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Peer Schmidt Allgemeine Chemie Allgemeine Chemie Peer Schmidt Allgemeine Chemie Peer Schmidt Institut für Materialchemie BTU Cottbus – Senftenberg Fakultät für Umwelt und Naturwissenschaften Senftenberg, Deutschland ISBN 978-3-662-57845-2 ISBN 978-3-662-57846-9 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-57846-9 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliogra- fische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Spektrum © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 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Planung: Rainer Münz Springer Spektrum ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany V Vorwort Das Studienbuch Allgemeine Chemie bereitet die Interessierten ohne Studium bietet es so verständ- wichtigsten Inhalte von Grundvorlesungen zur lich aufbereitete Inhalte. Allgemeinen Chemie didaktisch für das Selbststu- dium auf. Es soll Ihnen helfen, die Schwerpunkte In vier kompakten Abschnitten werden die wesent- der Allgemeinen Chemie in einer gut struktu- lichen Konzepte des Aufbaus der Materie, die Ein- rierten und übersichtlichen Form zu erfassen ordnung der Elemente im Periodensystem, die und sich dabei ganz gezielt auf Prüfungssitua- Prinzipien der chemischen Bindung in Metallen, tionen vorzubereiten. In gleicher Weise ist das Molekülen und Ionenkristallen sowie die Grundla- Buch geeignet, im Studienalltag Informationen zu gen des Energieumsatzes und der Geschwindigkeit einzelnen Themen der Allgemeinen Chemie zu von chemischen Reaktionen vermittelt. Ein erster sammeln und zu wiederholen. Das strukturierte, Abschnitt mit einem historischen Überblick zur selbstständige Lernen mit diesem Arbeitsbuch Entwicklung der Chemie als Wissenschaft sowie zu ist in einem Fernstudiengang Chemie erprobt. wichtigen chemischen Begriffen und Symbolen ist Darüber hinaus sind vielfältige Erfahrungen dem Buch vorangestellt. des Autors aus Grundvorlesungen und Übun- gen mit Studierenden der Fachrichtungen Che- Dabei führt das Studienbuch in konzentrierter mie, Physik, naturwissenschaftliches Lehramt, Form durch die Inhalte des erfolgreichen Lehr- Material- und Werkstoffwissenschaften wie auch buchs zur Allgemeinen und Anorganischen Chemie Maschinenbau in die Gestaltung dieses Buches von Binnewies et al. Sie finden bei der ergän- eingeflossen. zenden Lektüre des Lehrbuches weitere, vertie- fende Diskussionen, ergänzende Informationen, Das Studienbuch richtet sich hauptsächlich an beispielsweise zu berühmten Persönlichkeiten, Studierende im Grundstudium der Chemie oder Exkurse zu aktuellen Themen in Wissenschaft an Studierende im Nebenfach Chemie. Bei der und Technik sowie einige zusätzliche Abbil- Vermittlung des Stoffes schlägt es eine Brücke dungen. Links verweisen jeweils auf die weiter- vom schulischen Lehrstoff zu den Schwerpunkten führenden Informationen des Lehrbuchs und der ersten Semester eines chemisch oder natur- unterstützen Sie so beim selbstständigen Lernen wissenschaftlich orientierten Studiums. Die Glie- und Erarbeiten der Grundlagen der Chemie. derung dieses Buches erfasst dabei noch einmal wesentliche Schwerpunkte im Leistungskanon Peer Schmidt deutschsprachiger Abiturkurse zur Chemie – auch [M. Binnewies, M. Finze, M. Jäckel, P. Schmidt, H. Willner, G. Rayner-Canham, Allgemeine und Anorganische Chemie, ISBN 978-3-662-45066-6, Springer-Spektrum, Heidelberg, 2016.] VII Inhaltsverzeichnis I Allgemeine Chemie – eine Einführung 1 Historischer Überblick zum Verständnis des Aufbaus der Materie und zu Prozessen der Stoffwandlung ........................................................ 3 1.1 Altertum ......................................................................................... 4 1.2 Alchemie ......................................................................................... 5 1.3 Chemie als Naturwissenschaft .................................................................... 6 2 Chemische Begriffe und Regeln .............................................................. 7 2.1 Chemische Begriffe .............................................................................. 8 2.2 Chemische Reaktionen ........................................................................... 11 II Der Aufbau der Materie und die Stellung der Elemente im Periodensystem 3 Atombau ....................................................................................... 15 3.1 Elementarteilchen ............................................................................... 16 3.2 Radioaktivität .................................................................................... 21 3.3 Kernreaktionen .................................................................................. 23 3.4 Elektronenhülle .................................................................................. 30 3.5 Atomorbitale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.6 Besetzung der Orbitale mit Elektronen und Elektronenkonfiguration .............................. 36 4 Periodensystem der Elemente ............................................................... 43 4.1 Das moderne Periodensystem .................................................................... 45 4.2 Stabilität der Elemente und Isotope .............................................................. 47 4.3 Periodische Eigenschaften: Atomradius ........................................................... 48 4.4 Periodische Eigenschaften: Ionisierungsenthalpie ................................................ 52 4.5 Periodische Eigenschaften: Elektronenaffinität ................................................... 55 5 Zusammenfassung: Atombau und Periodensystem ........................................ 57 5.1 Atombau ......................................................................................... 58 5.2 Periodensystem .................................................................................. 58 III Die chemische Bindung 6 Atombau und Chemische Bindung ........................................................... 63 6.1 Überblick über die Bindungskonzepte ............................................................ 64 6.2 Elektronegativität ................................................................................ 66 7 Die Ionenbindung ............................................................................. 73 7.1 Bildung von Ionen und Ionenradien .............................................................. 74 7.2 Polarisierung ..................................................................................... 78 7.3 Ionengitter ....................................................................................... 80 7.4 Gitterenergie .................................................................................... 100 8 Die metallische Bindung ...................................................................... 105 8.1 Metallgitter ...................................................................................... 106 8.2 Metalle und Halbleiter ........................................................................... 110 VIII Inhaltsverzeichnis 9 Die kovalente Bindung ........................................................................ 117 9.1 Lewis-Konzept und Oktett-Regel ................................................................. 119 9.2 Gebrochene Bindungsordnungen und Mesomerie ................................................ 122 9.3 Formalladungen ................................................................................. 123 9.4 Stoffe mit kovalenten Netzwerken ................................................................ 127 10 Die Struktur von Molekülen .................................................................. 129 10.1 Das Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßungsmodell (VSEPR-Modell) ........................... 130 10.2 Molekülsymmetrie ............................................................................... 140 11 Konzepte zur Beschreibung kovalenter Bindungen ........................................ 147 11.1 Die Valenzbindungstheorie (VB-Theorie) .......................................................... 148 11.2 Die Molekülorbitaltheorie (MO-Theorie) .......................................................... 154 12 Intermolekulare Kräfte ....................................................................... 165 12.1 Dispersionskräfte ................................................................................ 166 12.2 Dipol/Dipol-Wechselwirkungen .................................................................. 167 12.3 Wasserstoffbrückenbindungen ................................................................... 168 13 Trends im Bindungsverhalten ................................................................ 171 13.1 Das Bindungsdreieck ............................................................................. 172 13.2 Periodische Trends im Bindungsverhalten ........................................................ 174 14 Zusammenfassung: Ionenbindung, metallische Bindung und kovalente Bindung ............................................................ 177 14.1 Die Ionenbindung ................................................................................ 178 14.2 Die metallische Bindung ......................................................................... 178 14.3 Die kovalente Bindung ........................................................................... 179 IV Energieumsatz und Geschwindigkeit chemischer Reaktionen 15 Enthalpie ....................................................................................... 185 15.1 Energieumsatz bei chemischen Reaktionen ....................................................... 186 15.2 Enthalpie ........................................................................................ 187 15.3 Satz von Hess .................................................................................... 192 15.4 Beispiele ......................................................................................... 194 16 Triebkraft chemischer Reaktionen ........................................................... 201 16.1 Entropie ......................................................................................... 202 16.2 Freie Enthalpie ................................................................................... 205 16.3 Gleichgewichtskonstante ........................................................................ 207 17 Stoffsysteme ................................................................................... 211 17.1 Gase ............................................................................................. 212 17.2 Flüssigkeiten ..................................................................................... 217 17.3 Feststoffe ........................................................................................ 218 17.4 Phasendiagramme reiner Stoffe .................................................................. 220 18 Geschwindigkeit chemischer Reaktionen ................................................... 225 18.1 Reaktionsgeschwindigkeit ....................................................................... 226 18.2 Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit ...................................................... 227 18.3 Reaktionsgeschwindigkeit und Konzentration .................................................... 228 18.4 Reaktionsgeschwindigkeit und Energie ........................................................... 236 IX Inhaltsverzeichnis 19 Zusammenfassung: chemische Reaktionen – Energieumsatz, Stoffsysteme und Geschwindigkeit .......................................................... 241 19.1 Energieumsatz chemischer Reaktionen und chemisches Gleichgewicht ............................ 242 19.2 Stoffsysteme ..................................................................................... 242 19.3 Geschwindigkeit chemischer Reaktionen ......................................................... 243 Serviceteil ...................................................................................... 245 Antworten ....................................................................................... 246 Glossar ........................................................................................... 249 Weiterführende Literatur .......................................................................... 254 Stichwortverzeichnis .............................................................................. 255 I 1 Allgemeine Chemie – eine Einführung Inhaltsverzeichnis Kapitel 1 Historischer Überblick zum Verständnis des Aufbaus der Materie und zu Prozessen der Stoffwandlung – 3 Kapitel 2 Chemische Begriffe und Regeln – 7 2 Teil I · Allgemeine Chemie – eine Einführung Lernziele In ersten Abschnitt lernen Sie noch einmal kurz die wichtigsten chemischen Grundbegriffe und Symbole kennen, die es Ihnen erlauben, die „Sprache“ der Chemiker richtig zu nutzen und sich im Laboralltag zurechtzufinden. Binnewies, Allgemeine und Anorganische Dieser Abschnitt folgt den inhaltlichen Schwerpunkten des ersten Kapitels in der Chemie, 7 Kap. 1: Einführung dritten (aktualisierten) Auflage des Binnewies. In komprimierter Form werden hier wesentliche Inhalte zu chemischen Begriffen vorgestellt.
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