügen. Viele nicht englischsprachige Autoren verfügen 13 Auflagen dem sich weiterentwickelnden Wissensstand nur über mittelmäßige Englischkenntnisse und hadern in angepasst. Der Inhalt des Buches weicht um fast 30 % von der Fremdsprache Englisch mit Grammatik, Syntax und Se- der letzten amerikanischen Ausgabe ab. mantik. Infolgedessen ist auch ein Verfall der englischen In diese 13. Auflage wurden neben allerlei kleineren Ak- Fachsprache zu verzeichnen. Sowohl in deutschen wie in tualisierungen folgende Neuerungen aufgenommen: Die englischen Fachpublikationen findet sich zunehmend eine Neudefinition der Basiseinheiten für das metrische Maßsys- ungenaue und von Modewörtern durchsetzte Sprache. In tem und die nunmehr nicht mehr veränderlichen Werte für der Hoffnung, dem etwas entgegenzuwirken, finden sich sieben Naturkonstanten, die Gewinnung von Wasserstoff hie und da entsprechende Bemerkungen neben dem Text. durch Elektrolyse von Wasser mit Polymerelektrolytmem- Als Hilfestellung zum richtigen Gebrauch der englischen bran, die Trockenreformierung von Erdgas mit CO2 zu Syn- Fachsprache finden sich an geeigneten Stellen Gegenüber- thesegas, die Graphen-Synthese, die Wiederaufbereitung stellungen von deutschen und englischen Ausdrücken. von Metallen, die in Zukunft wahrscheinlich wieder an Be- Seit der Rechtschreibreform von 1996 (und deren teilwei- deutung erlangende Fischer-Tropsch-Synthese, die CRISPR- se Rücknahme 2006) gibt es im Deutschen keine einheitliche Cas9-Methode in der Gentechnik und Änderungen im Ge- Rechtschreibung mehr. In dem immer noch herrschenden fahrstoffrecht. orthographischen Durcheinander versucht der Georg Thie- Zur korrekten Erfassung naturwissenschaftlicher Sachver- me Verlag für alle Lehrbücher eine einheitliche Orthogra- halte gehört eine sorgfältige und exakte sprachliche Aus- phie zu verwenden. Sie finden in diesem Buch neue Schrei- drucksweise. Seit einigen Jahrzehnten ist ein Sprachwandel bungen (z. B. Fluss, Potenzial, im Allgemeinen), jedoch keine in der deutschen chemischen Fachsprache zu beobachten. Es missverständlichen Getrenntschreibungen; wo die neuen gibt eine steigende Tendenz zum Gebrauch von Anglizismen. Regeln Varianten erlauben, wird die alte Schreibweise bevor- Bisher im Deutschen gebräuchliche Ausdrücke werden nach zugt (z. B. mit Hilfe, nicht mithilfe). und nach durch englische Ausdrücke verdrängt, und sogar grammatische Formen werden aus dem Englischen einge- Marburg, Juli 2019 Ulrich Müller 9  Danksagung Danksagung Folgenden Kollegen danke ich für Hinweise und Anregungen Außerdem danke ich zahlreichen weiteren Fachkollegen zu Kapiteln aus ihren Fachgebieten: Prof. Dr. Roland Berger und aufmerksamen Lesern, die allerlei Anregungen gegeben (Theoretische Chemie); Prof. Dr. Sigurd Höger (Organische haben und mich auf Fehler aufmerksam gemacht haben. Chemie); Prof. Dr. Olalla Vázquez (Biologische Chemie). Frau Ruth Hammelehle, Herrn Roland Geyer, Herrn Außerdem danke ich den Kollegen, die mir bei früheren Dr. Willi Kuhn und Frau Karin Baum danke ich für ihre Auflagen Hinweise und Anregungen gegeben haben: Dr. künstlerische Arbeit bei der Anfertigung der Abbildungen. Johannes Beck (Bearbeiter der 11. Auflage); Prof. Dr. Hart- Frau Marianne Mauch, Frau Mascha Friedrich, Frau Laura mut Follmann (Biochemie); Prof. Dr. Thomas Schrader und Diemand und allen anderen Mitarbeitern des Georg Thieme Prof. Dr. Paultheo von Zezschwitz (Organische Chemie); Prof. Verlags danke ich für die reibungslose Zusammenarbeit bei Dr. Gernot Frenking (Theoretische Chemie); Prof. Dr. An- der Produktion und Gestaltung des Buches. dreas Greiner (Polymerchemie); Dr. Carsten Auel (Gefahr- stoffrecht). Marburg, Juli 2019 Ulrich Müller Herrn Dr. Matthias Lein, Dr. Christian Emden, Dr. Frank Biesemeier und Frau Dr. Monica Crippa danke ich für die Bereitstellung von Material für Abbildungen. 10 Hinweise zur Benutzung Zusammenfassung / Die Übersicht über die Kapitelgliederung neben jeder Zu- Die Zusammenfassung steht am Anfang von jedem Kapitel und vermittelt in sammenfassung erleichtert das rasche Fin- knapper und prägnanter Form eine Übersicht über den nachfolgenden Text. Sie den eines gesuchten Unterkapitels. dient einerseits als Einführung in das Thema, kann aber auch zur Festigung des Wissens bei der Wiederholung des gelernten Stoffes genutzt werden. Schlüsselworte (s. Glossar) 2 Die Gestaltung des Buches mit zwei unterschiedlich breiten Spalten gestattet es, Diese Liste enthält Begriffe, die im Kapi- Reaktionsgleichungen, Formelschemata, besondere Hinweise und ergänzende tel neu eingeführt werden. Alle Schlüs- Bemerkungen neben dem Text unterzubringen. Darauf wird nicht immer, aber selworte finden sich noch einmal in bei passenden Stellen, mit dem Wort „nebenstehend“ hingewiesen. alphabetischer Reihenfolge im Glossar Neben den hier dargestellten Elementen finden sich in der Randspalte Ergän- (S. 668), jeweils mit einer kurzen Erläu- zungen oder Erläuterungen zum Text, die nicht besonders hervorgehoben, aber, terung. Im Text werden neue Begriffe wenn dies sinnvoll ist, mit einer fetten Überschrift versehen sind. durch Fettdruck hervorgehoben. +. Beispiel In den an der passenden Stelle im Text eingefügten Beispielen werden Rechen- Definition verfahren erläutert und ergänzende Erklärungen gegeben. Definitionen wichtiger Begriffe sind durch eine blaue Unterlegung gekenn- zeichnet. Übungsaufgaben : : < Die Übungsaufgaben am Ende der Kapitel bieten die Möglichkeit, das Gelernte zu überprüfen, und erleichtern so die Vorbereitung auf schriftliche und mündli- che Prüfungen. Lösungen zu den Aufgaben sind im Anhang angegeben; der Anleitungen und Kurzzusammenfassun- Rechenweg kann im Internet unter www.thieme.de/mortimer nachgesehen wer- gen, die Informationen aus dem Haupt- den. Versuchen Sie jedoch, die Aufgaben zu lösen, bevor Sie im Internet nach text ergänzen oder prägnant rekapitu- dem Lösungsweg suchen. Wenn Sie gleich dort nachsehen, bekommen Sie das lieren, sind gelb unterlegt. Gefühl, alles verstanden zu haben, und trotzdem haben Sie nicht gelernt, den Lösungsweg selbständig zu finden. Anhang Der Anhang enthält Tabellen von Normalpotenzialen, Gleichgewichtskonstan- ten, thermodynamischen Daten und Bindungsenergien. Einheiten und Natur- konstanten finden sich tabellarisch im vorderen Einband. Das Periodensystem der Elemente findet sich im hinteren Einband auf einer Tafel, die parallel zur Lektüre des Textes ausgeklappt werden kann. Das Einsteckkärtchen im Format DIN A7 enthält neben dem Periodensystem wichtige Formeln und Naturkonstanten. 11 Das Periodensystem der Elemente Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung........................ 19 5.4 Reaktionsenergie und Reaktionsenthalpie.. 62 5.5 Der Satz von Hess.................... 64 1.1 Historische Entwicklung der Chemie...... 20 5.6 Bildungsenthalpien................... 65 1.2 Elemente, Verbindungen, Gemische...... 23 5.7 Bindungsenergien.................... 68 1.3 Stofftrennung....................... 25 Übungsaufgaben..................... 70 1.4 Maßeinheiten....................... 28 1.5 Genauigkeit und signifikante Stellen...... 29 6 Die Elektronenstruktur der 1.6 Mittelwert und Standardabweichung..... 30 Atome........................... 72 Übungsaufgaben..................... 31 6.1 Elektromagnetische Strahlung........... 73 2 Einführung in die Atomtheorie 6.2 Atomspektren....................... 74... 32 6.3 Ordnungszahl und das Periodensystem der 2.1 Die Dalton-Atomtheorie............... 32 Elemente........................... 77 2.2 Das Elektron........................ 33 6.4 Wellenmechanik..................... 81 2.3 Das Proton......................... 34 6.5 Quantenzahlen...................... 85 2.4 Das Neutron........................ 35 6.6 Orbitalbesetzung und die Hund-Regel..... 89 2.5 Aufbau der Atome................... 35 6.7 Die Elektronenstruktur der Elemente..... 92 2.6 Atomsymbole....................... 37 6.8 Halb- und vollbesetzte Unterschalen...... 94 2.7 Isotope............................ 37 6.9 Einteilung der Elemente............... 97 2.8 Atommassen........................ 38 Übungsaufgaben..................... 98 Übungsaufgaben..................... 40 7 Eigenschaften der Atome 3 Stöchiometrie Teil I: Chemische und die Ionenbindung............ 100 Formeln.......................... 41 7.1 Atomgröße......................... 101 3.1 Moleküle und Ionen.................. 41 7.2 Ionisierungsenergien.................. 103 3.2 Empirische Formeln................... 43 7.3 Elektronenaffinitäten.................. 105 3.3 Das Mol............................ 43 7.4 Die Ionenbindung.................... 107 3.4 Prozentuale Zusammensetzung von 7.5 Gitterenergie........................ 108 Verbindungen....................... 45 7.6 Arten von Ionen..................... 110 3.5 Ermittlung chemischer Formeln......... 46 7.7 Ionenradien......................... 112 Übungsaufgaben..................... 47 7.8 Nomenklatur von Ionenverbindungen..... 114 4 Stöchiometrie Teil II: Chemische Übungsaufgaben..................... 115 Reaktionsgleichungen............ 50 8 Die kovalente Bindung........... 117 4.1 Chemische Reaktionsgleichungen........ 50 8.1 Konzept der kovalenten Bindung........ 117 4.2 Begrenzende Reaktanden.............. 53 8.2 Übergänge zwischen Ionenbindung und 4.3 Ausbeute bei chemischen Reaktionen..... 54 kovalenter Bindung................... 119 4.4 Konzentration von Lösungen............ 54 8.3 Elektronegativität.................... 121 Übungsaufgaben..................... 56 8.4 Formalladungen..................... 123 8.5 Mesomerie (Resonanz)................ 125 5 Energieumsatz bei chemischen 8.6 Nomenklatur von binären Reaktionen....................... 59 Molekülverbindungen................. 127 5.1 Energiemaße........................ 60 Übungsaufgaben..................... 127 5.2 Temperatur und Wärme............... 60 5.3 Kalorimetrie......................... 61 13  Inhaltsverzeichnis 9 Molekülstruktur, Molekülorbitale 129 12.3 Kristallstrukturen von Metallen.......... 188 9.1 Ausnahmen zur Oktettregel............ 130 12.4 Ionenkristalle........................ 191 9.2 Elektronenpaar-Abstoßung und 12.5 Defektstrukturen..................... 194 Molekülstruktur...................... 130 12.6 Flüssigkristalle....................... 195 9.3 Hybridorbitale....................... 135 12.7 Nanostrukturen...................... 195 9.4 Molekülorbitale...................... 137 Übungsaufgaben..................... 198 9.5 Molekülorbitale in mehratomigen Molekülen.......................... 141 13 Strukturaufklärung............... 199 9.6 Delokalisierte Bindungen............... 142 13.1 Röntgenbeugung.................... 199 9.7 Stark polare kovalente Bindungen........ 146 13.2 Kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie. 204 9.8 Hypervalente Atome.................. 146 Übungsaufgaben..................... 207 9.9 Die Bindung in Metallen............... 148 9.10 Halbleiter........................... 151 14 Lösungen........................ 209 Übungsaufgaben..................... 151 14.1 Allgemeine Betrachtungen............. 210 14.2 Der Auflösungsprozess................ 211 10 Gase............................. 153 14.3 Hydratisierte Ionen................... 212 10.1 Druck............................. 154 14.4 Lösungsenthalpie..................... 213 10.2 Das Avogadro-Gesetz................. 155 14.5 Abhängigkeit der Löslichkeit von Druck 10.3 Das ideale Gasgesetz.................. 156 und Temperatur..................... 214 10.4 Stöchiometrie und Gasvolumina......... 158 14.6 Konzentration von Lösungen............ 215 10.5 Die kinetische Gastheorie.............. 160 14.7 Dampfdruck von Lösungen............. 218 10.6 Das Dalton-Gesetz der Partialdrücke...... 161 14.8 Gefrierpunkt und Siedepunkt 10.7 Molekülgeschwindigkeiten in Gasen...... 163 von Lösungen....................... 219 10.8 Das Graham-Effusionsgesetz............ 164 14.9 Osmose............................ 221 10.9 Reale Gase.......................... 165 14.10 Destillation......................... 224 10.10 Verflüssigung von Gasen............... 167 14.11 Elektrolyt-Lösungen................... 225 Übungsaufgaben..................... 168 14.12 Interionische Wechselwirkungen in Lösungen........................... 226 14.13 Kolloide Lösungen und Gele............ 227 11 Flüssigkeiten..................... 171 14.14 Tenside und Mizellen.................. 227 11.1 Intermolekulare Anziehungskräfte........ 172 14.15 Ionische Flüssigkeiten................. 229 11.2 Wasserstoff-Brücken.................. 174 Übungsaufgaben..................... 229 11.3 Der flüssige Zustand.................. 175 11.4 Verdampfung....................... 176 15 Reaktionen in wässriger Lösung.. 232 11.5 Dampfdruck........................ 177 15.1 Metathese-Reaktionen................. 232 11.6 Siedepunkt......................... 178 15.2 Oxidationszahlen..................... 235 11.7 Verdampfungsenthalpie............... 178 15.3 Reduktions-Oxidations-Reaktionen....... 237 11.8 Gefrierpunkt und Schmelzpunkt......... 179 15.4 Arrhenius-Säuren und -Basen............ 240 11.9 Dampfdruck von Festkörpern........... 180 15.5 Saure und basische Oxide.............. 242 11.10 Phasendiagramme.................... 180 15.6 Nomenklatur von Säuren, Hydroxiden Übungsaufgaben..................... 182 und Salzen.......................... 243 15.7 Volumetrische Analyse................ 245 12 Feststoffe........................ 183 15.8 Äquivalentmasse und 12.1 Arten von kristallinen Feststoffen........ 184 Äquivalentkonzentration............... 247 12.2 Kristallstruktur und Symmetrie.......... 185 Übungsaufgaben..................... 249 14  Inhaltsverzeichnis 16 Reaktionskinetik................. 251 20 Löslichkeitsprodukt und Komplex- 16.1 Reaktionsgeschwindigkeit.............. 252 Gleichgewichte................... 315 16.2 Konzentrationsabhängigkeit der 20.1 Das Löslichkeitsprodukt................ 315 Reaktionsgeschwindigkeit.............. 253 20.2 Fällungsreaktionen................... 317 16.3 Zeitabhängigkeit der 20.3 Fällung von Sulfiden.................. 320 Reaktionsgeschwindigkeit.............. 254 20.4 Komplex-Gleichgewichte............... 321 16.4 Einstufige Reaktionen................. 258 Übungsaufgaben..................... 324 16.5 Geschwindigkeitsgesetze für einstufige Reaktionen......................... 261 16.6 Reaktionsmechanismen................ 262 21 Grundlagen der chemischen Thermodynamik.................. 326 16.7 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit.............. 264 21.1 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik.. 327 16.8 Katalyse............................ 265 21.2 Enthalpie........................... 328 Übungsaufgaben..................... 268 21.3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. 329 21.4 Die freie Enthalpie.................... 331 17 Das chemische Gleichgewicht.... 271 21.5 Freie Standard-Enthalpien.............. 333 17.1 Reversible Reaktionen und chemisches 21.6 Absolute Entropien................... 333 Gleichgewicht....................... 272 21.7 Gleichgewicht und freie 17.2 Die Gleichgewichtskonstante Kc......... 273 Reaktionsenthalpie................... 335 17.3 Die Gleichgewichtskonstante Kp......... 276 21.8 Temperaturabhängigkeit von 17.4 Das Prinzip des kleinsten Zwanges....... 278 Gleichgewichtskonstanten.............. 337 Übungsaufgaben..................... 338 Übungsaufgaben..................... 279 18 Säuren und Basen................ 282 22 Elektrochemie.................... 340 22.1 Elektrischer Strom.................... 341 18.1 Das Arrhenius-Konzept................ 283 22.2 Elektrolytische Leitung................ 342 18.2 Das Brønsted-Lowry-Konzept............ 283 22.3 Elektrolyse.......................... 343 18.3 Die Stärke von Brønsted-Säuren und -Basen 284 22.4 Stöchiometrische Gesetze bei der 18.4 Säurestärke und Molekülstruktur........ 285 Elektrolyse.......................... 344 18.5 Das Lewis-Konzept.................... 288 22.5 Galvanische Zellen.................... 346 18.6 Lösungsmittelbezogene Säuren und Basen. 290 22.6 Die elektromotorische Kraft............ 347 Übungsaufgaben..................... 291 22.7 Elektrodenpotenziale.................. 348 22.8 Freie Reaktionsenthalpie und 19 Säure-Base-Gleichgewichte....... 293 elektromotorische Kraft............... 352 19.1 Das Ionenprodukt des Wassers. 22.9 Konzentrationsabhängigkeit des Potenzials. 354 pH-Wert............................ 294 22.10 Potenziometrische Titration............ 358 19.2 Schwache Elektrolyte................. 295 22.11 Elektrodenpotenziale und Elektrolyse..... 358 19.3 Indikatoren......................... 300 22.12 Korrosion und Korrosionsschutz......... 359 19.4 Pufferlösungen...................... 301 22.13 Elektrochemische Herstellung von 19.5 Mehrprotonige Säuren................ 304 nanostrukturierten Materialien.......... 360 19.6 Salze schwacher Säuren und Basen....... 307 22.14 Galvanische Zellen für den praktischen 19.7 Säure-Base-Titrationen................. 309 Gebrauch........................... 361 19.8 Erweiterung des Säure-Base-Konzepts auf 22.15 Brennstoffzellen...................... 363 Festkörper.......................... 311 Übungsaufgaben..................... 364 Übungsaufgaben..................... 313 15  Inhaltsverzeichnis 23 Wasserstoff...................... 367 27 Die Elemente der 23.1 Vorkommen und physikalische 5. Hauptgruppe (Gruppe 15)..... 406 Eigenschaften....................... 367 27.1 Allgemeine Eigenschaften.............. 407 23.2 Herstellung von Wasserstoff............ 368 27.2 Die Elementstrukturen von Phosphor, 23.3 Chemische Eigenschaften des Wasserstoffs 370 Arsen, Antimon und Bismut............ 408 23.4 Technische Verwendung von Wasserstoff.. 372 27.3 Der Stickstoffzyklus................... 409 Übungsaufgaben..................... 372 27.4 Vorkommen und Herstellung der Elemente der 5. Hauptgruppe.................. 410 24 Halogene......................... 27.5 Nitride und Phosphide................. 411 373 27.6 Wasserstoff-Verbindungen.............. 412 24.1 Eigenschaften der Halogene............ 373 27.7 Halogen-Verbindungen................ 414 24.2 Vorkommen und Herstellung der Halogene 375 27.8 Oxide und Oxosäuren des Stickstoffs..... 415 24.3 Interhalogen-Verbindungen............. 377 27.9 Luftverschmutzung................... 418 24.4 Halogenwasserstoffe.................. 379 27.10 Oxide und Oxosäuren des Phosphors..... 422 24.5 Halogenide......................... 380 27.11 Oxide und Oxosäuren von Arsen, Antimon 24.6 Oxosäuren der Halogene............... 381 und Bismut......................... 424 24.7 Verwendung der Halogene............. 385 27.12 Verwendung der Elemente der Übungsaufgaben..................... 386 5. Hauptgruppe...................... 425 Übungsaufgaben..................... 426 25 Die Edelgase..................... 387 25.1 Vorkommen und Gewinnung der Edelgase. 387 28 Kohlenstoff, Silicium und Bor.... 427 25.2 Eigenschaften der Edelgase............. 388 28.1 Allgemeine Eigenschaften der Elemente der 4. Hauptgruppe.................. 428 25.3 Verwendung der Edelgase.............. 389 28.2 Die Strukturen der Elemente der 4. Hauptgruppe...................... 430 26 Die Elemente der 28.3 Vorkommen, Gewinnung und Verwendung 6. Hauptgruppe (Gruppe 16)..... 390 von Kohlenstoff und Silicium............ 432 26.1 Allgemeine Eigenschaften der Chalkogene. 391 28.4 Carbide, Silicide und Silane............. 434 26.2 Vorkommen und Gewinnung von Sauerstoff 392 28.5 Oxide und Oxosäuren des Kohlenstoffs.... 436 26.3 Reaktionen des Sauerstoffs............. 392 28.6 Siliciumdioxid und Silicate.............. 437 26.4 Verwendung von Sauerstoff............ 395 28.7 Schwefel- und Stickstoff-Verbindungen des 26.5 Ozon.............................. 395 Kohlenstoffs........................ 440 26.6 Schwefel, Selen und Tellur............. 396 28.8 Allgemeine Eigenschaften der Elemente der 3. Hauptgruppe (Gruppe 13)........ 440 26.7 Vorkommen und Gewinnung von Schwefel, Selen und Tellur..................... 397 28.9 Elementares Bor..................... 441 26.8 Wasserstoff-Verbindungen von Schwefel, 28.10 Bor-Verbindungen.................... 442 Selen und Tellur..................... 398 28.11 Borane (Borhydride).................. 443 26.9 Schwefel-, Selen- und Tellur-Verbindungen in Übungsaufgaben..................... 444 der Oxidationsstufe +IV................ 399 26.10 Schwefel-, Selen- und Tellur-Verbindungen in 29 Metalle........................... 446 der Oxidationsstufe +VI................ 401 26.11 Verwendung von Schwefel, Selen und Tellur 404 29.1 Physikalische Eigenschaften von Metallen.. 447 Übungsaufgaben..................... 404 29.2 Vorkommen von Metallen.............. 449 29.3 Metallurgie: Aufbereitung von Erzen...... 450 29.4 Metallurgie: Reduktion................ 452 29.5 Metallurgie: Raffination................ 457 29.6 Metallurgie: Wiederaufbereitung......... 458 16  Inhaltsverzeichnis 29.7 Die Alkalimetalle..................... 459 33 Stereochemie, Polymerchemie 29.8 Die Erdalkalimetalle................... 462 und supramolekulare Chemie.... 544 29.9 Die Metalle der 3. Hauptgruppe......... 465 33.1 Stereochemie organischer Verbindungen.. 544 29.10 Die Metalle der 4. Hauptgruppe......... 468 33.2 Racemat-Trennung und Synthese chiraler 29.11 Die Übergangsmetalle................. 470 Moleküle........................... 548 29.12 Die Lanthanoide..................... 475 33.3 Polymerchemie...................... 549 Übungsaufgaben..................... 477 33.4 Supramolekulare Chemie.............. 556 Übungsaufgaben..................... 558 30 Komplex-Verbindungen.......... 479 30.1 Struktur von Komplex-Verbindungen..... 480 34 Naturstoffe und Biochemie....... 560 30.2 Stabilität von Komplexen.............. 484 34.1 Terpene............................ 562 30.3 Nomenklatur von Komplexen........... 485 34.2 Kohlenhydrate....................... 563 30.4 Isomerie........................... 485 34.3 Fette, Öle und Wachse................ 567 30.5 Die Bindungsverhältnisse in Komplexen... 487 34.4 Botenstoffe, Hormone und Vitamine..... 569 Übungsaufgaben..................... 495 34.5 Natürliche Farbstoffe.................. 572 34.6 Proteine............................ 575 31 Organische Chemie Teil I: 34.7 Nucleinsäuren....................... 579 Kohlenwasserstoffe.............. 497 34.8 Proteinsynthese...................... 581 31.1 Alkane............................. 498 34.9 Gentechnik......................... 584 31.2 Alkene............................. 504 34.10 Enzyme und Coenzyme................ 588 31.3 Alkine............................. 505 34.11 Schlussbemerkung: Biochemie und Chemie............................ 591 31.4 Arene............................. 506 Übungsaufgaben..................... 592 31.5 Reaktionen der Kohlenwasserstoffe. Radikalische Substitution. Addition....... 507 31.6 Cycloaddition und die Bedeutung der 35 Kernchemie...................... 593 Orbitalsymmetrie für chemische Reaktionen 510 35.1 Der Atomkern....................... 594 31.7 Reaktionen von Arenen. Elektrophile 35.2 Kernreaktionen...................... 595 Substitution......................... 510 35.3 Radioaktivität....................... 596 Übungsaufgaben..................... 514 35.4 Messung der Radioaktivität............. 599 32 Organische Chemie Teil II: 35.5 Die radioaktive Zerfallsgeschwindigkeit... 600 Funktionelle Gruppen............ 515 35.6 Biologische Effekte der Radioaktivität..... 603 35.7 Radioaktive Zerfallsreihen.............. 605 32.1 Halogenalkane. Nucleophile Substitution. Eliminierungsreaktionen............... 516 35.8 Künstliche Kernumwandlungen.......... 607 32.2 Metallorganische Verbindungen......... 519 35.9 Kernspaltung........................ 609 32.3 Alkohole, Phenole und Thiole........... 520 35.10 Kernfusion.......................... 613 32.4 Ether.............................. 523 35.11 Verwendung von radioaktiven Nucliden... 614 32.5 Carbonyl-Verbindungen................ 524 Übungsaufgaben..................... 617 32.6 Carbonsäuren und ihre Derivate......... 529 32.7 Amine und Carbonsäureamide.......... 536 36 Umgang mit gefährlichen Stoffen 619 32.8 Aminosäuren und Peptide.............. 539 36.1 Einteilung und Kennzeichnung der 32.9 Azo- und Diazo-Verbindungen........... 540 Gefahrstoffe........................ 620 36.2 Europäisches Gefahrstoffrecht........... 625 32.10 Heterocyclische Verbindungen.......... 541 36.3 Giftstoffe, Toxikologie................. 631 Übungsaufgaben..................... 542 Übungsaufgaben..................... 634 17  Inhaltsverzeichnis Anhang.......................... 635 D Mittlere Bindungsenergien............. 640 A Normalpotenziale bei 25 °C............. 636 E Lösungen zu den Übungsaufgaben....... 641 B Gleichgewichtskonstanten bei 25 °C...... 637 Glossar........................... 668 C Thermodynamische Daten bei 25 °C........................... 639 Sachverzeichnis.................. 691 18  1 Einleitung 1 Einleitung 1 Zusammenfassung / 1.1 Übersicht Historische Entwicklung der Chemie ist die Wissenschaft, die sich mit der Charakterisierung, Zusammensetzung Chemie · 20 und Umwandlung von Stoffen befasst. Sie hat sich über Jahrhunderte aus den 1.2 Elemente, Verbindungen, altertümlichen Handwerkskünsten und der griechischen Philosophie über die Alche- Gemische · 23 mie und die Phlogiston-Chemie entwickelt. Die moderne Chemie wurde durch die 1.3 Stofftrennung · 25 Arbeiten von Antoine Lavoisier begründet, deren Basis das Gesetz der Erhaltung der Masse war. 1.4 Maßeinheiten · 28 Elemente sind Stoffe, die in keine einfacheren Stoffe zerlegt werden können 1.5 Genauigkeit und und aus denen alle anderen Stoffe aufgebaut sind. Es sind etwas mehr als 100 signifikante Stellen · 29 Elemente bekannt, von denen 90 natürlich vorkommen. Jedes hat einen Namen 1.6 Mittelwert und und ein chemisches Symbol, das aus ein oder zwei Buchstaben besteht. Verbindun- Standardabweichung · 30 gen sind aus Elementen in einem fixierten Massenverhältnis aufgebaut. Elemente Übungsaufgaben · 31 und Verbindungen sind reine Stoffe. Gemische bestehen aus zwei oder mehr reinen Stoffen in nicht festgelegtem Mengenverhältnis. Bei heterogenen Gemischen sind Grenzflächen zwischen den Komponenten erkennbar, während homogene Gemische einheitlich erscheinen. Zur Trennung heterogener Gemische gibt es eine Reihe von Stofftrennungsmetho- den; homogene Gemische werden getrennt, nachdem sie durch physikalische Schlüsselworte (s. Glossar) 2 Zustandsveränderungen in heterogene Gemische übergeführt wurden. Das internationale Einheitensystem (abgekürzt SI) dient für alle Messungen. Es Alchemie basiert auf sieben Basiseinheiten und sieben Naturkonstanten, deren Zahlenwerte latrochemie festgelegt sind. Weitere abgeleitete Einheiten ergeben sich durch algebraische Phlogiston Kombination. Materie Bei einem sachgerecht angegebenen Messwert sind alle Ziffern signifikante Masse Stellen. Wird von einem wiederholt gemessenen Wert der Mittelwert gebildet, dann ist die Standardabweichung ein Ausdruck für dessen Präzision. Gesetz der Erhaltung der Masse Gesetz der konstanten Proportionen Chemie ist eine Wissenschaft, die sich mit der Charakterisierung, Zusammen- Element setzung und Umwandlung von Stoffen befasst. In dieser Definition kommt der Chemisches Symbol Charakter der Chemie allerdings nur unzureichend zum Ausdruck, denn wie in Verbindung jeder Wissenschaft geht es nicht einfach darum, Wissen zu akkumulieren. In Reiner Stoff den Naturwissenschaften stimuliert jede neue Anschauung neue Experimente Gemisch und Beobachtungen, die ihrerseits ein verfeinertes Verständnis und die Ent- Aggregatzustand wicklung neuer Anschauungen zur Folge haben. Da sich die Interessengebiete Lösung verschiedener Wissenschaftszweige überschneiden, lassen sich keine scharfen Emulsion Grenzen zwischen ihnen ziehen, und wissenschaftliche Methoden finden uni- Suspension verselle Anwendung. Trotzdem hat man eine, wenn auch nicht scharf umrisse- Phase ne Vorstellung dessen, was Chemie ist. Gegenstand der Chemie sind die Zu- sammensetzung und die Struktur von Substanzen sowie die Kräfte, die sie Dekantieren zusammenhalten. Die physikalischen Eigenschaften der Substanzen werden Filtrieren untersucht, denn sie liefern Auskünfte über die Struktur, dienen zu ihrer Iden- Kristallisation tifizierung und Klassifizierung und zeigen Anwendungsmöglichkeiten auf. Destillation Das Hauptanliegen des Chemikers ist jedoch die chemische Reaktion. Dabei Extraktion richtet sich das Interesse auf jeden Aspekt, wie Stoffe ineinander umgewandelt Chromatographie werden können, d. h. unter welchen Bedingungen Stoffumwandlungen ablau- Elektrophorese fen, wie schnell sie erfolgen, wie erwünschte Reaktionen gefördert und uner- SI-Einheit wünschte unterdrückt werden können, welche Energieumsetzungen erfolgen, Signifikante Stellen wie sowohl in der Natur vorkommende als auch in der Natur nicht anzutref- Standardabweichung fende Stoffe künstlich hergestellt werden können und welche Stoffmengen bei Präzision Stoffumwandlungen im Spiele sind. Richtigkeit Genauigkeit 19  1 Einleitung 1 1.1 Historische Entwicklung der Chemie Nach einer jahrhundertelangen allmählichen Entwicklung entfaltete sich die moderne Chemie zu Ende des 18. Jahrhunderts. Die Geschichte der Chemie lässt sich in fünf Abschnitte einteilen: Handwerkskünste (bis 600 vor Christus). Die Erzeugung von Metallen wie Kupfer aus Erzen, Töpferei, Brauerei, Backkünste und die Herstellung von Farb- stoffen und Heilmitteln sind alte Handwerkskünste. Nach archäologischen Be- funden verstanden sich die Bewohner des alten Ägyptens und Mesopotamiens auf diese Art Handwerk. Bei den genannten Prozessen laufen chemische Reak- tionen ab, die jedoch rein empirisch, d. h. durch praktische Erfahrungen und ohne ein theoretisches Konzept weiterentwickelt wurden. Die ägyptischen Me- tallhandwerker konnten Kupfer durch Erhitzen des Minerals Malachit mit Holz- kohle herstellen, aber sie wussten nicht und versuchten auch nicht heraus- zufinden, warum der Prozess abläuft und was im Feuer vor sich geht. Griechische Theorie (600 – 300 vor Christus). Die philosophische (theoreti- sche) Betrachtung der Chemie setzte im klassischen Griechenland gegen 600 vor Christus ein. Die griechischen Philosophen suchten nach Prinzipien, mit denen sich die Natur verstehen lässt. Zwei griechische Theorien wirkten weit in die folgenden Jahrhunderte: Die Vorstellung, alle irdischen Stoffe seien aus den vier Elementen Erde, Luft, Feuer und Wasser in wechselnden Mengen aufgebaut. Die von Leukipp vorgeschlagene und von Demokrit im fünften Jahrhundert vor Christus weiter ausgearbeitete Theorie, wonach alle Stoffe aus definierten kleinsten Teilchen, den Atomen bestehen. Nach Plato sollten sich die Atome verschiedener Elemente durch ihre Gestalt unterscheiden. Er glaubte, Atome eines Elements könnten durch Veränderung ihrer Gestalt in solche eines anderen Elements umgewandelt werden. Das Kon- zept der Elementumwandlung findet sich auch in den Theorien von Aristoteles, der nicht an die Existenz von Atomen glaubte. Nach ihm sollten alle Elemente Abb. 1.1 Der Alchemist, Gemälde von David Teniers (1648). Quelle: Fisher Scien- tific, Pittsburgh, USA. 20  1.1 Historische Entwicklung der Chemie und die daraus gebildeten Stoffe aus der gleichen Ursubstanz zusammengesetzt sein und sich nur in der Form unterscheiden, die diese Ursubstanz annimmt. 1 Zur Form zählten Eigenschaften wie Gestalt, Farbe und Härte. Belebte wie unbe- lebte Materie sollte einer ständigen Formveränderung unterliegen und sich von unreifen zu ausgereiften (erwachsenen) Formen entwickeln. Alchemie (300 vor bis 1650 nach Christus). Aus dem Zusammentreffen der griechischen Philosophie und den Handwerkskünsten Ägyptens erwuchs in Alexandria die Alchemie. Die frühen Alchemisten nutzten die ägyptischen Künste der Stoffverarbeitung, um die Stofftheorien zu untersuchen. In Büchern aus Alexandria (den ältesten bekannten Schriften über chemische Themen) finden sich Diagramme chemischer Apparaturen und Beschreibungen von La- boroperationen wie Destillation und Kristallisation. Ein dominantes Interesse der Alchemisten war die Stoffumwandlung der metallischen Grundstoffe wie Eisen und Blei in das Edelmetall Gold. Sie glaub- ten an die Existenz eines wirkungsvollen Umwandlungsagens, später Stein der Weisen genannt, welches in kleiner Menge die gewünschten Veränderungen in Gang setzen würde. Im 7. Jahrhundert nach Christus eroberten die Araber die Zentren der helle- nischen Kultur in Ägypten, und die Alchemie ging in ihre Hand über. Die grie- chischen Texte wurden ins Arabische übersetzt. Die Araber nannten den Stein der Weisen El-Iksir (Elixier). Sie glaubten, damit könne man nicht nur Metalle veredeln, sondern auch Krankheiten heilen. Das Ziel, Gold herzustellen und ein Lebenselixier zu finden, das Menschen unsterblich machen würde, blieb über Jahrhunderte das Hauptanliegen der Alchemie. Im 12.– 13. Jahrhundert fand durch die Übersetzung arabischer Schriften ins Lateinische die Alchemie allmählich Einzug in Europa. Die meisten Überset- zungen erfolgten in Spanien, wo sich die maurische Kultur etabliert hatte. Die Iatrochemie, der medizinisch orientierte Zweig der Alchemie, blühte im 16. und 17. Jahrhundert auf. Die europäischen Alchemisten trugen zwar nur wenig zur alchemistischen Theorie bei, aber sie gaben ein reichhaltiges chemisches Datenmaterial weiter und ergänzten es durch eigene Beobachtungen und Ent- deckungen. Im 17. Jahrhundert wurden die Theorien der Alchemisten zunehmend ange- zweifelt. Vor allem Robert Boyle ist hier zu nennen, der 1661 das Buch „The Sceptical Chymist“ publizierte. Obwohl Boyle die Umwandlung von Metallen in Gold für möglich hielt, kritisierte er die alchemistische Denkweise. Er betonte, dass chemische Theorie auf experimentelle Beobachtung aufgebaut werden müsse. Phlogiston (1650 – 1790). Im 18. Jahrhundert wurde die Chemie von der Phlo- giston-Theorie beherrscht. Diese Theorie war zu ihrer Zeit sehr erfolgreich bei der Deutung vieler chemischer Vorgänge; sie ging hauptsächlich auf Arbeiten von Georg Ernst Stahl zurück. Phlogiston, ein „Feuerprinzip“, sollte in jeder griechisch flóx = Flamme, Feuer brennbaren Substanz enthalten sein. Während der Verbrennung würde die Substanz ihr Phlogiston verlieren und zu einem einfacheren Stoff reduziert werden. Demnach war Holz aus Asche und Phlogiston aufgebaut. Das Kalzinieren Holz → Asche + Phlogiston (an die Luft ab- (trockenes Erhitzen) eines Metalls wurde ähnlich interpretiert. Nach heutiger gegeben) Anschauung setzt sich das Metall mit Sauerstoff zu einem Metalloxid um; nach Metall → Metallkalk + Phlogiston (an die der Phlogiston-Theorie sollte ein Metall aus „Metallkalk“ (Metalloxid) und Phlo- Luft abgegeben) giston bestehen, das beim Erhitzen verlorengeht. Die Bildung eines Metalls aus Metallkalk + Phlogiston (aus Kohle) → Metall einem Erz (Metallkalk) durch Erhitzen mit Kohle, die als gut brennbare Sub- stanz reich an Phlogiston sein sollte, stellte man sich als Übertragung des Phlo- gistons von der Kohle auf den Metallkalk vor. 21  1 Einleitung Eine Erscheinung konnte durch die Phlogiston-Theorie nicht erklärt werden. 1 Brennendes Holz sollte Phlogiston verlieren, die entstehende Asche wiegt dem- entsprechend weniger als das ursprüngliche Holz. Dagegen ist der angenom- mene Phlogiston-Verlust beim Kalzinieren eines Metalls mit einer Gewichts- zunahme verbunden. Die Anhänger der Phlogiston-Theorie waren sich dieses Gesellschaft Deutscher Chemiker Problems bewusst, aber die Bedeutung genauer Wägung und Messung wurde noch nicht erkannt. Moderne Chemie (seit 1790). Die Arbeiten von Antoine Lavoisier werden als Anfangspunkt der modernen Chemie angesehen. Lavoisier hatte sich bewusst zum Ziel gesetzt, die Phlogiston-Theorie zu widerlegen. Er stützte sich auf das quantitative Experiment, vornehmlich unter Benutzung der Waage, um che- mische Erscheinungen zu erklären. Antoine Lavoisier Von grundlegender Bedeutung ist das von ihm formulierte Gesetz der Erhal- * 1743 Paris tung der Masse: Im Verlaufe einer chemischen Reaktion lässt sich kein Verlust † 1794 Paris oder Gewinn von Masse beobachten; die Gesamtmasse aller reagierenden Stof- fe ist gleich der Gesamtmasse aller Produkte. Beim Verbrennen von 12,011 g Kohlenstoff Die Rolle von Gasen erwies sich als Stolperstein bei der Entwicklung che- mit 31,999 g Sauerstoff wird Energie in mischer Theorien. Wenn das Gesetz der Erhaltung der Masse auf Verbren- Form von Wärme freigesetzt. Die Masse des nungs- und Kalzinierungsprozesse angewandt wird, so müssen auch die Mas- entstandenen Kohlendioxids ist 4,4 · 10–9 g sen der beteiligten Gase berücksichtigt werden. Die korrekte Interpretation geringer als die eingesetzten Massen. Mit dieser Vorgänge war erst möglich, nachdem Methoden ausgearbeitet worden den besten mechanischen Waagen kann waren, um Gase zu handhaben, zu messen und zu identifizieren. man auf 10–7 g genau wägen, jedoch nur, Nachdem die Phlogiston-Theorie als widerlegt galt, entwickelte sich durch wenn die zu wägende Gesamtmasse nicht Arbeiten von James Joule, Germain Hess, Julius Robert Mayer, Sadi Carnot, größer als ca. 1 g ist. Eine Wattwaage, bei Rudolf Clausius, William Thomson, Willard Gibbs, Hermann von Helmholtz, der das Gewicht elektromagnetisch kom- Max Planck und Albert Einstein im 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts der pensiert wird, gestattet es, eine Masse von Begriff Energie zur allesbeherrschenden Größe in den Naturwissenschaften. 1 kg auf ca. 10–5 g genau zu wägen. Nano- Dass die Abgabe eines Energiebetrags E mit einem Verlust von Masse m waagen, bei denen die gemessene Schwin- gemäß der Einstein-Beziehung E = mc2 verbunden ist, wurde erst im 20. Jahr- gungsfrequenz eines Nano- bis Mikrometer hundert erkannt. Wegen des großen Zahlenwerts der Lichtgeschwindigkeit c großen Balkens davon abhängt, ob Mole- entsprechen die bei chemischen Reaktionen umgesetzten Energiewerte aller- küle darauf liegen, gestatten die Wägung dings derart kleinen Massen, dass sie auch heute noch durch keine Wägung von Massen im Bereich von 10–22 g, aber ermittelt werden können. Das Gesetz der Erhaltung der Masse ist somit ein nur wenn es nur wenige Protein-Moleküle Grenzgesetz, das nur innerhalb der erzielbaren Wägegenauigkeit gilt. Nachträg- oder Schweratome sind. lich gesehen kann Phlogiston als ein Synonym für Energie interpretiert werden. So betrachtet, ist die Phlogiston-Theorie eine Theorie, die ihrer Zeit zu weit voraus war, und die später unter neuem Namen und befreit von Widersprüchen zur bedeutendsten aller Theorien der Naturwissenschaften wurde. Ohne die Schaffung einer „méthode de no- Lavoisier bediente sich der heute noch gültigen Definitionen für Elemente menclature chimique“ durch Lavoisier, C. L. und Verbindungen (s. Abschnitt 1.2). Er zeigte, dass ein Metall ein Element ist Berthollet und L. B. Guyton de Morveau und ein Metallkalk eine Verbindung aus dem Metall mit Sauerstoff aus der Luft. (1787), nach der im Namen einer che- In seinem Buch Traité Élémentaire de Chimie, 1789 veröffentlicht, führte Lavoi- mischen Verbindung die darin enthaltenen sier die heute in der Chemie übliche Terminologie ein. Elemente benannt werden, hätte sich die Die seit Lavoisier gesammelten Erkenntnisse sind Gegenstand dieses Buches. Chemie nicht entfalten können. Die verwor- In den vergangenen zwei Jahrhunderten wurden mehr Erkenntnisse zusam- rene und unsystematische Terminologie mengetragen als in den zwei Jahrtausenden davor. und Symbolik der Alchemisten ließ kaum Im Laufe der Zeit hat sich die Chemie in verschiedene Fachgebiete verzweigt Zusammenhänge erkennen. (die Einteilung ist willkürlich und historisch bedingt): Organische Chemie: Die Chemie der (Mehrzahl der) Verbindungen des Koh- lenstoffs. Der Begriff organisch hat sich aus einer Zeit erhalten, als man glaub- te, nur lebende Tiere und Pflanzen könnten diese Stoffe erzeugen. Anorganische Chemie: Die Chemie aller Elemente, ausgenommen Kohlen- stoff (jedoch unter Einschluss einiger aus Mineralien gewinnbarer Kohlen- stoff-Verbindungen). Analytische Chemie: Die qualitative und quantitative Ermittlung der Zusam- mensetzung von Stoffen sowie die Ermittlung der An- oder Abwesenheit von Fremdstoffen. 22  1.2 Elemente, Verbindungen, Gemische Physikalische Chemie: Das Studium der physikalischen Prinzipien, die dem Aufbau und der Umwandlung von Stoffen zugrunde liegen. 1 Biochemie: Die Chemie, die in lebenden Organismen abläuft, und die Unter- suchung der damit zusammenhängenden Substanzen. Kernchemie: Die Umwandlung der Elemente. Technische Chemie: Die Entwicklung von Verfahren und Apparaturen zur industriellen Herstellung von chemischen Produkten. Zu einzelnen Fachgebieten gibt es weitere Spezialgebiete, z. B. die makromole- kulare Chemie (Chemie der Stoffe mit hohen Molekülmassen) als Spezialgebiet der organischen Chemie oder die theoretische Chemie (rechnerische Erfas- sung, wie sich Atome miteinander verbinden) als Spezialgebiet der physika- lischen Chemie. Ebenso gibt es Spezialgebiete im Grenzbereich zwischen den Fachgebieten wie zum Beispiel die metallorganische Chemie im Bereich zwi- schen anorganischer und organischer Chemie. 1.2 Elemente, Verbindungen, Gemische Materie ist alles, was Raum beansprucht und Masse hat. Materie besteht aus unterschiedlichen Stoffen. Die Masse ist das Maß für die Menge eines Stoffs und gleichzeitig ein Maß für seine Trägheit, d. h. für den Widerstand, den er einer Kraft entgegensetzt, die auf seine Bewegung wirkt. Das Gewicht ist die Anziehungskraft, welche die Gravitation der Erde auf einen Körper ausübt; es ist proportional zur Masse des Körpers. Alle Stoffe sind aus einer begrenzten Zahl einfacher Stoffe aufgebaut, den Elementen. Die 1661 von Robert Boyle in seinem Buch The Sceptical Chymist gemachte Definition gilt im Wesentlichen heute noch: „Elemente sind be- stimmte primitive und einfache, völlig unvermischte Körper; sie enthalten keine anderen Körper, sie sind die Zutaten, aus denen alle perfekt gemischten Körper zusammengesetzt sind und in welche diese letztlich zerlegt werden.“ Tab. 1.1 Die Häufigkeit der Elemente im Boyle machte keinen Versuch, spezielle Substanzen als Elemente zu identifizie- Bereich der Erdkruste, Ozeane und Atmo- sphäre. ren, betonte jedoch, der Beweis für ihre Existenz sowie ihre Identifizierung habe durch Experimente zu erfolgen. Rang Element Symbol Massen- Das Elementkonzept von Boyle wurde von Lavoisier bestätigt. Nach Lavoisier anteil/% ist ein Element ein Stoff, der in keine einfacheren Stoffe zerlegt werden kann, 1 Sauerstoff O 49,2 und eine Verbindung entsteht durch das Zusammenfügen von Elementen. La- 2 Silicium Si 25,7 voisier hat 23 Elemente korrekt identifiziert (allerdings wertete er auch einige einfache chemische Verbindungen sowie Licht und Wärme als Elemente). Die 3 Aluminium Al 7,5 Definition von Lavoisier gilt heute noch, wenn auch mit der Einschränkung, 4 Eisen Fe 4,7 dass ein Element nur mit den Mitteln des Chemikers, d. h. mit begrenzter Ener- 5 Calcium Ca 3,4 giezufuhr in Form von Wärme, Licht, mechanischer oder elektrischer Energie nicht weiter zerlegt werden kann. 6 Natrium Na 2,6 Gegenwärtig sind 118 Elemente bekannt. Von diesen wurden 90 in der Natur 7 Kalium K 2,4 gefunden; die restlichen wurden durch Kernreaktionen künstlich erzeugt (s. 8 Magnesium Mg 1,9 Abschnitt 35.8.3, S. 608). Jedes Element hat einen Namen und ein chemisches Symbol, das durch 9 Wasserstoff H 0,9 internationale Abkommen vereinbart ist. Die Symbole bestehen aus einem 10 Titan Ti 0,6 oder zwei lateinischen Buchstaben. Sie sind in der Regel Abkürzungen der lateinischen Namen der Elemente. Eine Liste aller Elemente und ihrer Symbole 11 Chlor Cl 0,2 findet sich im hinteren Buchumschlag. 12 Phosphor P 0,1 Die 15 häufigsten Elemente im Bereich der Erdkruste, Ozeane und Atmo- 13 Mangan Mn 0,1 sphäre sind in Tab. 1.1 zusammengestellt. Dieser, dem Menschen zugängliche Bereich der Erde, macht weniger als 1 % der Erdmasse aus. Würde das gesamte 14 Kohlenstoff C 0,09 Erdinnere mitberücksichtigt werden, so wäre die Liste anders als in Tab. 1.1, 15 Schwefel S 0,05 und Eisen wäre das häufigste Element. Das häufigste Element im ganzen Uni- alle anderen 0,56 versum ist Wasserstoff (geschätzter Massenanteil 75 %). 23  1 Einleitung In welchem Ausmaß ein Element wirtschaftlich genutzt wird, hängt nicht 1 nur von seiner Häufigkeit, sondern auch von seiner Zugänglichkeit ab. Manche alltäglichen Elemente wie Kupfer oder Blei sind nicht besonders häufig, kom- men aber in Erzlagerstätten vor, aus denen sie gut gewonnen werden können. Andere, die viel häufiger vorkommen, wie zum Beispiel Rubidium, Titan und Zirconium, finden weniger Verwendung, weil sie in geringer Konzentration weit verteilt sind oder weil ihre Gewinnung aus Erzen schwierig und kost- spielig ist. Verbindungen sind Stoffe, die aus verschiedenen Elementen in definierter Zusammensetzung bestehen. Nach dem Gesetz der konstanten Proportionen (von Joseph Proust 1799 formuliert) besteht eine Verbindung immer aus den- selben Elementen im gleichen Massenverhältnis. Die Verbindung Wasser be- steht zum Beispiel aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff im Massen- verhältnis 1 : 7,937. Verbindungen haben andere Eigenschaften als die Elemen- te, aus denen sie bestehen. Sowohl Elemente wie Verbindungen sind reine Stoffe. Alle anderen Stoffe sind Gemische. Gemische bestehen aus mehreren reinen Stoffen in wechseln- dem Mengenverhältnis. Die Eigenschaften von Gemischen hängen von diesem Mengenverhältnis sowie von den Eigenschaften der enthaltenen reinen Stoffe ab. Es werden zwei Sorten von Gemischen unterschieden. Ein heterogenes Gesellschaft Deutscher Chemiker Gemisch besteht erkennbar aus unterschiedlichen Teilen; Sand und Eisenpul- ver bilden zum Beispiel ein heterogenes Gemisch. Ein homogenes Gemisch erscheint durch und durch einheitlich, zum Beispiel Luft, Zuckerlösung oder eine Gold-Silber-Legierung; flüssige und feste homogene Gemische werden Lösungen genannt. Die genannte Klassifizierung der Stoffe ist in Abb. 1.2 dar- gestellt. Eine abgegrenzte Menge eines einheitlichen, d. h. homogenen Stoffes wird Phase genannt. Heterogene Gemische bestehen aus mehreren Phasen, zwi- Joseph-Louis Proust schen denen es erkennbare Grenzflächen (Phasengrenzen) gibt. Im heteroge- * 1754 Angers nen Gemisch Granit lassen sich zum Beispiel farblose Quarz-, schwarze Glim- † 1826 Angers mer- und rosafarbene Feldspatkristalle erkennen. Alle Portionen der gleichen Sorte werden als eine Phase gezählt. Granit besteht demnach aus drei Phasen, deren Mengenanteile von Probe zu Probe verschieden sein können (Abb. 1.3). Auch ein reiner Stoff kann nebeneinander in verschiedenen Phasen vorkom- Abb. 1.2 Klassifizierung der Stoffe. 24  1.3 Stofftrennung Tab. 1.2 Klassifizierung von heterogenen Gemischen. Die Kombination gasförmig + 1 gasförmig fehlt, da sich gasförmige Stoffe immer homogen miteinander mischen. Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele Verfahren zur der Phasen Phasentrennung fest + fest Gemenge Granit, Sortieren, Sieben, Flotation, Sand + Salz Scheidung nach Dichte, elektrostatische Trennung, Extraktion fest + flüssig Suspension Malerfarbe, Sedimentieren + Dekantie- Schlamm ren, Zentrifugieren, Filtrieren flüssig + flüssig Emulsion Milch Zentrifugieren fest + gasförmig Aerosol Rauch Sedimentieren, Filtrieren, Fliehkraftabscheidung, elektrostatische Trennung Abb. 1.3 Granit besteht aus Kristallen von Quarz, Glimmer und Feldspat. flüssig + gasförmig Aerosol Nebel Fliehkraftabscheidung men; Wasser und über seiner Oberfläche (= Grenzfläche) befindlicher Wasser- dampf bilden zum Beispiel zwei Phasen. Materie begegnet uns in drei Aggregatzuständen: fest, flüssig und gasför- mig. Feste Stoffe zeichnen sich durch eine stabile äußere Form und ein defi- niertes Volumen aus. Flüssigkeiten besitzen ebenfalls ein definiertes Volumen, aber keine stabile Form. Gase besitzen weder ein definiertes Volumen noch eine Form; sie füllen den zur Verfügung gestellten Raum ganz aus. Je nachdem, in welchem Aggregatzustand sich die einzelnen Phasen heterogener Gemische befinden, werden sie gemäß Tab. 1.2 eingeteilt. Wie in Abb. 1.2 vermerkt, können heterogene und homogene Gemische mit Hilfe physikalischer Methoden getrennt werden, während zur Trennung der in Verbindungen enthaltenen Elemente chemische Methoden notwendig sind. Zu- standsänderungen wie Schmelzen, Verdampfen oder Veränderung der äußeren Gestalt sind physikalische Vorgänge; bei ihnen werden keine neuen Verbin- dungen gebildet. Bei chemischen Vorgängen werden Stoffe unter Bildung neuer Verbindungen umgewandelt. Die chemischen Eigenschaften eines rei- nen Stoffes beschreiben sein Verhalten bei chemischen Vorgängen, die physika- lischen Eigenschaften das Verhalten bei physikalischen Vorgängen. Sowohl die chemischen wie die physikalischen Eigenschaften sind Funktion der physika- lischen Bedingungen, d. h. sie hängen vom Aggregatzustand, von Druck und Temperatur, von der An- oder Abwesenheit anderer Stoffe und anderem ab. 1.3 Stofftrennung Will man die Eigenschaften eines reinen Stoffes untersuchen, so muss er in der Regel erst aus einem Gemisch abgetrennt werden. Verfahren zur Stofftren- nung spielen deshalb eine wichtige Rolle in der Chemie. 1.3.1 Heterogene Gemische Zur Trennung eines heterogenen Gemisches werden die unterschiedlichen phy- sikalischen Eigenschaften der verschiedenen Phasen genutzt. Folgende Verfah- ren eignen sich dafür: Sortieren. Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden (z. B. Far- be) räumlich getrennt. Während ein manuelles Sortieren mühsam und wenig effektiv ist, können automatisierte Verfahren sehr wirkungsvoll sein. Phasen, die sich durch ihre Teilchengröße unterscheiden, können durch ein Sieb getrennt 25  1 Einleitung werden. Ist eine Phase magnetisch, die andere nicht, so kann ein Magnet die 1 magnetische Phase herausziehen. Bei unterschiedlicher Dichte wird mit Hilfe einer Flüssigkeit mittlerer Dichte eine Trennung erreicht (z. B. Trennung von Sand und Holzspänen mit Hilfe von Wasser). Eine Variante dieses Verfahrens ist die Flotation, auf die wir im Abschnitt 29.3 (S. 451) zurückkommen. Elektrostatische Verfahren werden zur Trennung verschiedener Salze (aus Salz- lagerstätten) eingesetzt: Die auf geeignete Korngröße zermahlenen Salzge- mische werden elektrostatisch aufgeladen und fallen zwischen zwei Metall- platten; eine elektrische Spannung zwischen den Platten lenkt die unterschied- lich aufgeladenen Phasen unterschiedlich seitlich ab (Abb. 1.4). Nach dem glei- chen Prinzip erfolgt die elektrostatische Abscheidung von festen Teilen (Staub) aus Gasen: Das staubhaltige Gas strömt zwischen zwei positiv geladenen Plat- ten; zwischen den Platten b