Chemie für Maschinenbauer und Elektrotechniker: Lehrbuch für Studenten des Maschinenbaus und der Elektrotechnik ab 1.Semester

163 Pages·1976·1.94 MB·German

by  Fritz Weigel (auth.)

uni-texte
Lehrbucher
A. J. Baden Fuller, Mikrowellen
G. M. Barrow, Physikalische Chemie I, II, III
W. L. Bontsch·Brujewitsch II. P. Swaigin II. W. Karpenko I A. G. Mironow,
Aufgabensammlung zur Halbleiterphysik
L. Collatz I J. Albrecht, Aufgaben aus der Angewandten Mathematik I, II
W. Czech, Obungsaufgaben aus der Experimentalphysik
H. Dallmann I K.·H. Elster, EinfUhrung in die hohere Mathematik
M. Denis·Papin I G. Cull mann, Obungsaufgaben zur Informationstheorie
M. J. S. Dewar, Einfiihrung in die moderne Chemie
P. B. Dorain, Symmetrie und anorganische Strukturchemie
M. Durand I P. Favard, Die Zelle
N. W. Efimow, Hohere Geometrie I, II
A. P. French, Spezielle Relativitatstheorie
D. Geist, Halbleiterphysik I, II
W. L. Ginsburg I L. M. Levin I S. P. Strelkow, Aufgabensammlung der Physik I
P. Guillery, Werkstoffkunde fiir Elektroingenieure
J. G. Holbrook, Laplace-Transformation
Ch. Houillon, Sexualitat
I. Yeo Irodov, Aufgaben zur Atom-und Kernphysik
D. Kind, Einfiihrung in die Hochspannungs-Versuchstechnik
S. G. Krein I V. N. Uschakowa, Vorstufe zur hoheren Mathematik
Krischner, Einfiihrung in die Rontgenfeinstrukturanalyse
H. Lau I W. Hardt, Energieverteilung
R. Ludwig, Methoden der Fehler-und Ausgleichsrechnung
E. Meyer I R. Pottel, Physikalische Grundlagen der Hochfrequenztechnik
E. Poulsen Nautrup, Grundpraktikum der organischen Chemie
L. Prandtl I K. Oswatitsch I K. Wieghardt, Fiihrer durch die Stromungslehre
J. Ruge, Technologie der Werkstoffe
W. Rieder, Plasma und Lichtbogen
H. Sachsse, Einfiihrung in die Kybernetik
D. Schuller, Thermodynamik
F. G. Taegen, Einfiihrung in die Theorie der elektrischen Maschinen I, II
W. Tutschke, Grundlagen der Funktionentheorie
W. Tutschke, Grundlagen der reellen Analysis I, II
H.-G. Unger, Elektromagnetische Wellen I, II
H.-G. Unger, Ouantenelektronik
H.-G. Unger I W. Schultz, Elektronische Bauelemente und Netzwerke I, II, III
B. Vauquois, Wahrscheinlichkeitsrechnung
W. Wuest, Stromungsme~technik
Skripten
J. Behne I W. Muschik I M. Pasler,
Ringvorlesung zur Theoretischen Physik, Theorie der Elektrizitat
H. Feldmann, Einfiihrung in ALGOL 60
O. Hittmair I G. Adam, Ringvorlesung zur Theoretischen Physik, Warmetheorie
H. Jordan I M. Weis, Asynchronmaschinen
H. Kamp I H. Pudlatz, Einfiihrung in die Programmiersprache PUI
G. Lamprecht, EinfUhrung in die Programmiersprache FORTRAN IV
E. Macherauch, Praktikum in Werkstoffkunde
E.-U. Schliinder, Einfiihrung in die Warme-und Stoffiibertragung
H. Schubart, Einfiihrung in die klassische und moderne Zahlentheorie
W. Schultz, Einfiihrung in die Ouantenmechanik
W. Schultz, Dielektrische und magnetische Eigenschaften der Werkstoffe
Fritz Weigel
Chemie fOr
Maschinenbauer und
Elektrotechniker
Lehrbuch fOr
Studenten des Maschinenbaus
und der Elektrotechnik
ab tSemester
Vieweg
uni-text
Verlagsredaktion: Alfred Schubert
1976
Aile Rechte yorbehalten
© Fnedr. Vleweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1976
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Satz: Fnedr. Vleweg + Sohn GmbH, Braunschweig
Umschlaggestaltung: Peter Kohlhase, Lubeck
ISBN 978-3-528-0302!>-4 ISBN 978-3-322-85458-2 (eBook)
DOl 10.1007/978-3-322-85458-2
III
Vorwort
Dieses Buch 1St aus der Absicht heraus entstanden, den Studierenden des Maschinenbaus
oder der Elektrotechnik mit den Grundiagen der Chemie vertraut zu machen. Hierbei
wurden vom Verfasser die Erfahrungen eines schon seit emigen lahrzehnten Seite an
Seite mit Elektrotechnikern und Maschinenbauern verbrachten Berufsiebens verwertet.
Die Auswahl der Stoffgebiete und ihre Darstellung waren daher mliligeblich von den
vlelfaltIgen Fragen und Problemen bestimmt, die im Laufe der Zeit an den Verfasser
herangetragen oder zusammen mit ihm bearbeitet wurden.
Die von Verlag und Verfasser gememsam verfoigte Abslcht, den Umfang dleses Buches
zu begrenzen, hatte zwangsiaufig Beschrankungen bel der Auswahl des Stoffes und auch
eme gewisse LuckenhaftIgkeit in der Behandiung von Einzelhelten zur Folge; so muBte
beispielsweise bewuBt darauf verzlchtet werden KennzahIen, Eigenschaftswerte usw. von
Elementen und Verbmdungen m den einzeinen Kapitein mit aufzunehmen. Fur die
Auswahl von Vertretern der verschIedenen Stoffgruppen war melstens ihre technische
Bedeutung mliligebend. In den wemgen Fallen, wo sie nur eine untergeordnete Rolle in
der Technik splelen, wurden sle nach chemischen Gesichtspunkten ausgewahlt.
Fur das Studmm von Spezialgebieten 1St am SchluB ein Verzeichnls der einschlagigen
Fachliteratur angefugt, auf weiche auch bei der Abfassung emzeiner Abschmtte dieses
Buches zuruckgegnffen wurde.
Insgesamt betrachtet soll das in dlesem Buch vermittelte Wissen nicht allein auf erlernten
Emzelheiten, sondem vor allem auf dem Verstehen emer naturgegebenen Ordnung und
dem Erkennen von Para1leIen und gewissen GesetzmaBigkeiten sowohl in der anorganischen
ais auch m der organischen Chemie beruhen. Dieses Wissen und dlese Kenntnisse sollen
dem Studlerenden des Maschinenbaus und der Elektrotechnik ermoglichen, nicht nur
die Entwicklung neuer Werkstotfe vom Standpunkt seiner beruflichen Tatigkeit aus
gesehen kntisch zu verfolgen, sondem sie sollen ihm auch einen Eindruck von der Arbeit
und mcht zuIetzt auch von der Sprache des Kollegen aus der chemischen Industne
vermittein.
Beim Zusammentragen und bei der Bearbeitung des Stoffes gaben Kollegen aus ver
schledenen Bereichen des Hauses Siemens wertvolle Anregungen und Hinweise, wofur
Ihnen der Verfasser zu aufrichtigem Dank verpflichtet ist.
Fritz Weigel
Nurnberg 1m Marz 1976
IV
I nhaltsverzeichnis
1. Kapitel: Aufbau der Materie
1. Atome
1.1. Nukhde (Isotope) 5
1.2. Radloakttvlta t 7
1.3. Kernkettenreaktlonen und Kernreaktoren 10
1.4. Penodensystem der Elemente 12
2. Molekule 14
2.1. Ole chemlsche Bmdung 14
2.1.1. Ionenbmdung 15
2.1.2. Atombmdung 15
2.1.3. Metallbmdung 17
2.2. StochlOmetnsche Gesetze 17
2.2.1. Gesetz der konstanten ProportIOn en 18
2.2.2. Gesetz der multlplen ProportlOnen 18
2.3. Sauren, Basen, Salze 18
2.3.1. Sauren und Basen 18
2.3.2. Salze 20
2. Kapitel: Gruppen des Periodensystems 22
1. Gruppe der Edelgase 22
2. Gruppe der Halogene 23
2.1. Fluor 24
2.2. Chi or 25
2.3. Brom 25
2.4. Jod 26
2.5. Zusammenfassung 26
3. Gruppe der Chalk ogene 26
3.1. Sauerstoff 27
3.2. Schwefel 29
3.3. Selen 30
3.4. Tellur 31
3.5. Zusammenfassung 31
4. S tlckstoffgru ppe 32
4.1. Sttckstoff 32
4.2 Phosphor 33
4.3. Arsen 34
4.4. Anttmon 35
4.5. Wlsmut 35
4.6. Zusammenfassung 36
5. Kohlenstoffgruppe 36
5 1. Kohlenstoff 37
5.2. SlhclUm 38
5.3. Germamum 39
5.4. Zmn 39
5.5. Blel 39
5.6. Zusammenfassung 41
Inhaltsverzelchms V
6. Borgruppe 41
6.1. Bor 42
6.2. AlummlUm 42
6.3. GallIUm 44
6.4. IndIUm 44
6.5. ThallIUm 45
6.6. Zusammenfassung 45
7. Gruppe der Erdalkahmetalle 45
7 1 Beryllium 46
7.2. MagnesIUm 46
7.3. CalcIUm 47
7.4. StrontIUm 48
7.5. Banum 48
7.6. RadIUm 49
7.7 Zusammenfassung 49
8. Gruppe der Alkahmetalle 50
8.l. LithIUm 50
8.2. Natnum 51
8 3. Kalium 51
8.4. RubidIUm 52
8.5. CaslUm 52
8.6 FrancIUm 52
8.7. Zusammenfassung 52
8.8 Wasserstoff 53
9 Ubergangselemente 55
9 1 Kupfergruppe 55
9.1.1 Kupfer 55
9.1.2. Silber 56
9.1.3. Gold 57
9.1.4. Zusammenfassung 57
9.2. Zmkgruppe 58
9.2.1. Zmk 58
9.2.2. CadmIUm 59
9.2.3. Quecksilber 59
9.2.4. Zusammenfassung 59
9.3. ScandlUmgruppe 60
9.3.1. ScandIUm 60
9.3.2. Yttnum 60
9.3.3. Lanthan 60
9.3.4. ActmlUm 60
9.3.5. Zusammenfassung 61
9.4. Titangruppe 61
9.4.1. Titan 61
9.4.2. Zlfkomum 62
9.4.3. Hafmum 62
9.4.4. Eka-Hafmum 62
9.4.5. Zusammenfassung 63
9.5. Vanadmgruppe 63
9.5.1. Vanadm 63
9.5.2. NiOb 63
9.5.3. Tantal 64
9.5.4. Eka-Tantal 64
9.5.5. Zusammenfassung 64
VI Inhaltsverzelchms
9.6. Chromgruppe 64
9.6.1. Chrom 65
9.6.2. Molybdan 65
9.6.3. Wolfram 66
9.6.4. Zusammenfassung 66
9.7. Mangangruppe 67
9.7.1. Mangan 67
9.7.2. TechnetIUm 67
9.7.3. Rhemum 68
9.7.4. Zusammenfassung 68
9.8. Eisengruppe 68
9.8.1. Elsen 68
9.8.2. Kobalt 69
9.8.3. Nickel 70
9.8.4. Zusammenfassung 70
9.9. Gruppe der Platmmetalle 70
9.10. Lanthamden und ActImden 71
9.10.1. Lanthamden (LanthanOIden) 71
9.10.2. Actlmden 72
10. Langpenodensystem der Elemente 73
3. Kapitel: Chernie der Kohlenstoffverbindungen 75
1. Kohlenwasserstoffe 75
1 1. GesattIgte Kohlenwasserstoffe 75
1.1.1. Paraffine 75
1 1.2. Cycloparaffine 77
1.1.3. Erdol 78
1.2. UngesattIgte Kohlenwasserstoffe 79
1.2.1. Olefme 79
1.2.2. Cycloolefine 80
1.2.3. Dlene und Polyene 80
1.2.4. Acetylene 83
1.3. AromatIsche Kohlenwasserstoffe 85
2. Organische Verbmdungen mit funktIOnellen Gruppen 87
2.1. Halogemde 88
2.1.1. AhphatlSche Halogemde 88
2.1.2. AromatIsche Halogemde 90
2.2. Alkohle, Phenole 91
2.2.1. AiIphatIsche und aromatIsche Alkohole 91
2.2.2. Phenole 94
2.3. Ather 95
2.4. Amme 97
2.5. Aldehyde, Ketone 99
2.5.1. Aldehyde 100
2.5.2. Ketone 101
2.6. Carbonsauren 102
2.6.1. AhphatIsche Sauren 102
2.6.2. AromatIsche Sauren 104
2.6.3. Carbonsaureanhydnde 105
2.6.4. Carbonsaureester 107
2.7. Nitrile 107
2.8. Epoxlde 108
Inhaltsverzclchms VII
4. Kapitel: Chernie der hochpolyrneren Kohlenstoffverbindungen 110
1. Nomenklatur und Termmologle makromolekularer Stoffe 110
2. Polymensate 112
2.1. Polyathylen 112
2.2. Polypropylen 113
2.3. PolYlsobutylen 114
2.4. Synthesekautschuk 114
2.5. Kumaronharze 116
2.6. Polyfluorathylen 116
2.7. Polychlorathylen 117
2.8. Polyvmylester 118
2.9. Polyvmylalkohol 118
2.10. Polyvmylacetale 119
2.11. Polystyrol 120
2.12. UngesattIgte Polyesterharze 120
2.13. Poly acrylate 122
2.14. Polyvmylather 123
2.15. Polyvmylcarbazol 123
2.16. Ally lpolymere 124
2.17. Polyacetalharze 125
2.18. Polyatherharze 125
3. Polykondensate 126
3.1. Phenoplaste 126
3.2. Ammoplaste 127
3.3. Polyester 128
3.4. ThlOplaste 131
3.5. PolyamIde 131
3.6. PolYlmlde 133
3.7. Polyamldllmde 133
3.8. Polyestenmlde 134
3.9. Poly benzImIdazole 135
3.10. Polyhydantome 136
3.11. Polyarylsulfone 136
3.12. PolysIioxane (SliIcone) 137
4. Polyaddukte 138
4.1. Polyurethane 138
4.2. Epoxldharze 139
5. Cellulosedenvate 141
5.1. Regenenerte Cellulose 142
5.2. Celluloseester 142
5.3. Celluloseather 142
6. Verzelchms der Abkurzungen von Kunststoffen 143
Literaturverzeichnis 145
Sachwortverzeichnis 147
1. Kapitel: Aufbau der Materie
1. Atome
Die altgnechlschen Phllosophen Demokrit von Abdera und Leukippos (etwa 400 v. Chr.)
hatten die uberraschend moderne Vorstellung, daB die Matene mcht bis ms unendliche
tellbar sei, sondern aus kleinsten, mcht sichtbaren und untellbaren Baustemen bestehen
wurde, denen dann spater der gnechlsche Philosoph Epikur (urn 300 v. Chr.) die Bezelch
nung Atome, die Untellbaren, gab. Dlese Auffassung vom Aufbau der Matene aus klem
sten Teilchen ermoglichte, wenn auch allerdmgs erst betrachtlich spater (17. und 18. lh.),
slch konkrete Vorstellungen von chemlschen ReaktIonen und den GesetzmaBigkelten,
nach denen sle ablaufen, zu machen. Der Atombegnff des klasslschen Altertums hat 1m
Laufe der letzten lahrhunderte vor allem durch die Ergebmsse verfemerter expenmen
teller Verfahren, wle z. B. der Spektroskople und durch Untersuchung der Erschemun
gen der RadlOaktlvitat usw. eme starke Wand lung erfahren und so wissen Wlf heute, da1~
dIese damals als unteilbar betrachteten Bausteme der Matene slch ebenfalls wieder aus
noch klemeren Tellchen zusammensetzen.
Ein Atom besteht aus einem posltiv geladenen Kern und emer Ihn umgebenden Hulle
I'on negativ geladenen Teilchen, den Elektronen. In der Hulle smd gerade so viele Elek
tronen vorhanden, daB die Summe Ihrer Ladungen der Kernladungszahl (= Ordnungszahl,
Symbol Z) glelch 1st, d. h. em Atom hat die Gesamtladung Null, es 1st neutral. Sind mehr
oder weniger Elektronen m der Hulle vorhanden, dann liegt ein negatlv oder POSltIV ge
ladenes Ion vor.
Der Kern selbst besteht aus Protonen und Neutronen, die man zusammen als Nukleonen
bezelchnet, und die m der Hauptsache die Masse eines Atoms ausmachen. Die Gesamtzahl
der Nukleonen im Kern emes Atoms ist die Massenzahl (Symbol M), also die Summe der
Protonen und Neutronen. Das Proton ist ein Elementarteilchen, das eme emfache positive
elektrische Ladung tragt. Von Element zu Element steigt die Anzahl der Protonen regel
mai1lg urn eins an und glelchzeitIg erhoht slch damlt auch die Anzahl der Elektronen in
der Hulle urn ems. Das Neutron ist ein Teilchen, das keine Ladung tragt, weshalb man es
1m chemischen Sinn auch nicht als Element ansprechen kann, denn es 1st wegen seines
neutral en Zustandes mcht in der Lage, Elektronen festzuhalten, die sem chemlsches Ver
halten bestimmen und die es damit uberhaupt als chemlsches Element kennzeichnen WUf
den. Das Neutron kann Materie leicht durchdringen, well es keine Ladung tragt und des
halb weder von Elektronen noch von Protonen abgestoBen werden kann. 1m Kernverband
ist das Neutron stabil, aus dem Verband herausgelost, ist es radlOaktiv ((3-Strahler). In der
Tabelle 1 smd die drel beschnebenen Atombauteilchen mit emigen Kennzahlen bzw.
Eigenschaften zusammengestellt.
In den vergangenen lahrzehnten hat man unter Berucksichtigung neuer Erkenntmsse, wie
Vielfalt und GesetzmaBigkeit der Linienspektren, Nachweis von Elektronen als Bestand
teil der Materie und Entdeckung der Protonen und Neutronen teilweise recht an schau-
2 1 Kapltel Aufbau der Matene
Tabelle 1
mlttiere
RadIUs
Teilchen Symbol Ruhemasse Lebensdauer
fm
s
-
Elektr~m e 1 stabll wahrschemhch 2,8
Proton P 1836,6 stabll ca. 2
Neutron n 1838,6 ca. 1000 ca. 0,8
liche Atommodelle entworfen, wie z. B. dasjenige yon Niels Bohr (1913). Sommerfeld,
der sich urn die Weiterentwicklung der Bohrschen Atomtheorie yerdient gemacht hat,
meinte 1924: "Vielleicht ist das Atommodell mehr em Rechenschema als eine Zustands
realitat". Wenn nun auch dieses Modell yom Standpunkt der theoretischen Physik als
nicht"real" angesehen werden kann, so erlaubt es aber doch dem Chemiker, sich anschau
liche Vorstellungen yom Verhalten und den Eigenschaften der Elemente zu machen. Im
Bohrschen Atommodell bewegen sich die Elektronen auf Schalen, die konzentrisch urn
den Atornkern angeordnet sind. Jede dieser Schalen, die mit Buchstaben bezeichnet
werden (K-, L-, M-, N-, 0-, P-und Q-Schale), kann nur eine bestimmte Anzahl yon Elek
tronen aufnehmen; die K-Schale hbchstens 2(2 '12), die L-Schale maximal acht (2' 22),
die M-Schale 18(2· 32) usw. Bild 1 zeigt nach steigendem Grad der Schalenftillung yom
Wasserstoffatom ausgehend, die Atomarten, der ersten zehn Elemente Wasserstoff, Helium,
Lithium, Beryllium, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor und Neon. Im inner
sten Kreis, dem "Kern", ist die Anzahl der jeweils yorhandenen Protonen und Neutronen
angegeben.
Im Jahre 1800 waren 28 Elemente bekannt, 1900 war lhre Anzahl auf 84 angestiegen
und 1965 waren es schlieBlich 104 Elemente.
Unter Berucksichtigung des oben gesagten, wonach die Protonen und Neutronen die
Hauptmasse eines Atoms ausmachen, kann man fur jedes Atom auch eine relative A tom
masse angeben, wenn man beispielsweise die Masse des Wasserstoffatoms als Bezugsein-
@~~~
H He LI Be B
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Bild 1