Chemie für Einsteiger und Durchsteiger (eBook, EPUB)
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1.1 Aufbau der Materie 1
1.1.1 Reinstoffe 1
1.1.2 Mischungen 1
1.1.3 Elemente und Verbindungen 2
1.2 Atombau 3
1.2.1 Der Atomkern 3
1.2.1.1 Die Atommasse 4
1.2.1.2 Isotope 5
1.2.1.3 Nuklide 6
1.2.2 Die Elektronenhülle 7
1.2.2.1 Das Schalenmodell 7
1.2.2.2 Das Orbitalmodell 8
1.2.2.3 Das Kästchenschema 10
1.3 Das Periodensystem der Elemente (PSE) 14
1.3.1 Ionisierungsenergie 17
1.3.2 Elektronenaffinität 17
1.3.3 Metalle und Nichtmetalle 18
1.3.4 Elektronegativität 19
1.4 Radioaktivität 19
1.4.1 Natürliche Radioaktivität 20
1.4.2 Die Halbwertszeit 21
1.4.3 Zerfallsreihen 21
1.4.4 Kernumwandlungen 21
1.4.5 Kernspaltung 22
1.4.6 Künstliche Nuklide 22
2 Reaktionsgleichungen und Stöchiometrie 25
2.1 Die Reaktionsgleichung 25
2.2 Umgesetzte Mengen und Massen 27
2.3 Die Stoffmenge Mol 28
2.4 Reaktionstypen in der Chemie 31
2.5 Konzentrationsangaben 31
2.5.1 Molare Lösungen 31
2.5.2 Prozentangaben 32
2.5.2.1 Massenprozent (m/m) 32
2.5.2.2 Prozent (m/V) 33
2.5.2.3 Volumenprozent (V/V oder Vol.-%) 33
2.5.3 Kleine Konzentrationen 34
2.6 Die Aktivität 35
2.7 Rechenbeispiele 35
2.8 Mischungsrechnen 36
3 Bindungsarten 39
3.1 Die Ionenbindung 39
3.1.1 Kationenbildung 42
3.1.2 Anionenbildung 43
3.1.3 Salzbildung 44
3.1.4 Kristallwasser 46
3.1.5 Die molare Masse eines Salzes 47
3.1.6 Saure Salze 47
3.1.7 Kristallformen 47
3.2 Die Metallbindung 48
3.3 Die Elektronenpaarbindung 49
3.3.1 Lewis-Formeln 50
3.4 Mehrfachbindungen 52
3.4.1 Polare und unpolare Elektronenpaarbindungen 54
3.4.2 Die räumliche Anordnung von Molekülen 55
3.4.3 Anionenkomplexe 56
3.5 Komplexbindung 58
3.6 Bindungskräfte zwischen Molekülen 61
3.6.1 Ion-Dipol 61
3.6.2 Dipol-Dipol 61
3.6.3 Sonderfall Wasserstoffbrückenbindung 62
3.6.4 Induzierte Dipole und Van-der-Waals-Kräfte 62
3.6.5 Hydrophobe Bindungen 63
4 Kinetik und Thermodynamik 65
4.1 Chemische Kinetik 65
4.1.1 Die Reaktionsgeschwindigkeit 65
4.1.2 Die Stoßtheorie 67
4.1.3 Das chemische Gleichgewicht 68
4.1.4 Das Massenwirkungsgesetz 70
4.1.5 Das Prinzip des kleinsten Zwangs 72
4.1.6 Folgereaktionen 73
4.1.7 Die Reaktionsordnung 73
4.1.8 Die Molekularität einer Reaktion 75
4.2 Thermodynamik 76
4.2.1 Systeme 77
4.2.2 Energieformen 77
4.2.3 Energieinhalt 78
4.2.4 Energiedifferenzen 80
4.2.5 Die Enthalpie 82
4.2.6 Enthalpieberechnungen 83
4.2.7 Die innere EnergieU 85
4.2.8 Die Entropie 86
4.2.9 Die Gibbs-Energie 88
4.3 Verbindungen zwischen Kinetik und Thermodynamik 91
4.3.1 Starten einer Reaktion 91
4.3.2 Katalysatoren 92
4.3.3 Die Gibbs-Energie und das chemische Gleichgewicht 93
5 Zustandsformen der Materie 97
5.1 Die Aggregatzustände 97
5.2 Phasenübergänge 99
5.3 Lösungen 100
5.3.1 Echte und kolloidale Lösungen 100
5.3.2 Löslichkeit 100
5.3.3 Allgemeine Regeln zur Löslichkeit 101
5.3.4 Das Löslichkeitsprodukt 102
5.3.5 Elektrolyte 103
5.3.6 Kolligative Eigenschaften 104
5.3.7 Die Oberflächenspannung 106
6 Säuren und Basen 109
6.1 Die Theorien von Arrhenius und Brönsted 109
6.2 Die Stärke von Säuren und Basen 111
6.2.1 Starke Säuren 112
6.2.2 Schwache Säuren 113
6.2.3 Die Reaktion des Anions einer schwachen Säure 113
6.2.4 Die Wertigkeit von Säuren und Basen 114
6.2.5 Der pKs-Wert 115
6.2.6 Starke und schwache Elektrolyte 116
6.2.7 Starke und schwache Basen 117
6.2.8 Die Säuredefinition nach Lewis 117
6.2.9 Ampholyte 118
6.3 Die Neutralisationsreaktion 118
6.4 Der pH-Wert 119
6.4.1 Die Dissoziation des Wassers 119
6.4.2 Der pH-Wert 120
6.4.3 Reaktionen von Salzen in Wasser 122
6.4.4 pH-Wert-Berechnungen 124
6.5 Puffer 125
6.5.1 Bestandteile von Puffern 126
6.5.2 pH-Wert-Berechnungen und Pufferlösungen 127
7 Redoxreaktionen 129
7.1 Die Reaktion von Metallen mit Sauerstoff 129
7.2 Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen 130
7.3 Die Knallgasreaktion 131
7.4 Die Elektronenverteilung in Verbindungen 132
7.5 Oxidationszahlen 132
7.6 Häufig vorkommende Typen von Redoxreaktionen 134
7.6.1 Verbrennung 134
7.6.2 Rosten 135
7.6.3 Änderung der Sauerstoffanzahl im Molekül 135
7.6.4 Reaktionen von Metallen untereinander 135
7.6.5 Andere Redoxreaktionen ohne Beteiligung von Sauerstoff 136
7.7 Elementare Vorgänge bei Redoxreaktionen 136
7.8 Oxidations- und Reduktionsmittel 137
7.9 Das Aufstellen von Redoxgleichungen 138
7.9.1 Teilgleichungen 138
7.9.2 Basisches oder saures Milieu? 139
7.9.3 Die Bilanz 139
7.10 Disproportionierung und Komproportionierung 141
7.11 Die Spannungsreihe der Metalle 142
7.12 Elektrochemie 146
7.12.1 Elektrolyse 146
7.12.2 Galvanische Elemente 147
8 Angewandte anorganische Chemie 151
8.1 Großtechnische Prozesse 151
8.1.1 Roheisengewinnung und Stahlproduktion 151
8.1.2 Schwefelsäureherstellung 151
8.1.3 Salpetersäureherstellung 152
8.1.4 Salzsäureherstellung 152
8.1.5 Die Chlor-Alkali-Elektrolyse 152
8.1.6 Ammoniaksynthese 153
8.1.7 Sodaherstellung 153
8.2 Anorganische Analytik 153
8.2.1 Identitätsprüfungen 153
8.2.2 Gehaltsbestimmungen 154
9 Fragen zu den Kapiteln 17 (Allgemeine und anorganische Chemie) 157
10 Lösungen zu Kapitel 9 171
11 Sonderstellung des Kohlenstoffs 197
11.1 Die Stellung des Kohlenstoffs im PSE 197
11.2 Die Bildung von Hybridorbitalen 198
11.3 Kohlenwasserstoffe 201
11.4 Die Einteilung organischer Verbindungen: Funktionelle Gruppen 202
12 Kohlenwasserstoffe 205
12.1 Alkane 205
12.2 Verzweigte Alkane 207
12.2.1 Isomerie 208
12.3 Alkene 209
12.3.1 Polyene 210
12.4 Alkine 211
12.5 Aliphaten 211
12.6 Cyclische Kohlenwasserstoffe 211
12.7 Physikalische Eigenschaften der Kohlenwasserstoffe 212
12.8 Chemische Eigenschaften der Kohlenwasserstoffe 213
12.8.1 Alkane 213
12.8.2 Alkene 214
12.9 Aromatische Verbindungen 215
12.10 Erdöl und Kohle 217
12.11 Reaktionen der Aromaten 218
12.12 Halogenierte Kohlenwasserstoffe 219
13 Alkohole 223
13.1 Einwertige Alkohole 223
13.2 Mehrwertige Alkohole 225
13.3 Primäre, sekundäre und tertiäre Hydroxylgruppen 226
13.4 Reaktionen von Alkoholen 228
13.4.1 Etherbildung 228
13.4.2 Eigenschaften von Ethern 229
13.4.3 Organische Ester (niemals Esther!) 229
13.4.4 Nomenklatur der Ester 230
13.4.5 Anorganische Ester 230
13.4.6 Die Oxidation von Alkoholen 231
13.5 Phenole 233
13.5.1 Die saure Reaktion 233
13.5.2 Die Oxidation von Phenolen 234
13.5.3 Ether und Ester mit Phenolen 234
14 Aldehyde und Ketone 237
14.1 Die Carbonylgruppe 237
14.2 Nomenklatur der Aldehyde 238
14.3 Nomenklatur der Ketone 238
14.4 Reaktionen der Carbonylgruppe 239
14.4.1 Anlagerung von Wasser 241
14.4.2 Halbe und volle Acetale 241
14.4.3 Polymerisationen 242
14.4.4 Keto-Enol-Tautomerie 243
14.4.5 Die Aldolkondensation als C-Ketten-Verlängerung 243
14.4.6 Addition von Aminen 244
14.4.7 Reduzierende Eigenschaften/Oxidation 245
15 Amine 247
15.1 Die Aminogruppe 247
15.2 Primäre, sekundäre und tertiäre Amine 247
15.3 Die Basizität der Amine 249
15.4 Quartäre Amine 250
15.5 Aromatische Amine 251
15.6 Reaktionen mit salpetriger Säure/Nitrit 251
15.7 Weitere stickstoffhaltige Verbindungen 252
15.7.1 Ethylendiamin 252
15.7.2 Nitro-Verbindungen 252
16 Carbonsäuren 255
16.1 Die Carboxyl-Gruppe 255
16.2 Die homologe Reihe der Carbonsäuren 257
16.3 Physikalische Eigenschaften 258
16.4 Die Säurestärke 258
16.5 Substituierte Carbonsäuren 260
16.5.1 Hydroxycarbonsäuren 260
16.5.2 Mehrwertige Carbonsäuren 261
16.5.3 Halogenierte Carbonsäuren 261
16.5.4 Ungesättigte Carbonsäuren 262
16.5.5 Aminocarbonsäuren 262
16.5.6 Aromatische Carbonsäuren 263
16.6 Derivate der Carboxyl-Gruppe 263
16.6.1 Säurehalogenide 264
16.6.2 Säureanhydride 264
16.6.3 Säureamide 265
16.7 Typische Reaktionen von Carbonsäuren 266
16.7.1 Die Reaktion mit Wasser 266
16.7.2 Esterbildung und Verseifung 266
16.7.3 Inter- und intramolekulare Verbindungen 267
16.7.4 Schwefelhaltige Verbindungen 268
17 Reaktionstypen in der organischen Chemie 271
17.1 Grundsätzliches 271
17.1.1 Induktivität und Mesomerie 271
17.1.2 Elektrophile und nucleophile Teilchen 272
17.1.3 Radikale 273
17.1.4 Übergangszustände und Zwischenstufen 273
17.1.5 Begriffe 274
17.2 Additionen 275
17.2.1 Elektrophile Addition 275
17.2.2 Verwandte Reaktionen 276
17.2.3 Nucleophile Addition 276
17.3 Substitutionen 277
17.3.1 Elektrophile Substitution 278
17.3.2 Die elektrophile Zweitsubstitution 279
17.3.3 Radikalische Substitution 280
17.4 Eliminierung 280
17.5 Umlagerung 281
17.6 Redoxreaktionen 282
18 Isomerie 285
18.1 Konformationsisomerie 285
18.2 Strukturisomerie 286
18.2.1 Ketten- oder Skelettisomerie 286
18.2.2 Stellungsisomerie 287
18.2.3 Tautomerie 287
18.2.4 Funktionsisomerie 288
18.2.5 Bindungs- oder Valenzisomere 288
18.2.6 Isomerie bei Cycloalkanen 289
18.3 Stereoisomerie 289
18.3.1 Cis-trans- und E-Z-Isomerie 290
18.3.2 Spiegelbild-Isomerie 291
18.4 Optische Aktivität 295
19 Kunststoffe 299
19.1 Einteilung nach Materialeigenschaften 299
19.2 Halbsynthetische Kunststoffe 299
19.3 Vollsynthetische Kunststoffe 300
19.3.1 Polymerisation 300
19.3.2 Polykondensation 301
19.3.3 Weitere Kunststoffe 301
19.4 Silicone 301
20 Naturstoffe 303
20.1 Fette, Öle, Seifen, Wachse 303
20.1.1 Fette und Öle 303
20.1.2 Seifen 306
20.1.3 Wachse 307
20.2 Aminosäuren und Eiweiße 307
20.2.1 Aminosäuren 307
20.2.2 Eiweiße 309
20.3 Kohlenhydrate 311
20.3.1 Aldosen 312
20.4 Nucleinsäuren 319
20.4.1 Die DNA 320
20.4.2 Die RNA 322
21 Nomenklaturregeln und Fragen zu den Kapiteln 1120 (Organische Chemie) 325
22 Lösungen zu Kapitel 21 333
Literatur 347
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