Chemie für Ingenieure (E-Book) von Jan Hoinkis

1 Atombau und Periodensystem 1

1.1 Bestandteile des Atoms 1

1.2 Atomkerne 2

1.3 Aufbau der Elektronenhülle 4

1.3.1 Das Bohrsche Atommodell 4

1.3.2 Das wellenmechanische Atommodell 5

1.4 Das Periodensystem der Elemente 15

1.4.1 Die Elektronenstrukturen der Elemente 16

1.4.2 Die Periodizität der Eigenschaften 17

2 Die chemische Bindung 25

2.1 Die Atombindung (kovalente Bindung) 26

2.1.1 DasWasserstoffmolekül 26

2.1.2 -Bindungen 27

2.1.3 -Bindungen 28

2.2 Die Ionenbindung 29

2.3 Die metallische Bindung 32

2.3.1 Das Elektronengasmodell 32

2.3.2 Das Energiebändermodell 33

2.4 Übergangsformen zwischen den Bindungsarten 33

2.5 Die zwischenmolekularenWechselwirkungen 36

2.5.1 Die Dipol-Wechselwirkungen 36

2.5.2 Die Van-der-Waals-Wechselwirkung 37

2.5.3 Wasserstoffbrücken 39

2.6 Mengenangaben 41

2.6.1 Die Gesetze von den konstanten und multiplen Proportionen 41

2.6.2 Die relative Atommasse 42

2.6.3 Die relative Molekülmasse und die Formelmasse 43

2.6.4 Das Mol und die molare Masse 44

3 Die Aggregatzustände 47

3.1 Der gasförmige Aggregatzustand 47

3.1.1 Ideale Gase 47

3.1.2 Reale Gase 49

3.1.3 Gasverflüssigung, der Joule-Thomson-Effekt 50

3.2 Der flüssige Aggregatzustand 51

3.3 Der feste Aggregatzustand 52

3.3.1 Die Kristallsysteme 52

3.3.2 Die Eigenschaften von Kristallen 54

3.3.3 Amorphe Feststoffe 56

3.4 Mischungen 56

3.4.1 HomogeneMischungen 57

3.4.2 HeterogeneMischungen 57

3.5 Lösungen 59

3.5.1 Angaben über die Zusammensetzung von Lösungen 60

3.5.2 Diffusion und Osmose 63

3.5.3 Lösungsenthalpie und Entropie 66

3.6 Aggregatzustandsänderungen 70

3.6.1 Das Temperatur-Energie-Diagramm 70

3.6.2 Das Phasendiagramm 71

3.6.3 Das Prinzip der Kälteerzeugung 75

3.6.4 Destillation 79

4 Chemische Reaktionen 85

4.1 Reaktionsgleichungen und stöchiometrische Berechnungen 85

4.2 Energieumsätze bei chemischen Reaktionen 88

4.3 Der Verlauf chemischer Reaktionen 91

4.3.1 Reversible und irreversible Prozesse 91

4.3.2 Reaktionsgeschwindigkeit 92

4.4 Redoxreaktionen 95

4.4.1 Die Definition von Oxidation und Reduktion 95

4.4.2 Die Definition der Oxidationszahl 96

4.4.3 Schreibweise von Oxidationszahl und Ladungszahl 96

4.4.4 Regeln für die Festlegung der Oxidationszahlen 97

4.4.5 Beispiele für wichtige Redoxreaktionen in der Chemietechnik 99

4.5 Säure-Base-Reaktionen 100

4.5.1 Säuren 100

4.5.2 Basen 102

4.5.3 Der Ampholyt Wasser und der pH-Wert (1. Teil) 102

4.5.4 Salze 104

5 Chemische Gleichgewichte 107

5.1 Das Massenwirkungsgesetz 107

5.1.1 Die mathematische Formulierung des Massenwirkungsgesetzes 107

5.1.2 Das Prinzip von Le Chatelier 110

5.2 Gleichgewichte in wässrigen Lösungen 113

5.2.1 Das Ionenprodukt desWassers 113

5.2.2 Der pH-Wert (2. Teil) 114

5.2.3 Die elektrolytische Dissoziation 116

5.2.4 Das Kohlensäuregleichgewicht 117

5.2.5 Pufferlösungen 118

5.2.6 pH-Farbindikatoren 119

5.2.7 Maßanalyse 121

5.2.8 Saure und alkalische Reaktionen von Salzen 125

5.3 Das Löslichkeitsprodukt 127

5.3.1 Mathematische Ableitung des Löslichkeitsproduktes 127

5.3.2 Das Löslichkeitsprodukt des Calciumcarbonats 130

5.3.3 Weitere Anwendungsbeispiele aus der Praxis 134

5.4 Komplexverbindungen 138

5.4.1 Komplexbildung am Anion 138

5.4.2 Komplexbildung am Kation 140

5.4.3 Komplexbildung an neutralen Atomen 143

5.4.4 Eigenschaften häufig gebrauchter Komplexe 144

5.5 Gasgleichgewichte 145

5.5.1 Homogene Gasgleichgewichte 146

5.5.2 Heterogene Gasgleichgewichte 152

5.5.3 Der Heßsche Satz 155

5.6 Adsorptionsvorgänge 155

5.6.1 Adsorptionsgesetze 155

5.6.2 Chromatografie 157

6 Die Elemente 161

6.1 Allgemeines 161

6.1.1 Einteilung der Elemente 161

6.1.2 Die Häufigkeit der Elemente und die Rohstoffprobleme 162

6.1.3 Elementumwandlungen 165

6.2 Die gasförmigen Elemente 171

6.2.1 Wasserstoff 171

6.2.2 Die gasförmigen Halogene 173

6.2.3 Stickstoff und Sauerstoff 174

6.2.4 Ozon 182

6.2.5 Die Edelgase 183

6.3 Die übrigen Nichtmetalle 185

6.3.1 Brom und Iod 185

6.3.2 Schwefel 187

6.3.3 Phosphor 188

6.3.4 Kohlenstoff 189

6.4 Halbleiter 197

6.4.1 Die elektrische Leitfähigkeit in festen Stoffen 197

6.4.2 Silicium und Germanium 200

6.4.3 Chemische Verbindungen als Halbleiter 206

6.5 Metalle 209

6.5.1 Allgemeine metallische Eigenschaften 209

6.5.2 Einteilung der Metalle 215

6.5.3 Legierungen 215

6.5.4 Die Alkalimetalle 219

6.5.5 Die Erdalkalimetalle 220

6.5.6 Beryllium undMagnesium 221

6.5.7 Aluminium und die Metalle der dritten Hauptgruppe 221

6.5.8 Die Metalle der vierten und fünften Hauptgruppe 222

6.5.9 Zink, Cadmium, Quecksilber 223

6.5.10 Kupfer, Silber, Gold 225

6.5.11 Die Platinmetalle 227

6.5.12 Eisen, Cobalt, Nickel 227

6.5.13 Metalle der vierten bis siebten Nebengruppe 232

6.5.14 Metalle der dritten Nebengruppe und die Lanthanoide 232

6.6 Radioaktive Elemente 233

6.6.1 Natürliche radioaktive Elemente 233

6.6.2 Künstlich hergestellte radioaktive Elemente 236

6.6.3 Kernreaktoren 237

7 Anorganische Verbindungen 239

7.1 Wasserstoffverbindungen der Elemente 239

7.1.1 Das Tetraedermodell für Moleküle 240

7.1.2 Wasser H2O 243

7.1.3 Wasserstoffperoxid H2O2 247

7.1.4 Chlorwasserstoff HCl 248

7.1.5 Ammoniak NH3 249

7.1.6 Hydrazin N2H4 251

7.1.7 Schwefelwasserstoff H2S 251

7.1.8 Phosphorwasserstoff PH3 251

7.2 Sauerstoffverbindungen der Elemente 251

7.2.1 Nichtmetalloxide 251

7.2.2 Sauerstoffsäuren 259

7.2.3 Metalloxide und Metallhydroxide 263

7.2.4 Glas 265

7.2.5 Alumosilicate 266

7.2.6 Baustoffbindemittel 268

7.2.7 Asbest 269

7.3 Carbide und Nitride 270

7.3.1 Salzartige Carbide 270

7.3.2 Einlagerungsverbindungen 270

7.3.3 Kovalente Verbindungen 271

7.4 Nanotechnologie 272

8 Organische Verbindungen 277

8.1 Kohlenwasserstoffe 279

8.1.1 Alkane oder Paraffine 279

8.1.2 Alkene oder Olefine 282

8.1.3 Alkine oder Acetylene 285

8.1.4 Alicyclische Verbindungen 288

8.1.5 Aromatische Kohlenwasserstoffe 288

8.2 Halogenabkömmlinge der Kohlenwasserstoffe 295

8.2.1 Chlorierte Kohlenwasserstoffe 295

8.2.2 Polychlorierte Biphenyle (PCB) 296

8.2.3 Frigene (Freone) und Halone 296

8.2.4 Umweltaspekte von halogenierten Kohlenwasserstoffen 297

8.2.5 Substitutionsmöglichkeiten von Halogenkohlenwasserstoffen 298

8.3 Metallorganische Verbindungen 299

8.4 Sauerstoffverbindungen 299

8.4.1 Alkohole 300

8.4.2 Phenole 302

8.4.3 Ether (frühere Schreibweise Äther) 303

8.4.4 Ketone 304

8.4.5 Aldehyde 304

8.4.6 Carbonsäuren 306

8.4.7 Ester 311

8.4.8 Fette und fette Öle 312

8.4.9 Seifen undWaschmittel 313

8.4.10 Zusammenfassender Überblick 315

8.5 Stickstoffverbindungen 316

8.5.1 Amine 316

8.5.2 Aminosäuren 317

8.5.3 Amide 317

8.5.4 Nitrile 318

8.5.5 Nitroverbindungen 319

8.6 Heterocyclische Verbindungen 320

8.6.1 Stickstoffhaltige Heterocyclen 320

8.6.2 Sauerstoffhaltige Heterocyclen 321

8.7 Organische Naturprodukte 322

8.7.1 Kohlenhydrate 322

8.7.2 Eiweißstoffe (Proteine) 325

8.8 Brennstoffe, Kraftstoffe, Schmierstoffe 326

8.8.1 Brennstoffe 326

8.8.2 Kraftstoffe 328

8.8.3 Schmierstoffe 336

8.8.4 Sicherheitsvorschriften 339

9 Kunststoffe 341

9.1 Mechanisch-thermische Eigenschaften 342

9.1.1 Thermoplaste 342

9.1.2 Elastomere 344

9.1.3 Duroplaste 345

9.1.4 Fluidoplaste 346

9.1.5 Spannungs-Dehnungs-Diagramme 346

9.2 Abgewandelte Naturprodukte 348

9.2.1 Kunststoffe auf Cellulosebasis 348

9.2.2 Gummi aus Naturkautschuk 349

9.3 Polymerisationskunststoffe 350

9.3.1 Allgemeines 350

9.3.2 Polyethylen 352

9.3.3 Polypropylen 355

9.3.4 Polybuten-1 356

9.3.5 Polyisobutylen 356

9.3.6 Synthetischer Kautschuk 356

9.3.7 Ethylen-Propylen-Kautschuk 357

9.3.8 Polystyrol 358

9.3.9 Polyvinylcarbazol 360

9.3.10 Polyvinylchlorid und Polyvinylacetat 360

9.3.11 Polyvinylidenchlorid 362

9.3.12 Polytetrafluorethylen 363

9.3.13 Polyacrylnitril 365

9.3.14 Polymethacrylsäuremethylester 365

9.3.15 Polyoxymethylen 366

9.4 Polykondensationskunststoffe 367

9.4.1 Polyamide 367

9.4.2 Formaldehydkondensationsprodukte 370

9.4.3 Polyesterharze oder Alkydharze 372

9.4.4 Polycarbonat 376

9.4.5 Hochtemperaturbeständige Polykondensationskunststoffe 377

9.5 Polyadditionskunststoffe 378

9.5.1 Polyurethane 379

9.5.2 Epoxidharze 379

9.6 Silicone 381

9.6.1 Siliconöle und -fette 381

9.6.2 Siliconkautschuk 382

9.6.3 Siliconharze 382

9.7 Alterung und Zerstörung von Kunststoffen 382

9.7.1 Thermische Einflüsse 383

9.7.2 Einfluss von energiereicher Strahlung 384

9.7.3 Spannungsrissbildung 385

9.7.4 Einfluss von Lösungsmitteln 385

9.7.5 Chemische Zerstörung von Kunststoffen 388

9.7.6 Feuerbeständigkeit von Kunststoffen 388

9.8 Kunststoffrecycling 389

9.9 Biologisch abbaubare Kunststoffe 391

10 Elektrochemie 393

10.1 Elektrochemische Potenziale 393

10.1.1 Galvanische Elemente 393

10.1.2 Die Normal-Wasserstoffelektrode 395

10.1.3 Die Normalpotenziale (elektrochemische Spannungsreihen) 396

10.1.4 Praktische Spannungsreihen 403

10.1.5 Herstellung von Leiterplatten 404

10.2 Die Konzentrationsabhängigkeit der elektrochemischen Potenziale 406

10.2.1 Die Nernstsche Gleichung 406

10.2.2 Elektroden zweiter Art 408

10.2.3 pH-Messungen 410

10.3 Elektrochemische Stromerzeugung 412

10.3.1 Primärelemente 412

10.3.2 Sekundärelemente 415

10.3.3 Brennstoffzellen 420

10.4 Erzwungene elektrochemische Vorgänge 424

10.4.1 Messung einer galvanischen Spannung 424

10.4.2 Die Elektrolyse 424

10.4.3 Die Faradayschen Gesetze 427

10.4.4 Die elektrische Leitfähigkeit von Elektrolyten 429

10.4.5 Die elektrochemische Polarisation 429

10.5 Galvanisieren 433

10.5.1 Die elektrolytische Entfettung 434

10.5.2 Elektropolieren und Elektroentgraten 434

10.5.3 Die gebräuchlichsten Metallschutzschichten 434

10.6 Korrosion und Korrosionsschutz 436

10.6.1 Korrosionsarten 436

10.6.2 Möglichkeiten des Korrosionsschutzes 444

10.7 ElektrochemischeMessmethoden 449

10.7.1 Die Leitfähigkeitsmethode (Konduktometrie) 450

10.7.2 Die Potenziometrie 451

10.7.3 Die Amperometrie 453

10.7.4 Die Coulometrie 454

10.7.5 Die Voltammetrie und Polarografie 455

11 Spektren und ihre Anwendungen 459

11.1 Elektromagnetische Spektren 460

11.1.1 Die Entstehung von elektromagnetischen Spektren 460

11.1.2 Absorptions- und Emissionsspektren 460

11.1.3 Die Bereiche elektromagnetischer Strahlen 461

11.2 Spektrenformen 462

11.2.1 Linienspektren 463

11.2.2 Bandenspektren 467

11.2.3 Absorptionsmaxima 469

11.3 Spektralanalytische Untersuchungen 470

11.4 Spektralbereiche 471

11.4.1 Gammastrahlen 471

11.4.2 Röntgenbereich 472

11.4.3 Ultraviolettspektren (UV-Spektren) 474

11.4.4 Spektren im sichtbaren Licht 475

11.4.5 Infrarotspektren (IR-Spektren) 477

11.4.6 Magnetische Kernresonanz (nuclear magnetic resonance=NMR) 479

11.5 Spezielle Messgeräte 480

11.5.1 Fotometer 480

11.5.2 IR-Messgeräte für Gase 482

11.5.3 Chemolumineszenzanalyse 483

11.6 Massenspektrometer 484

11.7 Farbmittel 486

11.7.1 Ursachen für die Farbigkeit 487

11.7.2 Pigmente 489

11.7.3 Farbstoffe 489

11.7.4 Farbindikatoren 490

12 Biochemie und Biotechnologie 491

12.1 Grundlagen der Biochemie 492

12.1.1 Eigenschaften belebter Materie 492

12.1.2 Die Zelle 494

12.1.3 Der Stoffwechsel 497

12.2 Molekularbiologie 502

12.2.1 Aufbau und Verdoppelung der DNA 502

12.2.2 Die Eiweißsynthese 503

12.2.3 Mutationen 505

12.2.4 Gentechnik 510

12.3 Bioverfahrenstechnik 513

12.3.1 Bioreaktoren (Fermenter) 514

12.3.2 Produktaufarbeitung 516

12.3.3 Herstellung von Bioethanol 516

12.4 Biosensoren 518

12.5 Schadwirkung von Chemikalien 520

12.5.1 Humantoxikologie 520

12.5.2 Die häufigsten Gifte 525

12.5.3 Ökotoxikologie 530

13 Umwelttechnik 535

13.1 Ökologische Grundlagen 535

13.1.1 Ökosysteme 535

13.1.2 Stoff- und Energieumsätze in Ökosystemen 537

13.1.3 Stoffkreisläufe 538

13.2 Abwasser und Abwasserreinigung 541

13.2.1 RohstoffWasser 541

13.2.2 Abwasserinhaltsstoffe 542

13.2.3 Abwasserreinigung durch kommunale Kläranlagen 550

13.2.4 Weiterentwickelte Verfahren in der biologischen Abwasserreinigung 556

13.2.5 Spezielle Verfahren der Abwasserreinigung 558

13.3 Membrantrennverfahren 566

13.3.1 Grundlage und Arten der Membrantrennverfahren 566

13.3.2 Stofftransport beiMembrantrennverfahren 569

13.3.3 TechnischeMembranmodule 575

13.4 Abluftreinigung 576

13.4.1 Luftschadstoffe 576

13.4.2 Abluftreinigung in der Industrie 578

13.4.3 Rauchgasreinigung in Kraftwerken 586

13.4.4 Abgasreinigung bei Automobilen 591

13.5 Abfall und Recycling 594

13.5.1 Abfallzusammensetzung 594

13.5.2 Abfallentsorgung 595

13.5.3 Recycling 602

13.6 Produktionsintegrierter Umweltschutz 603

13.7 Ökobilanzen 606

Anhang 609

A.1 Die Buchstaben des griechischen Alphabets 609

A.2 Vorsatzzeichen und Abkürzungen für Stoffmengengehalte 610

A.3 Maßeinheitentabelle 611

A.4 Verzeichnis der chemischen Elemente (Stand IUPAC 2011) 612

A.5 Löslichkeitsprodukte 615

A.6 Schadstoffhöchstwerte am Arbeitsplatz und Wassergefährdungsklassen (WGK) 617

A.7 Gefahrensymbole 618

A.8 Periodensystem der Elemente 619

Sachverzeichnis 621