Chemie für Ingenieure: Grundlagen und Praxisbeispiele

445 Pages·2004·12.16 MB·German

by  Prof. Dr. Dirk Flottmann, Prof. Dr. Detlev Forst, Prof. Dr. Helmut Roßwag (auth.)

Chemische Technik / Verfahrenstechnik
(cid:54)(cid:83)(cid:85)(cid:76)(cid:81)(cid:74)(cid:72)(cid:85)(cid:16)(cid:57)(cid:72)(cid:85)(cid:79)(cid:68)(cid:74)(cid:3)(cid:37)(cid:72)(cid:85)(cid:79)(cid:76)(cid:81)(cid:3)(cid:43)(cid:72)(cid:76)(cid:71)(cid:72)(cid:79)(cid:69)(cid:72)(cid:85)(cid:74)(cid:3)(cid:42)(cid:80)(cid:69)(cid:43)(cid:3)
ONLINE LIBRARY
En gi n ee r i n g
http://www.springer.de/engine-de/
Dirk Flottmann Detlev Forst
•
Helmut Roßwag
Chemie für
Ingenieure
Grundlagen und
Praxisbeispiele
2., völlig überarbeitete und verbesserte Aufl age
Mit 174 Abbildungen
123
Prof. Dr. Dirk Flottmann
Prof. Dr. Detlev Forst
Prof. Dr. Helmut Roßwag
Fachhochschule Aalen
Fachbereich Chemie
Beethovenstr. 1
73430 Aalen
fl [email protected]
ISBN 978-3-642-62154-3 ISBN 978-3-642-18545-8 (eBook)
DOI 10.1007/97 8-3-642-18545-8
Bibliografi sche Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografi e;
detaillierte bibliografi sche Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.
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 Mikroverfi lmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung
in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine
Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Gren-
zen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland
vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungs-
pfl ichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
http://www.springer.de
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2004
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2004
Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 2004
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch
berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im
Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher
von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze,
Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden
sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität überneh-
men. Es empfi ehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder
Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen.
Satz: Gelieferte Daten der Autoren
Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg
Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3020/M - 5 4 3 2 1 0
Vorwort
In den 1950er Jahren war ein geflügeltes Wort im Umlauf, über das sogar
Schulaufsätze geschrieben wurden, nämlich: Wer nur Chemie versteht,
versteht auch die nicht recht!
Das Autoren-Trio, das einmal Chemie studierte und teilweise seit Jahr-
zehnten Vorlesungen auf diesem naturwissenschaftlichen Gebiet hält, ver-
sucht zumindest, in seinen Vorlesungen dieser Weisheit gerecht zu wer-
den, indem die Chemie nicht als Solitär betrachtet wird.
In einem Lehrbuch ist dies allerdings deutlich schwieriger, denn von
vornherein steht nur ein begrenzter Raum zur Verfügung. Da sich dieses
Buch aber an Ingenieure wendet und weniger an Vollblut-Chemiker,
kommt das Sprichwort doch zur Geltung. An die Stelle „Chemie“ kann
man durchaus auch „Ingenieurwissenschaften“ setzen.
Wir begrüßen daher alle, die sich unserem Fachgebiet etwas nähern
möchten, um ihr eigenes zu bereichern, sind aber der Meinung, dass auch
jeder Chemie-Student auf seine Kosten kommen wird.
Was wir hier in Absprache mit der Lektorin unseres Verlags anstreben,
ist tatsächlich eine Chemie für Ingenieurberufe, d.h., wir versuchen,
Grundlagen und Zusammenhänge möglichst ohne wissenschaftlichen
Tiefgang zu erklären. Selbstverständlich wäre ein solcher Tiefgang nichts
Negatives, aber vielleicht doch bisweilen einer kleinen Last vergleichbar,
die man sich nicht unbedingt aufladen muss, um weiter zu kommen. Daher
wurde diese 2. Auflage einer „Chemie für Ingenieure“ auch von vielen
Exkursen befreit, die unserer Erfahrung nach für den praxisorientierten
Ingenieur selten von Interesse sind.
Wer dagegen stark genug ist, wird gern noch etwas zusätzliche Last
aufnehmen und sich tiefer gehende Informationen beschaffen wollen. Das
Angebot in der einschlägigen Literatur kennt hier keine Grenzen. Diesbe-
zügliche Hinweise findet man im Text (Nummern-Angabe in eckigen
Klammern).
Auf zwei Standardwerke weisen wir aber hier schon alle Leser hin, weil
sie in vielen Fällen weiter helfen können, nämlich:
VI Vorwort
(cid:2) das „Chemie-Lexikon“ von Hermann Römpp (1901-1964), das in im-
mer neu bearbeiteten Auflagen erscheint und
(cid:2) „Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie“, das ursprünglich
vom Berliner Organiker Fritz Ullmann (1875-1939) stammt, aber in
modernsten Auflagen zur Verfügung steht.
Wir werden in unserem Text die in der Chemie üblichen Fachausdrücke
übersetzen, so dass verschwommene Vorstellungen mehr Konturen an-
nehmen und keine „Fremdwörter“ mehr sind. Vieles ist aus der lateini-
schen und griechischen Sprache abgeleitet, wobei wir griechische Worte in
unserer Schrift angeben und nur eine Handvoll griechischer Buchstaben
dort verwenden, wo sie als Abkürzungen üblich sind und auch bekannt
sein dürften.
Wenn vorhin vom Autoren-Trio die Rede war, so ist zu ergänzen, dass
dieses Buch das Werk eines vierblättrigen Kleeblatts ist. Ohne Hans Zürn
und seine PC-Unterstützung hätte der Abgabetermin nicht eingehalten
werden können. Für seine unermüdliche Arbeit, allen Anforderungen des
Verlags gerecht zu werden, danken wir besonders.
Dank sagen wir auch Herrn Dr. Dejan Ilic von der VARTA Microbatte-
ry GmbH, dass er uns die informativen Gespräche mit Dr. K. Holl und
Herrn Dipl. Ing. B. Kreidler ermöglichte, sowie für das Zurverfügungstel-
len von Anschauungsmaterial.
Wir danken auch unserem Kollegen, Herrn Prof. Dr. N. Schnell, der das
gesamte Kapitel 12 geschrieben hat. Ohne ihn wäre dieses neue und inte-
ressante Gebiet der Ingenieurwissenschaften in diesem Buch nicht behan-
delt worden.
Wir beenden diese Arbeit mitten im „Jahr der Chemie“. Sowohl die Ge-
sellschaft Deutscher Chemiker e.V. als auch das Bundesministerium für
Bildung und Forschung (BMBF) hatten beschlossen, anlässlich des 200.
Geburtstages von Justus von Liebig (1803-1873), das Jahr 2003 zum „Jahr
der Chemie“ auszurufen, um damit eine seit 2000 („Jahr der Physik“) be-
stehende Tradition fortzusetzen.

Aalen, im Juli 2003
Die Verfasser
Inhaltsverzeichnis
1 Atombau und Elementarteilchen..........................................................1
1.1 Elementarteilchen, Atome und Elemente.........................................1
1.2 Warum das erste Atommodell nicht ausreicht..................................2
1.2.1 Die Erweiterung des Rutherford’schen Atommodells...............2
1.2.2 Was weiß man bis hierher über den Atomaufbau?....................6
1.3 Hat der Atomkern auch einen komplizierten Aufbau?.....................7
1.3.1 Wie halten die im Kern so dicht beieinander befindlichen
Protonen zusammen?..........................................................................7
1.3.2 Wie viele Elemente gibt es?......................................................9
1.3.3 Das Wesen der Radioaktivität.................................................10
1.3.4 Was ist ein Spaltkern?.............................................................12
1.4 Das Aufbau-Prinzip des Periodensystems......................................13
1.5 Die Basisgröße „Stoffmenge“ oder „Typisch Chemie“..................16
2 Die Chemische Bindung.......................................................................18
2.1 Edelgaskonfiguration und Atombindung........................................18
2.1.1 Hybridisierung - ein wichtiger Begriff...................................21
2.1.3 Polare Atombindungen und Elektronegativität.......................30
2.1.4 Mehrfachbindungen.................................................................32
2.1.5 Kommen Atombindungen auch noch anders zustande? .........35
2.1.6 Was es alles gibt!.....................................................................38
2.2 Die Ionenbindung...........................................................................41
2.2.1 Was ist ein Kristall?.................................................................43
2.2.2 Einfache Ionengitter................................................................48
2.2.3 Beispiele für kubische Ionenstrukturen...................................50
2.3 Metallische Bindung und Metallstrukturen....................................53
2.3.1 Sind Legierungen auch einfach aufgebaut?.............................57
2.4 Zu guter Letzt: Diamant, ein Supermolekül...................................61
3 Wasser und wässrige Lösungen...........................................................66
3.1 Wasser, eine anormale Flüssigkeit.................................................66
3.2 Lösevorgänge und Konzentrationsangaben....................................69
3.3 Wasserhärte und Wasseraufbereitung.............................................72
VIII Inhaltsverzeichnis
3.3.1 Die Vollentsalzung des Wassers durch Ionenaustauscher.......75
3.4 Was bedeutet „Chemisches Gleichgewicht“?................................78
3.4.1 Ionenprodukt des Wassers und Löslichkeitsprodukt...............82
3.5 Säuren und Basen...........................................................................85
3.5.1 Die wichtigsten Mineralsäuren................................................90
3.6 Der pH-Wert...................................................................................96
3.6.1 Die NIST-Standardpufferlösungen..........................................98
3.6.2 Kann man den pH-Wert berechnen?.....................................101
3.7 Redoxreaktionen in wässriger Lösung..........................................107
4 Streifzug durch das Periodensystem.................................................114
4.1 Alkali- und Erdalkalimetalle.........................................................114
4.2 Borgruppe, Gruppe 13 des PS......................................................118
4.3 Kohlenstoffgruppe, Gruppe 14 des PS.........................................120
4.4 Stickstoff-Gruppe, Gruppe 15 des PS...........................................123
4.5 Chalkogene, Gruppe 16 des PS....................................................125
4.6 Halogene, Gruppe 17 des PS........................................................128
4.7 Die Übergangsmetalle (früher: Nebengruppenelemente).............130
4.8 Übergangsmetalle und Komplexchemie.......................................134
4.8.1 Die okataedrische KZ 6 bei Komplexen................................134
4.8.2 Einige ausgewählte Beispiele................................................139
4.8.3 Chelat-Komplexe...................................................................141
5 Physikalische Chemie chemischer Reaktionen................................144
5.1 Thermodynamik............................................................................144
5.1.1 Energie bei chemischen Reaktionen......................................144
5.1.2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik: Energieerhaltung.....145
5.1.3 Messung der Energieänderung eines Systems.......................146
5.1.4 Enthalpie................................................................................146
5.1.5 Standardbildungsenthalpien...................................................147
5.1.6 Reaktionsenthalpien..............................................................148
5.1.7 Enthalpieberechnungen.........................................................149
5.1.8 Reaktionsenthalpie und Entropie-Triebkräfte chemischer
Reaktionen......................................................................................149
5.1.9 Freie Reaktionsenthalpie / Freie Standardbildungsenthalpie.151
5.1.10 Die Richtung des Ablaufes chemischer Reaktionen............153
5.1.11 Freie Enthalpie und Gleichgewichtskonstante.....................154
5.2 Kinetik chemischer Reaktionen....................................................156
5.2.1 Zeitgesetze chemischer Reaktionen,
Konzentrationsabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit..........159
5.2.2 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit.......159
5.2.3 Einfluss von Katalysatoren....................................................161
Inhaltsverzeichnis IX
6 Grundlagen der organischen Chemie...............................................162
6.1 Alkane (gesättigte Kohlenwasserstoffe, Paraffine)......................162
6.1.1 Grenzenlose Möglichkeiten?.................................................167
6.2 Erdöl und Benzin..........................................................................168
6.2.1 Was ist Erdöl?........................................................................168
6.2.2 Feuergefährliche Flüssigkeiten und Flammpunkt.................171
6.3 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe.................................................172
6.4 Benzol und der aromatische Charakter.........................................174
6.4.1 Weitere aromatische Kohlenwasserstoffe..............................178
6.5 Zu den Verbindungsklassen der organischen Chemie..................179
6.5.1 Alkohole und Ether................................................................180
6.5.2 Carbonsäuren und Ester.........................................................183
6.6 Kohlenhydrate..............................................................................189
6.7 Organische Chlorverbindungen....................................................191
6.7.1 Das „grüne Element“.............................................................191
6.7.2 Chlorhaltige Pestizide und die POP-Konvention..................193
6.8 Zu guter Letzt: ein (Husten-)Bonbon...........................................197
7 Grundlagen der Elektrochemie.........................................................199
7.1 Die Elektrolyse, ein erzwungener Redoxprozess.........................199
7.1.1 Wenn die Ionen des Wassers Konkurrenten sind..................202
7.2 Galvanische Zellen.......................................................................204
7.2.1 Wer reagiert mit wem?..........................................................207
7.2.2 Die Spannungsreihe...............................................................209
7.2.3 Salpetersäure als Lösungsmittel für Kupfer und Silber.........212
7.2.4 Die Nernst’sche Gleichung....................................................213
7.3 Die elektrochemische pH-Messung..............................................214
7.3.1 Allgemeines zu Glaselektroden.............................................215
7.4 Die Elektrolyse aus energetischer Sicht.......................................221
7.5 Elektrochemische Stromerzeugung (Batterien)............................225
7.5.1 Die Zink-Braunstein-Zelle.....................................................227
7.5.2 Die Alkali-Mangan-Zelle......................................................231
7.5.3 Weitere Entwicklungen bei Primärzellen..............................233
7.5.4 Lithium-Batterien..................................................................235
7.6 Sekundärbatterien (Akkumulatoren)............................................238
7.6.1 Der Bleiakkumulator.............................................................239
7.6.2 Die Nickel-Metallhydrid-Batterie..........................................243
7.6.3 Lithium in Sekundärzellen.....................................................244
7.7 Was sind Brennstoffzellen?..........................................................245
8 Korrosion und Korrosionsschutz......................................................250
8.1 Was ist Korrosion?.......................................................................250