Anorganische Chemie: Chemie — Basiswissen I PDF
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Maßeinheiten Das Internationale Einheitensystem (Systeme International d'Unites, SI) wurde am 2.7.1970 durch das "Gesetz über Einheiten im Meßwesen" in der Bundesrepublik ein geführt. Die ergänzende Ausführungsverordnung trat am 5.7.1970 in Kraft. Nachfol gend sind die wichtigsten neuen Maßeinheiten zusammen mit den Umrechnungsfakto ren für einige ältere Einheiten angegeben. 1. Basiseinheiten des SI-Systems und der Atomphysik Größe Einheit Zeichen Länge Meter m Masse Kilogramm kg Zeit Sekunde s Stromstärke Ampere A Temperatur Kelvin K Lichtstärke Candela cd Stoffmenge Mol mol Energie Elektronenvolt eV Teilchenmasse atomare Masseneinheit u 2. Abgeleitete Einheiten Größe Einheit Zeichen Einheitengleichung Umrechnung Kraft Newton N m · kg · s-2 1 kp = 9,81 N w- 1 dyn = 5 N Druck Pascal Pa m-1 • kg · s-2 1 Torr= 1,333 mbar Bar bar (1 bar= 105 Pa) I mmHg = 1,333 mbar I atm = 1,013 bar w- Arbeit Joule J m2 • kg · s-2 1 erg = 7 J Energie lcai=4.187J Elektronenvolt pro mol eV 96,485 kJ · mor1 = 1 eV w Leistung Watt m2 • kg · s-3 1 kcal · h-1 = 1,163 W 1 PS= 735,49 W Fortsetzung siehe dritte Umschlagsseite I Springer- Lehrbuch Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Hans Peter Latscha Helmut Alfons Klein Anorganische Chemie Chemie - Basiswissen I Siebte, vollständig überarbeitete Auflage Mit 190 Abbildungen und 37 Tabellen ~ Springer Professor Dr. Hans Peter Latscha Anorganisch-Chemisches Institut der Universität Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 270, 69120 Heidelberg Dr. Helmut Alfons Klein Bundesministerium für Arbeit und Sozialordnung U-Abt. Arbeitsschutz/Arbeitsmedizin Rochusstr. I, 53123 Bonn ISBN 978-3-540-60485-3 ISBN 978-3-662-05759-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-05759-9 ISBN 978-3-540-60485-3 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme Latscha, Hans P.: Chemie-Basiswissen I Hans Peter Latscha; Helmut Alfons Klein. - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hong Kong; Lon don; Mailand; Paris; Tokyo: Springer. NE: Klein, Helmut A.: I. Anorganische Chemie: mit 37 Tabellen. - 7., vollständig überarb. Aufl. - 1996 (Springer Lehrbuch) ISBN 978-3-540-60485-3 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverar beitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine VervieWiltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urhe berrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsge setzes. © Springer-Verlag Berlin Heide1berg 1996 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heide1berg New York 1996 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Marken schutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann be- nutzt werden dürften. Produkthaftung: Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikations formen kann vom Verlag keine Gewähr übernommen werden. Derartige An gaben müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anband anderer Litera tursielien auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Einbandgestaltung: W. Eisenschink, Heddesheim SPIN: 10510667 52/3133-5 4 3 2 I 0 - Gedruckt auf säurefreiem Papier Vorwort zur siebten Auflage Die gute Aufnahme, die unsere Lehrbücher beim Leser finden, ermutigt uns, auch für die siebte Auflage dieses Buches das gewählte Konzept grundsätzlich beizubehalten. Der Inhalt wurde überarbeitet und korrigiert. Das Layout grundlegend modernisiert. Das Lehrbuch "Chemie Basiswissen, Teil I" besteht aus zwei Abschnitten. Der erste Abschnitt enthält die Grundlagen der Allgemeinen Chemze, der zweite Abschnitt befaßt sich mit der Anorganischen Chemie, d. h. den Elementen und ihren Ver bindungen. Beide Abschnitte sind so geschrieben, daß sie unabhängig voneinander benutzt werden können. Das Buch soll vor allem für Chemiestudenten, Physiker, Geowissenschaftler, Studenten der Ingenieurwissenschaften und Lehramtskandidaten eine Hilfe bei der Erarbeitung chemischer Grundkenntnisse sein. In Aufbau, Stoffauswahl und Umfang haben wir versucht, den Wünschen dieser Gruppen weitgehend zu entsprechen. Mit einem Literaturverzeichnis geben wir den Lesern die Mög lichkeit, sich über den Rahmen dieses Basistextes hinaus zu informieren. Zu Dank verpflichtet sind wir für konstruktive Kritik und die sorgfaltige Neuerstellung des Layouts Herrn Dipl. Chem. Martin Mutz. Heidelberg, im Januar 1996 H. P. LATSCHA H. A. KlEIN V Inhaltsverzeichnis Allgemeine Chemie ........................................... . 1 Chemische Elemente und chemische Grundgesetze .. . . . . . ...................... 2 Verbreitung der Elemente..................................... 3 Chemische Grundgesetze...................................... 3 2 Aufbau der Atome......................................... 6 2. 1 Atomkern . .. .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Kern regeln............................................................ 8 Atommasse........................................................... 8 Massendefekt........................................................ 9 Isotopieeffekte....................................................... 9 Trennung von Isotopen . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Radioaktive Strahlung.......................................... 11 Radioaktive Zefallsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 11 Beispiele für natürliche und künstliche Isotope . .. . . 12 Radioaktive Aktivität............................................ 13 Radioaktive Zerfallsreihen . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Radioaktives Gleichgewicht.................................. 16 Beispiele für Anwendungsmöglichkeiten von Isotopen . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Aktivierungsanalyse.............................................. 17 2.2. Elektronenhülle.................................................... 17 Atommodell von Niels Bohr.................................. 18 Bohrsches Modell vom Wasserstoffatom ... . . . . . . . . . . . . 19 Atomspektren (Absorptions- und Emissionsspektroskopie).......... 20 Verbesserungen des Bohrsehen Modells................ 21 VII Wellenmechanisches Atommodell des Wasserstoffatoms . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. .. 21 Elektronenspin...................................................... 24 Graphische Darstellung der Atomorbitale . . .. . . . . . . . . . 24 Mehrelektronenatome............ .. .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 30 Pauli-Prinzip, Pauli-Verbot................................... 30 Hundsehe Regel.................................................... 30 3 Periodensystem der Elemente.................... 33 Einteilung der Elemente auf Grund ähnlicher Elektronenkonfiguration....... 38 Edelgase . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . 3 8 Hauptgruppenelemente ("repräsentative" Elemente).................................. 40 Übergangselemente bzw. Nebengruppenelemente . 40 Valenzelektronenzahl und Oxidationsstufen ......... 41 Periodizität einiger Eigenschaften......................... 41 I) Atom- und Ionenradien..................................... 42 2) Elektronenaffinität (EA).................. .. ... . . . . . . . . . . . . 42 3) Ionisierungspotential I Ionisierungsenergie....... 43 4) Elektronegativität............................................. 44 5) Metallischer und nichtmetallischer Charakter der Elemente......................................................... 45 4 Moleküle, chemische Verbindungen, Reaktionsgleichungen und Stöchiometrie.................................................. 47 Reaktionsgleichungen........................................... 48 Konzentrationsmaße ............................................. 50 Stöchiometrische Rechnungen.............................. 58 Beispiel einer Ausbeuteberechnung....................... 58 Berechnung von empirischen Formeln.................. 59 5 Chemische Bindung...................................... 60 Bindungsarten . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . 60 5.1 Ionische (polare, heteropolare) Bindung, Ionenbeziehung .. .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . 60 Gitterenergie............................................ .. ... . . . . . . . . 62 Spinell-Struktur.................................................... 65 Perowskit-Struktur................................................ 65 VIII Calcit-Struktur...................................................... 66 Übergang von der ionischen zur kovalenten Bindung.............................................. 66 Übergang von der ionischen zur metallischen Bindung........................................... 68 5.2 Atombindung (kovalente, homöopolare Bindung, Elektronenpaarbindung) . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5. 2.1 MO-Theorie der kovalenten Bindung.................... 69 5.2.2 VB-Theorie der kovalenten Bindung..................... 73 Mehtfachbindungen, ungesättigte Verbindungen.. 78 Energie von Hybridorbitalen................................. 82 Bindigkeit............................................................. 82 Bindungsordnung, Bindungsgrad.......................... 82 Oktettregel............................................................ 83 Doppelbindungsregel . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 83 Radikale............................................................... 84 Bindungsenergie und Bindungslänge.................... 84 Mesomerie oder Resonanz . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . .. .. . . . .. . . . 85 5. 2. 3 Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßungsmodell 85 Geometrie von Polyedern mit sieben bis zwölf Elektronenpaaren.......... .. . . . . . . . . . . . . 89 5.3 Metallische Bindung............................................. 89 Metallgitter........................................................... 92 Mechanische Eigenschaften der Metalle I Einlagerungsstrukturen.......................... 93 Legierungen.......................................................... 94 Unbegrenzte Mischbarkeit . . . .. . . . . . . . . .. .. .. . . . . . . . . . . . . .. . . . 95 Überstrukturphasen............................................... 96 Eutektische Legierungen....................................... 96 Mischungslücke.................................................... 98 lntermetallische Verbindungen oder intermetallische Phasen .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Beispiele für intermetallische Phasen.................... 99 Fe-C-System ......................................................... 102 5.4 Zwischenmolekulare Bindungskräfte .................... 103 Wasserstoffbrückenbindungen . .. .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 10 3 Van der Waalssche Bindung (van der Waals-Kräfte, Dispersionskräfte) ............ I 05 6 Komplexverbindungen................................ 107 Bindungen in Komplexen..................................... 107 Chelateffekt . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 n-Komplexe.......................................................... 111 Chargetransfer-Komplexe..................................... 112 Carbonyle ............................................................. 112 IX
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