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HerausgeberProf. Dr. Erhard Kemnitz, Dr. Rüdiger Simon

AutorenArno Fischedick, Dr. Lutz Grubert, Dr. Annett Hartmann, Dr. Horst Hennig, Dr. Bernd Kaiser, Dr. Günter Kauschka, Prof. Dr. Erhard Kemnitz, Frank Liebner, Ute Lilienthal, Prof. Dr. Andreas Link, Dr. Gabriele Mederow, Prof. Dr. Sabine Müller, Dr. Cordula Riederer, Dr. Ullrich Riederer, Dr. Sven Scheurell, Dr. Martin Schönherr †, Dr. Rüdiger Simon, Dr. Hartmut Vogt

Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Das Wort Duden und der Reihentitel Basiswissen Schule sind für den Verlag Bibliographisches Institut GmbH als Marke geschützt.

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© Duden 2015 D C B ABibliographisches Institut GmbH, Mecklenburgische Straße 53, 14197 Berlin

Redaktionelle Leitung David HarvieRedaktion Andrea Mohrenweiser, Loop Redaktionsgruppe,

Dr. Sven ScheurellIllustrationen Gerlinde Keller

Herstellung Ursula FürstLayout Britta ScharffenbergUmschlaggestaltung Büroecco, AugsburgSatz DZA Druckerei zu Altenburg GmbH, Jessica Kupke,

Marion SchneiderGrafiken Johanna Dörsing, Marco Eichler, Christiane Gottschlich,

Karin Mall, Walther-Maria ScheidDruck und Bindung Tešínská tiskárna, Cesky TešínPrinted in Czech Republic

ISBN 978-3-411-04594-5www.lernhelfer.de

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3Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

1 Die Chemie – eine Naturwissenschaft 71.1 Die Chemie im Kanon der Naturwissenschaften 81.2 Denk- und Arbeitsweisen in der Chemie 111.2.1 Begriffe und Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2.2 Gesetze, Modelle und Theorien in der Chemie . . . . . . . . . . . . 141.2.3 Erkenntnisgewinn in der Chemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.2.4 Vorbereitung, Durchführung und Auswertung

chemischer Experimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.3 Stöchiometrie 271.3.1 Molare und Zusammensetzungsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.3.2 Berechnungen zu chemischen Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2 Kernchemie und Entstehung der Elemente 332.1 Kernchemie 342.1.1 Kernbausteine – Nukleonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.1.2 Stabilität von Atomkernen und Kernreaktionen . . . . . . . . . . . 352.2 Entstehung der Elemente 442.2.1 Kernsynthese der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.2.2 Häufigkeit der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3 Atombau und Periodensystem 493.1 Atombau 503.1.1 Historische Entwicklung des Atommodells . . . . . . . . . . . . . . . . 503.1.2 Das Atommodell nach Bohr und Sommerfeld . . . . . . . . . . . . . 523.1.3 Das moderne quantenmechanische Atommodell . . . . . . . . . . 553.2 Das Periodensystem der Elemente 643.2.1 Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.2.2 Ordnungsprinzip im Periodensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.2.3 Periodizität der Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4 Chemische Bindung 774.1 Hauptbindungsarten 784.1.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.1.2 Atombindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.1.3 Ionenbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.1.4 Metallbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.2 Besondere Wechselwirkungen zwischen Molekülen 1054.2.1 Van-der-Waals-Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054.2.2 Wasserstoffbrückenbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5 Grundzüge der physikalischen Chemie 1095.1 Chemische Thermodynamik 1105.1.1 Energie und Energieerhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105.1.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . 1145.1.3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . 1195.1.4 Die freie Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1235.2 Chemische Kinetik 1285.2.1 Zeitlicher Ablauf chemischer Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . 1285.2.2 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit . . . 134

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Überblick 63

Überblick 76

Überblick 108

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Inhaltsverzeichnis4

5.2.3 Mechanismus chemischer Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.2.4 Katalysatoren und Katalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1405.3 Elektrochemische Prozesse 1445.3.1 Elektrische Leitung und Elektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1445.3.2 Elektroden und Elektrodenpotenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1455.3.3 Elektrochemische Zellen und Zellspannung . . . . . . . . . . . . . . 1515.3.4 Elektrolytische Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

6 Chemisches Gleichgewicht und Massenwirkungsgesetz 1676.1 Das chemische Gleichgewicht 1686.1.1 Umkehrbarkeit chemischer Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1686.1.2 Einstellung des chemischen Gleichgewichts . . . . . . . . . . . . . . 1696.1.3 Massenwirkungsgesetz und Gleichgewichtskonstante . . . . . 1706.2 Beeinflussung des chemischen Gleichgewichts 1746.2.1 Einfluss der Temperatur und des Drucks . . . . . . . . . . . . . . . . . 1746.2.2 Einfluss weiterer Reaktionsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . 1766.3 Anwendungen des Massenwirkungsgesetzes 1786.3.1 Gleichgewichtsreaktionen in der Industrie . . . . . . . . . . . . . . . 1786.3.2 Löslichkeitsgleichgewichte von Salzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

7 Protonen- und Elektronenübertragungsreaktionen 1837.1 Säuren und Basen 1847.1.1 Säure-Base-Theorie nach Brönsted . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1847.1.2 Säure-Base-Gleichgewichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1867.1.3 Amphoterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1977.1.4 Neutralisationsreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1987.1.5 Säure-Base-Theorie nach Lewis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2047.1.6 Säuren und Basen im Alltag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2057.2 Redoxreaktionen 2087.2.1 Redoxreaktionen als Donator-Akzeptor-Reaktionen . . . . . . . 2087.2.2 Oxidationszahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2107.2.3 Entwickeln von Redoxgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2127.2.4 Standardredoxpotenziale und Redoxgleichgewichte . . . . . . 2137.2.5 Anwendungen von Redoxreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

8 Grundzüge der anorganischen Chemie 2198.1 Hauptgruppenelemente und Verbindungen 2208.1.1 Vorkommen und Darstellung der Elemente . . . . . . . . . . . . . . 2208.1.2 Verbindungen der Hauptgruppenelemente . . . . . . . . . . . . . . 2248.2 Eigenschaften der Nebengruppenelemente 2338.2.1 Vorkommen und Darstellung der d-Block-Elemente . . . . . . . 2338.2.2 Eigenschaften und Verwendung von d-Block-Elementen . . . 2368.2.3 Nanotechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2438.3 Komplexchemie 2468.3.1 Aufbau und Nomenklatur von Komplexen . . . . . . . . . . . . . . . 2468.3.2 Struktur und Eigenschaften von Komplexverbindungen . . . . 2488.3.3 Stabilität von Komplexverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2528.3.4 Darstellung und Bedeutung von Komplexen . . . . . . . . . . . . . 2548.3.5 Komplexometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

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5Inhaltsverzeichnis

9 Strukturen und Reaktionen organischer Verbindungen 2599.1 Allgemeine Grundlagen der organischen Chemie 2609.1.1 Namen, Formeln und Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2609.1.2 Elektronische Effekte in organischen Verbindungen . . . . . . . 2629.1.3 Der Isomeriebegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2659.1.4 Reagenzien, Substrate, Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2719.1.5 Reaktionstypen in der organischen Chemie . . . . . . . . . . . . . . 2739.2 Aliphatische Kohlenwasserstoffe 2899.2.1 Nomenklatur aliphatischer Kohlenwasserstoffe . . . . . . . . . . . . 2899.2.2 Gesättigte kettenförmige Kohlenwasserstoffe . . . . . . . . . . . . 2929.2.3 Ungesättigte kettenförmige Kohlenwasserstoffe . . . . . . . . . . 2959.3 Aromatische Kohlenwasserstoffe 2989.3.1 Der aromatische Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2989.3.2 Substituierte Benzene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3029.3.3 Biologische Aktivität aromatischer Verbindungen . . . . . . . . . 3049.4 Organische Verbindungen mit funktionellen Gruppen 3079.4.1 Funktionelle Gruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3079.4.2 Halogenalkane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3089.4.3 Amine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3109.4.4 Alkohole und Phenole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3129.4.5 Ether . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3189.4.6 Carbonylverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3199.4.7 Carbonsäuren und Carbonsäurederivate . . . . . . . . . . . . . . . . . 3229.5 Naturstoffe 3299.5.1 Kohlenhydrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3299.5.2 Fette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3379.5.3 Aminosäuren, Peptide und Proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3409.6 Chemie in Biosystemen 3519.6.1 Stoffwechsel und Biokatalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3519.6.2 Autotrophe Assimilation – Fotosynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . 3559.6.3 Heterotrophe Assimilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3579.6.4 Dissimilation – Atmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3599.6.5 Dissimilation – Gärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3629.6.6 Nucleinsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

10 Ausgewählte Anwendungen in der Chemie 36910.1 Werkstoffe 37010.1.1 Aufbau und Bildung synthetischer organischer Polymere . . . 37010.1.2 Struktur und Eigenschaften von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . 38010.1.3 Verarbeitung von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38410.1.4 Maßgeschneiderte synthetische Polymere . . . . . . . . . . . . . . . 38510.1.5 Verwertung von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38910.1.6 Metallische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39410.1.7 Silicone, Silicate und Glas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39810.2 Farbstoffe 40310.2.1 Grundlagen der Farbigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40310.2.2 Natürliche Farbstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40610.2.3 Synthetische Farbstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40710.2.4 Färbeverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40810.3 Tenside und Waschmittel 41010.3.1 Tenside als grenzflächenaktive Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410

Überblick 288

Überblick 306

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Überblick 393

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Inhaltsverzeichnis6

10.3.2 Anwendungen von Tensiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41210.3.3 Waschmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41410.4 Arzneimittel 41810.4.1 Entwicklung von Arzneimitteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41810.4.2 Wirkungsweise von Arzneistoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41910.4.3 Arzneistoffsynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42210.5 Ausgewählte chemisch-technische Verfahren 42310.5.1 Technische Herstellung von Ammoniak . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42310.5.2 Technische Herstellung von Salpetersäure. . . . . . . . . . . . . . . . 42610.5.3 Technische Herstellung von Schwefelsäure . . . . . . . . . . . . . . . 42810.5.4 Technische Herstellung von Chlor und Natronlauge –

Chloralkali-Elektrolyse nach dem Membranverfahren . . . . . . 43010.5.5 Aluminiumgewinnung durch Schmelzflusselektrolyse . . . . . . 43210.5.6 Erdölverarbeitung – Gewinnung von Treibstoffen und

Rohstoffen für die chemische Industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43410.6 Umweltbezogene Chemie 44110.6.1 Der Kreislauf des Kohlenstoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44110.6.2 Der Kreislauf des Stickstoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44310.6.3 Belastungen der Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44410.6.4 Belastungen der Gewässer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45010.6.5 Belastungen des Bodens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454

11 Analyseverfahren 45711.1 Klassische Analyseverfahren 45811.1.1 Qualitative anorganische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45811.1.2 Analyse organischer Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46211.2 Instrumentelle Analyseverfahren 46611.2.1 Elektrochemische Analysemethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46611.2.2 Chromatografische Analysemethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47211.2.3 Spektroskopische Analysemethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477

A Anhang 483 PSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485 Bildquellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496

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Überblick 482

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Die Chemie – eine Naturwissenschaft 1

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8 1 Die Chemie – eine Naturwissenschaft

1.1 Die Chemie im Kanon der Naturwissenschaften

Bereits ein flüchtiger Blick auf unsere Umgebung zeigt uns die alltägliche Gegenwart chemi-scher Prozesse und Strukturen: Fast alle Gegenstände, die uns umgeben, sind in ihrer Entste-hung an chemische Vorgänge geknüpft, seien es metallische Objekte, Kunststoffe, Farben oder ganze Bauwerke. Müssen wir nach Medikamenten grei-fen, so ist deren Herstellung und Wirkungsweise an chemi-sche Strukturen und Reaktionen gebunden (b S. 419 ff.). Nutzen wir ein Transportmittel, so wird hier in den meisten Fällen che-

mische Energie in mechanische umgewandelt. Treibstoffe

müssen in chemischen Prozessen synthetisiert und in Motoren effektiv verbrannt werden. Die entstandenen Abgase werden zu einer chemischen Belastung unserer Umwelt.Auch unser Planet Erde ist in seiner heutigen Erscheinungsform das Ergebnis des Zusammenwirkens physikalischer, chemischer

und biologischer Prozesse. Eine wesentliche Grundlage für die Entstehung der Erde war die kosmologische Entwicklung der che-

mischen Elemente durch kernchemische Reaktionen (b S. 44 ff.). Wir befinden uns hier in einem Grenzgebiet, das von der Kosmologie, der Physik und der Chemie beschrieben wird.

Die chemischen Elemente mit ihrer Eigenschaft, Verbindungen einzugehen, bilden die Grundlage chemischer Vorgänge. Solche Vorgänge der Stoffumwandlung, bei denen chemische Bindungen (b S. 78 ff.) zwischen Teilchen gelöst und neu gebildet werden, be-zeichnet man als chemische Reaktionen.

Einige im Urozean gelöste Substanzen wurden mithilfe der Sonnenener-gie, von Gewitterentladungen und anderen natürlichen Energieformen zu komplexeren chemischen Strukturen umgewandelt, die schließlich die Fähigkeit zur Selbstreproduktion erlangten. Aus den anfangs primitiven Lebensformen entwickelten sich höhere – bis schließlich zum Menschen. Die Entstehung und Entwicklung des Lebens ist an biochemische Prozesse wie die Bildung von Aminosäuren und Kohlenhydraten (b S. 329 ff.), die Speicherung der Erbinformation in der DNA oder die Herausbildung der Fotosynthese (b S. 355) gebunden.

Bereits beim Erkalten der Erd-oberfläche fanden unzählige chemische Reaktionen statt, die u. a. zu verschiedenen Gesteinen, Oxiden, Salzen, Wasser und zur Ausbildung einer Gashülle führten.

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Jede Nahrung, die wir aufnehmen, besteht aus unterschiedlichen che-mischen Verbindungen oder Stoff-gemischen; in unserem Körper laufen biochemische Reaktionen ab, ohne die wir nicht lebensfä-hig wären. Selbst das Lesen dieses Texts ist ohne chemische Verände-rungen im Auge und innerhalb des Gehirns nicht möglich.

Die modernen Naturwissenschaf-ten erforschen und beschreiben häufig gleiche Objekte aus unterschiedlichem Blickwinkel. Zur Natur zählen alle materiellen Gegenstände, Strukturen und Prozesse in der unendlichen Mannigfaltigkeit ihrer Erscheinungsformen. Aus dieser Tatsache ergeben sich zwei wichtige Hinweise: Erstens ist eine absolute Abgrenzung der Naturwissenschaften voneinander nicht möglich; zwei-tens bedarf es für die Erforschung eines Objekts häufig des kooperativen Zusammenwirkens verschiedener Wissenschaften. Dennoch hat jede Wis-senschaft ihre Spezifik – so auch die Chemie.

Die Naturwissenschaft Chemie untersucht den Aufbau, die Eigen-schaften und die Umwandlung von Stoffen, insbesondere die stoff-lichen und energetischen Veränderungen, die mit der Lösung und Neubildung chemischer Bindungen einhergehen.

Biologie

Biochemie

Geologie

MathematikPhysik

Umweltchemie

TechnischeChemie

AnalytischeChemie

AnorganischeChemie

AllgemeineChemie

TheoretischeChemie

Kernchemie

Thermodynamik

Kinetik

Elektrochemie

OrganischeChemie Werkstoffchemie

Komplexchemie

Chemie

Das komplexe Zusammenwirken chemischer Reakti-onen und biologi-scher Vorgänge ist die Grundlage des Lebens.

Im Laufe der Zeit kristallisierten sich unterschiedli-che Teilgebiete der Chemie heraus. Eine strikte Abgrenzung zwischen den ver-wandten Disziplinen ist jedoch ebenso wenig möglich wie die strikte Tren-nung der Chemie von den anderen Naturwissenschaf-ten. Die Disziplinen Thermodynamik, Kinetik, Elektroche-mie, theoretische und Kernchemie werden auch unter dem Oberbegriff physikalische Chemie zusammengefasst.

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Physikalische, chemische und bio-logische Vorgänge laufen seit Ur-zeiten in der Natur ab, lange bevor es Menschen und die von ihnen hervorgebrachten Wissenschaften gab. Mit ihrer Hilfe erkannte der Mensch die Naturzusammenhänge und vermochte in zunehmendem Maße, chemische Prozesse zur Ver-besserung seiner Lebensgrundla-gen zu nutzen. Man denke dabei an das Feuer, die Herstellung von Keramiken und Me-tallen oder die chemischen Veränderungen von Naturstoffen zu Wein (b Abb. oben), Essig u. a. m. Dabei nutzte man empirisches oder Erfah-rungswissen, ohne die theoretischen Ursachen bzw. den Ablauf der che-mischen Prozesse wirklich zu kennen.

Erst vor ca. 2 500 Jahren stellten sich einzelne Menschen die Frage nach den Ursachen der natürlichen Zusammenhänge. Hier liegt die eigentli-che Wiege der Wissenschaften. Weitere Meilensteine der Herausbildung der Chemie waren die mittelalterliche Alchemie, die im 19. Jahrhundert von der klassischen Chemie revolutioniert wurde. Diese lieferte die Basis für die Entwicklung der modernen, heutigen Chemie.Die mit dem Fortschritt der Naturwissenschaften einhergehende Ent-wicklung der Menschheit hat jedoch ihren Preis. Durch die zunehmende Industrialisierung wurden die Ressourcen der Natur in immer stärkerem Maße ausgebeutet, sodass ein Ende der Vorräte z. B. beim Erdöl (b S. 434) bereits absehbar ist. Außerdem wurden durch chemische Industrie, Ener-gieerzeuger und Fahrzeugverkehr riesige Mengen an Schadstoffen frei-gesetzt, die unsere Umwelt nachhaltig belasten.

Überdüngung der Böden in der Landwirtschaft und die Nutzung von Phosphaten als Komplexbildner in Waschmitteln führten z. B. zur Eutro-phierung der Gewässer (b S. 451). Verbindungen wie Fluorchlorkohlen-wasserstoffe, die als Kühlmittel oder Treibgas verwendet wurden, verur-sachen das Ozonloch über den Polkappen der Erde (b S. 448).Chemiker sind zweifellos mitverantwortlich für diese Umweltschäden. Das Beispiel der Schwefeldioxidemissionen zeigt aber auch, dass die Fol-gen industrieller Umweltschäden nur mithilfe der Naturwissenschaften wieder minimiert werden können. So wurde durch die Entwicklung ef-fektiver Abgasreinigungs- und Erdölentschwefelungsanlagen die Emis-sion von Schwefeldioxid in Deutschland von mehr als 6 Mio. Tonnen im Jahr 1970 auf ca. 600 000 Tonnen im Jahr 2006 zurückgedrängt. Die öko-logischen Folgen wie der saure Regen (b S. 446) und der Smog in Bal-lungsgebieten wurden deutlich reduziert.

Die Verantwortung der Chemiker liegt darin, ihren Beitrag zur ef-fektiven Nutzung von Rohstoffen und Energie, zur Entwicklung von Recyclingverfahren und geschlossenen Stoffkreisläufen und damit zum nachhaltigen Schutz der Umwelt zu leisten.

Die historische Entwicklung der Che-mie als Wissenschaft begann mit den Naturphilosophen in der Antike. Auf sie gehen noch heute genutzte Begriffe wie Atom, Element oder Verbindung zurück.

Auch die Erschlie-ßung alternativer Energiequellen ist ohne die Entwick-lung geeigneter Materialien durch die Chemie nicht möglich.

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111.1 Denk- und Arbeitsweisen in der Chemie

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1.2.1 Begriffe und Größen

Begriffe in der Chemie

Ein Ziel der Chemie besteht darin, Zusammenhänge in der Natur zu er-kennen, Naturerscheinungen zu erklären und ihre Ursachen zu finden. Dazu werden chemische Prozesse beobachtet und Experimente durch-geführt, über deren Ergebnisse sich die Chemiker untereinander verstän-digen. Zu diesem Zweck hat die Chemie in ihrem Entwicklungsverlauf ein spezifisches Begriffssystem herausgebildet.

Ein Begriff ist die gedankliche Widerspiegelung einer Klasse von Objekten (Stoffe, Vorgänge, Erscheinungen usw.) auf der Grund-lage gemeinsamer, festgelegter Merkmale.

Merkmale sind hervorgehobene und damit festgelegte Eigenschaften. Auf der Grundlage gemeinsamer, invarianter Merkmale werden natur-wissenschaftliche Begriffe eindeutig definiert und so von anderen Be-griffen unterschieden. Die einzelnen Fachbegriffe sind in ihrer inhaltlichen Aussage aufeinan-der abgestimmt und bilden in ihrer Gesamtheit ein wissenschaftliches Begriffssystem, welches die Grundlage für die Fachsprache einer Natur-wissenschaft darstellt. Fachbegriffe knüpfen häufig an Alltagsbegriffe an. Die fachliche Definition ist aber exakter und unterscheidet sich oft von der Bedeutung, die Fachbegriffe im Alltag haben.Die Definition eines Begriffs erfolgt in den einzelnen Wissenschaften da-nach, welches gemeinsame Merkmal von Objekten als wesentlich festge-legt wird. Deshalb können Fachbegriffe in den verschiedenen Naturwis-senschaften durchaus unterschiedlich definiert werden.

Moleküle sind Teilchen, die aus mindestens zwei gleichen oder unterschiedlichen Atomen aufge-baut sind. Die Atome sind durch kovalente Bindungen (Atombin-dungen) miteinander verknüpft. Oberbegriff: TeilchenMerkmale: Art der Teilchen und der chemischen BindungDie Summenformel ist eine che-mische Formel, die die Art und die Anzahl der Atome in einem Mole-kül angibt, jedoch keine Angaben über die Bindung zwischen den Atomen enthält.Oberbegriff: chemische FormelMerkmale: Art und Anzahl der Atome pro Molekül

C HH

OH

OH

HO

OHH

H HOH H

HOStrukturformel

Summenformel

Glucosemolekül

C6H12O6

Manchmal wird ein und derselbe che-mische Begriff durch verschiedene Wörter, sogenannte Syno-nyme, bezeichnet.

Die Summen-formel enthält im Gegensatz zur Strukturformel keine Aussagen zur Struk-tur eines Moleküls. Glucose kann in unterschiedlichen Strukturen vorkom-men (b S. 330).

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Größen in der Chemie

Einen Teil der naturwissenschaftlichen Begriffe bezeichnet man als Grö-ßen. Dabei handelt es sich um Begriffe, deren Merkmale quantitativ er-fasst werden können.

Eine Größe beschreibt ein quantitativ bestimmbares Merkmal ei-ner Klasse von Objekten, Zuständen oder Vorgängen.

Wie jeder Begriff ist auch eine Größe durch ihre Bedeutung gekenn-zeichnet. Die Bedeutung einer Größe gibt an, welche Eigenschaft von Objekten beschrieben wird.Der Grad der Ausprägung dieser Eigenschaft wird quantitativ durch den Wert der Größe beschrieben. Um den Wert einer Größe anzugeben, muss eine Einheit festgelegt werden. Der Wert einer Einheit ist das Produkt aus Zahlenwert und Einheit.Für jede Größe ist ein (in einigen Fällen auch mehrere) Formelzeichen festgelegt, mit dem man naturwissenschaftliche Gesetze mathematisch formulieren und handhaben kann.

Quantitativ (lat.: quantitas – Größe, Anzahl) bedeutet mengenmäßig bzw. zahlenmäßig.

Die meisten wich-tigen Größen in der Chemie beschreiben physikalische Eigen-schaften von Stoffen und werden deshalb als physikalische Grö-ßen bezeichnet.

Größe Formel-zeichen

wichtige Einheiten Beziehungen zwischen Größen und Einheiten

Masse m Kilogramm [kg]Gramm [g]

1 kg = 1 000 g

Stoffmenge n Mol [mol] 1 mol ≈ 6,022 · 1023 Teilchen

molare Masse M Gramm pro Mol [g · mol–1] M = m } n

Volumen V Liter [l] Kubikmeter [m3]

V = a · b ·c1 m3 = 1 000 l

molares Volumen

Vm Liter pro Mol [l · mol–1] Vm = 22,4 l · mol–1

(bei 0 °C und 101,3 kPa)

Dichte ρ Kilogramm je Kubikmeter [kg · m–3]

ρ = m } V

Druck p Pascal [Pa]Bar [bar]

1 Pa = 1 N · m–2

1 bar = 101 325 Pa

Temperatur Tθ

Kelvin [K]Grad Celsius [°C]

0 °C = 273,15 K

Stoffmengen-konzentration

c Mol pro Liter [mol · l–1] c = n } V

Frequenz ν, f Hertz [Hz] 1 Hz = 1 s–1

Energie E Joule [J]Newtonmeter [Nm]Wattsekunde [Ws]

E = h · ν h – plancksches Wirkungsquantum1 J = 1 kg · m2 · s–2

Arbeit W Joule [J]Newtonmeter [Nm]Wattsekunde [Ws]

W = F · sW = p · ∆V1 J = 1 Nm = 1 Ws

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In der Chemie werden die Größen nach verschiedenen Gesichtspunkten unterteilt. So ist ein Teil der Größen unabhängig von der Menge der Stoffportion, deren Eigenschaft beschrieben wird. Diese Größen nennt man intensive Größen.

Temperatur und Dichte sind intensive Größen. Ihr Wert bleibt gleich, unabhängig davon, ob man z. B. den ganzen Bodensee mit 48,5 km3 Wasser betrachtet oder nur eine Probe von 10 ml, die man daraus entnommen hat.

Die extensiven Größen nehmen dagegen mit dem Betrag der betrachte-ten Stoffportion zu bzw. ab. Bildet man den Quotienten aus zwei exten-siven Größen, erhält man wieder eine intensive Größe.

Masse, Stoffmenge und Volumen sind extensive Größen. Der Quoti-ent aus Masse und Volumen ist die Dichte, der Quotient aus Masse und Stoffmenge ist die molare Masse. Sowohl die Dichte als auch die molare Masse sind intensive Größen.

Normalerweise benutzen Naturwissenschaftler absolute Größen mit den bekannten Einheiten wie kg, Pa usw. Diese geben den Wert in Bezug auf einen Nullpunkt an. Um die Eigenschaften von Objekten besser ver-gleichen zu können, werden jedoch in einigen Fällen relative Größen eingeführt. Diese sind Quotienten aus einer absoluten Größe und einer willkürlich gewählten, geeigneten Bezugsgröße. Die Einheit einer relati-ven Größe beträgt immer 1.

Da die betrachteten Teilchen in der Physik und in der Chemie sehr klein sind, müsste man beim Vergleich der absoluten Atommassen mA mit extrem kleinen Zahlenwerten arbeiten. Aus diesem Grund wurde die relative Atommasse Ar als Größe eingeführt, die sich auf die atomare Masseeinheit u (engl. unit) bezieht. Wie beim Helium kann man die relative Atommasse jedes Elements berechnen. Die relativen Atommassen der Elemente können im Periodensystem der Elemente (b S. 484) verglichen werden.

Ar(He) = mA(He) } n

Ar(He) = 6,642 · 10–24g }}

1,66 · 10–24g

Ar(He) = 4,00 In der physikalischen Chemie unterteilt man die Größen danach, ob sie den Zustand eines Systems oder einen Vorgang bzw. Prozess beschreiben (b S. 115). Zustandsgrößen kennzeichnen den Zustand, in dem sich ein System bzw. ein Stoff befindet. Prozessgrößen charakterisieren den Vor-gang der Änderung zwischen zwei Zuständen.

Temperatur, Dichte und Energie sind Zustandsgrößen. Wärme und Arbeit sind dagegen Prozessgrößen. Durch Zufuhr von Wärme kann sich die Temperatur eines Stoffs erhöhen.

Helium

2 4,00

HeAr

Im Internationa-len Einheitensystem sind sieben Basisein-heiten festgelegt, aus denen sich fast alle anderen Einheiten ableiten lassen.

Absolute Atommassen liegen im Bereich von 10–24 bis 10–21 g. Als Bezugsgröße für die relative Atommasse Ar wurde 1 } 12 der absoluten Masse des Kohlenstoffisotops 12C festgelegt.

u = 1 } 12 · mA( 12 6 C)

u = 1,66 · 10–24 g

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1.2.2 Gesetze, Modelle und Theorien in der Chemie

Gesetze

Wenn sich Zusammenhänge in der Natur unter gleichen Voraussetzun-gen immer wieder einstellen und damit für eine Gruppe von Objekten gelten, dann spricht man von gesetzmäßigen Zusammenhängen.

Ein naturwissenschaftliches Gesetz spiegelt einen wesentlichen Zu-sammenhang wider, der unter gleichen Bedingungen immer wie-der zu gleichen Ergebnissen führt.

Ein stets wirkender Zusammenhang bei chemischen Reaktionen be-steht darin, dass die Summe der Massen der Ausgangsstoffe gleich der Summe der Massen der Reaktionsprodukte ist. Dieser Zusammen-hang wird als Gesetz von der Erhaltung der Masse bezeichnet.

Wissenschaftliche Gesetze bestehen in den meisten Fällen aus Bedin-gungs- und Gesetzesaussagen. Die Bedingungen, unter denen ein Zu-sammenhang stets wirkt, nennt man Gültigkeitsbedingungen.

R. BOyl E und E. MARIOTTE fanden bei Untersuchungen von Gasen her-aus, dass das Produkt aus Druck und Volumen konstant ist. Das Gesetz von BOyl E und MARIOTTE gilt jedoch nur, wenn sich das Gas wie ein ideales Gas verhält und die Temperatur ebenfalls konstant ist.

p · V = konstant, wenn T = konstant

Da Gesetze für eine Klasse von Objekten gelten, werden zu ihrer Formu-lierung naturwissenschaftliche Fachbegriffe und Größen benutzt. Wenn die Zusammenhänge zwischen den Größen quantitativ darstellbar sind, dann werden die Gesetze in mathematischer Form erfasst.

1. Aus den Gesetzen von GAy-LUSSAC sowie von BOy LE und MARI-OTTE lässt sich die Zustandsgleichung der idealen Gase ableiten.

p · V = n · R · T R – universelle Gaskonstante (b S. 28)

2. Mithilfe der Gesetze der multiplen und konstanten Proportionen und des Gesetzes von der Erhaltung der Masse lassen sich Reak-tionsgleichungen aufstellen und die Stoffumsätze während der Reaktion quantitativ berechnen (b S. 31).

Dem Naturgesetz nahestehend sind Regeln, die ebenfalls wesentliche Zusammenhänge wiedergeben, aber nicht die strikte Gültigkeit von Ge-setzen haben.So sagt die RGT-Regel (b S. 135), dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung um 10 K verdoppelt bis verdreifacht. Diese Regel trifft jedoch nicht auf alle Reaktionen und nur auf bestimmte Temperaturintervalle zu.

Naturgesetze unterscheiden sich von juristischen Gesetzen dadurch, dass sie unabhängig vom Willen des Men-schen existieren und wirken. Juristische Gesetze sind vom Menschen willkürlich gesetzte, veränder-bare Normen.

Weitere Gasge-setze wurden von J. l . GAy-l USSAC (1778 – 1850) ent-deckt. Er wies nach, dass bei idealen Gasen der Druck und das Volumen propor-tional zur Tempera-tur sind:

1. V } T = konstant

bei p = konstant

2. p } T = konstant

bei V = konstant

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Modelle

Der Chemiker kann mit seinen Sinnesorganen bestimmte Erscheinungen erfassen, nicht jedoch die diesen Erscheinungen zugrunde liegenden Vorgänge, die auf submikroskopischer Ebene ablaufen. Das Lösen und Knüpfen chemischer Bindungen bleiben der unmittelbaren Beobach-tung auch mit modernen technischen Geräten verborgen.

Um dennoch Zusammenhänge erklären zu können, hat man Ersatzob-jekte geschaffen, die ausgewählte Eigenschaften des real existierenden Originals widerspiegeln. Diese Hilfsmittel dienen der Veranschaulichung von Vorgängen in der Natur, Gesetzen und Theorien, sind aber nur ver-einfachte Darstellungen der Wirklichkeit.

Ein Modell ist ein Ersatzobjekt zur Darstellung eines Originals, das nur ausgewählte Eigenschaften und Zusammenhänge des Origi-nals adäquat widerspiegelt. Von den übrigen Merkmalen des rea-len Objekts wird abgesehen.

Da ein Modell eine Vereinfachung ist, die nicht alle Eigenschaften des Originals erfassen kann, werden häufig verschiedene Modelle zum glei-chen Objekt, z. B. zur Darstellung eines Moleküls, geschaffen.Je mehr Eigenschaften des Originals richtig dargestellt werden, umso leistungsfähiger, aber auch umso komplizierter sind die Modelle. Man nutzt daher in der Naturwissenschaft immer das Modell, welches sich für die Erklärung eines Zusammenhangs am besten eignet.

Als Modelle in der Chemie können sowohl materielle (gegenständliche) Objekte als auch ideelle (gedankli-che) Vorstellungen dienen.

Modelle sind nur innerhalb bestimmter Grenzen gültig und zur Erklärung ausge-wählter Zusammen-hänge geeignet.

Modell Beispiel Methan Aussage Anwendung

SummenformelCH4

– atomare Zusammenset-zung der Molekülverbin-dung

– Reaktionsgleichun-gen und stöchiomet-rische Berechnungen

l ewis-Formel

– Anzahl und Art der Bindungen zwischen den Atomen

– Reaktionsschemata und Darstellung von Reaktionsmechanis-men

Kugel-Stab-Modell

– stark vereinfachte räumliche Struktur des Moleküls (Bindungsab-stand, Bindungswinkel)

– Darstellung der räumlichen Anord-nung der Atome in Molekülen und Festkörperstrukturen

Kalottenmodell – raumfüllende Struktur unter Berücksichtigung der Elektronendichte der chemischen Bindung

– Darstellung des Raumbedarfs des Moleküls und der Größenverhältnisse der Atome

C

H

H

H H

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Theorien

Ein System wissenschaftlich gesicherter Aussagen zu einem ausgewähl-ten Teilbereich der Chemie bezeichnet man als Theorie. Ein solches System beinhaltet verbale und mathematische Aussagen ebenso wie Definitionen, Gesetze und Modelle. Die Theorie muss entweder durch experimentelle Beobachtungen bestätigt oder durch andere bekannte Theorien begründet werden.

Die Theorie der chemischen Bindung enthält Aussagen über das Zu-standekommen der jeweiligen Bindungsart. Zur Veranschaulichung der Atombindung, Ionenbindung bzw. Metallbindung werden un-terschiedliche Modelle benutzt. Zur Erklärung der Atombindung ste-hen heute drei Modelle (b S. 79 ff.) zur Verfügung, die die Wirklich-keit in verschiedener Weise widerspiegeln. Die Bindungstheorie basiert z. B. auf dem gesetzmäßigen Bestre-ben der Materie nach einem stabilen energetischen Zustand, dem Energieerhaltungssatz und den quantentheoretischen Gesetzen zum Aufbau der Atomhülle.Die Theorie ist durch das empirische Wissen über Struktur-Eigen-schafts-Beziehungen chemischer Substanzen bestätigt. Aus der Bin-dungstheorie lassen sich Voraussagen über das Reaktionsverhalten und den praktischen Umgang mit Verbindungen ableiten.

Eine Theorie ist ein weitgehend gesichertes System von Gesetzen, Modellen und anderen wissenschaftlich begründeten Aussagen zu einem ausgewählten Teilbereich einer Naturwissenschaft.

Theorien stellen zu einem historischen Zeitpunkt zwar ein weitgehend gesichertes Wissen dar, können sich aber aufgrund neuerer wissenschaft-licher Erkenntnisse zumindest teilweise als falsch herausstellen.

1.2.3 Erkenntnisgewinn in der Chemie

Das hauptsächliche Ziel des Erkenntnisgewinns besteht darin, Erschei-nungen in der Natur theoretisch zu verstehen und die Theorie zum Nut-zen des Menschen anzuwenden. Die Entwicklung einer geschlossenen Theorie zu einem Teilgebiet der Chemie ist ein komplexer und oft lang-wieriger Prozess. Durch Analysieren beobachteter Erscheinungen leitet man eine Frage-stellung ab. Diese kann mithilfe der theoretischen Methode, z. B. durch Recherchieren in der wissenschaftlichen Literatur oder in anderen Wis-sensgebieten, beantwortet werden. In den Naturwissenschaften führt die Erkenntnis jedoch in erster Linie über das Experiment, mit dem wissenschaftliche Annahmen – die Hypo-thesen – überprüft werden. Wird die Hypothese experimentell bestätigt, kann daraus eine neue Erkenntnis abgeleitet werden. Aber auch wenn sich die Annahme als nicht zutreffend herausstellt, wird aus dem Experi-ment eine Erkenntnis gewonnen.

Naturwissen-schaftliche Theorien bauen oftmals aufein ander auf und sind dadurch mitein-ander verbunden, dass wichtige Gesetze Bestandteil mehrerer Theorien sind.

Wissenschaftliche Methoden sind Wege des Erkennens.

Die Wahl der geeigneten Methode ist von entscheiden-der Bedeutung im Erkenntnisprozess. In der modernen Chemie steht ein um-fangreiches Arsenal experimenteller und theoretischer Metho-den zur Verfügung.

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Eine Hypothese ist ein wissenschaftlich begründetes System von Aussagen über Objekte, Prozesse und Zusammenhänge, die noch nicht direkt beobachtet oder experimentell bestätigt werden konnten. Eine Hypothese unterscheidet sich von einer Theorie durch den noch ausstehenden wissenschaftlichen Beweis.

Eine falsche chemische Hypothese war die alchemistische „Phlogis-tontheorie“. Gestützt auf die Beobachtung, dass nicht alle Stoffe brennbar sind, wurde die Annahme aufgestellt, dass nur solche Stoffe verbrennen, die „Phlogiston“ enthalten. Diese Hypothese wurde ex-perimentell durch A. DE LAVOISIER (b S. 208) widerlegt. LAVOISIER wies mithilfe der Waage nach, dass die Masse der Feststoffe bei der Verbrennung durch Aufnahme von Sauerstoff während der Oxida-tion zunimmt.

Wissenschaft-liches Begründen heißt, sich auf relativ gesichertes Wissen, d. h. empirische Er-kenntnisse, bekannte Gesetze, Modelle und Theorien, zu beziehen.

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Basiskonzepte in der Chemie

Das Verständnis der Chemie ist nicht immer leicht und wird durch die Vernetzung mit den anderen Naturwissenschaften nicht einfacher. Des-halb haben Pädagogen versucht, die naturwissenschaftlichen Zusam-menhänge auf wenige Grundprinzipien zurückzuführen, die Basiskon-zepte genannt werden.Wegen ihrer zentralen Bedeutung sind die in der Tabelle aufgeführten fünf Basiskonzepte der Chemie auch in den „Einheitlichen Prüfungs-anforderungen in der Abiturprüfung für das Fach Chemie“ verankert.

Basiskonzept Anwendungsbeispiel

Stoff-Teilchen-Konzept

– Alle Stoffe sind aus submikros-kopisch kleinen Teilchen (Atome, Ionen, Moleküle) aufgebaut.

– Diese bilden in der Regel chemische Bindungen untereinander aus und lagern sich zu Teilchenverbänden mit spezifischen Stoffeigenschaften zusammen.

– Die Vielfalt der Stoffe ergibt sich aus den vielen Kombinationsmöglichkei-ten einer relativ kleinen Anzahl von Elementen.

– Das Stoff-Teilchen-Konzept über-schneidet sich teilweise mit dem Struktur-Eigenschafts-Konzept. Beim Stoff-Teilchen-Konzept wird bewusst zwischen den erfahrbaren Eigenschaften auf Stoffebene und deren Deutung auf Teilchenebene getrennt.

Die Eigenschaften der Goldatome bedingen die Stoffeigenschaften des Edelmetalls

Struktur-Eigenschafts-Konzept

– Die Eigenschaften der Stoffe sind abhängig von der Art der Teilchen, ihrer Anordnung und den Wechsel-wirkungen zwischen ihnen.

– Die chemische Bindung und die daraus resultierende Struktur der Teilchenverbände bedingen die Stoffeigenschaften und damit auch die Anwendungsmöglichkeiten aller Stoffe.

Struktur und Eigenschaften von Salzen

Stoffebene (sichtbarer Bereich)

Stoff Gold

Teilchenebene(nicht sichtbarer Bereich)

Goldatome (Teilchen)

glänzend

fest

chemisch beständig

sind elektrisch neutral

bilden regelmäßigesAtomgitter

geben Elektronen ab

elektrisch leitfähig

besitzen 79 Protonenund 79 Elektronen

IonenkristallSalze sindkristallineFeststoffe.

positiv undnegativ ge-

ladene Ionen

Salze sindhart, sprödeund nichtverbrennbar.

starke elektro-statische

Anziehungs-kräfte zwischen

Anionen undKationen

regelmäßigeAnordnung

der Ionenin dreidimen-

sionalen Gittern

Lösungen undSchmelzen vonSalzen leitenden elektrischenStrom

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Basiskonzept Anwendungsbeispiel

Energie-Konzept

– Energie ist in unterschiedlicher Form in allen Stoffen gespeichert. Das Maß der gespeicherten chemischen Energie ist eine charakteristische Stoffgröße.

– Bei chemischen Reaktionen laufen die Stoffumwandlung und Energie-umwandlung gleichzeitig ab. Dabei kann Energie, z. B. Wärme, an die Umgebung abgegeben oder von ihr aufgenommen werden.

– Im Allgemeinen streben Teilchen und Stoffe danach, einen Zustand minimaler Energie und maximaler Entropie zu erreichen.

Energieumwandlung bei exothermen Reaktionen

Konzept der Reaktionsgeschwindigkeit und des chemischen Gleichgewichts

– Chemische Reaktionen laufen in unterschiedlicher Geschwindigkeit ab. Diese hängt u. a. von der Art und Anzahl der Teilchen sowie den Bedingungen der Reaktion ab.

– Der Austausch von Teilchen und Energie ist prinzipiell immer mög-lich, sodass chemische Reaktionen grundsätzlich umkehrbar sind.

– Unter bestimmten Voraussetzun-gen stellt sich nach einiger Zeit ein definiertes Konzentrationsverhältnis ein, das charakteris tisch für das chemische Gleichgewicht ist.

Reaktionsgeschwindigkeits-Zeit-Diagramm bei Gleichgewichtsreaktionen

Donator-Akzeptor-Konzept

– Bei allen chemischen Reaktionen erfolgt eine Umgruppierung der Teilchen oder ein Übergang von Elementarteilchen, z. B. Elek tronen oder Protonen.

– Teilchen oder Energie, die von einem Partner, dem Donator (lat.: donator – Geber), abgegeben wer-den, nimmt der andere Partner, der Akzeptor (lat.: acceptor – Empfän-ger), auf.

Säure-Base-Reaktionen als Donator-Akzeptor-Reaktionen

– Säuren sind Protonendonatoren (D). Sie geben Protonen ab, die von Basen (Protonenakzepto-ren, A) aufgenommen werden.

– Bei Säure-Base-Reaktionen stehen immer zwei korrepondierende Säure-Base-Paare miteinan-der im Gleichgewicht.

E

Reaktionsverlauf

Reaktions-wärme Q = – n kJ(exotherm)

Energie derProdukte

Energie der Edukte

Aktivierungs-energie EA

vHin

vRück

|vHin| = |vRück|

vR

tEinstellzeit Gleichgewicht

Säure(1)+

H+

korrespondierend

H+

+aBase(2) Base(1) Säure(2)

D(1) A(2) A(1) D(2)

korrespondierend

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11.2 Instrumentelle Analyseverfahren

Detektoren bei der Säulenchroma-tografie können UV-VIS-Fotometer (b S. 478), Kondukto-meter (b S. 469) und noch viele weitere Geräte sein, mit de-nen die Zusammen-setzung der mobilen Phase gemessen werden kann.

mobilePhase

Pumpe Injektor Säule Detektor PC oder Schreiber

0,051,35

Aufbau einer HPLC-Anlage

Die Aufgabe der flüssigen Probe erfolgt mit einer Spritze in den Injektor, wo sie von der mobilen Phase aufgenommen wird. Nach der Trennung in der Säule erreichen die einzelnen Substanzen nacheinander den De-tektor, der die Zusammensetzung der mobilen Phase misst und so an-zeigt, zu welchem Zeitpunkt ein Stoff die Säule verlassen hat. Für jede Komponente erhält man einen „Peak“. Das Chromatogramm besteht aus mehreren Peaks, aus denen man die Art und die Konzentration der getrennten Stoffe bestimmen kann.

Der qualitative Nachweis wird über die Retentionszeit geführt, die sich aus der Verzögerung er-gibt, mit der ein Analyt die Trenn-strecke zwischen Injektor und Detektor passiert. Wie bei der Dünnschichtchromatografie ar-beitet man mit Standards, um die Retentionszeiten für alle Kompo-nenten zu ermitteln. Die Konzen-tration der Analyten wird aus der Fläche unter dem Peak berechnet. Je größer der Anteil der Kompo-nente in der Probe ist, desto grö-ßer wird der Peak. Um die quanti-tative Bestimmung so genau wie möglich zu führen, kalibriert man die Methode mit Standards be-kannter Zusammensetzung.Auf diese Weise kann man speziell mit der HPLC eine sehr genaue und zuverlässige qualitative und quantitative Analyse durchführen, die auto-matisierbar und für viele analytische Zwecke einsetzbar ist.Mithilfe der HPLC können Spuren von Dioxinen in Bodenproben oder in Lebensmitteln nachgewiesen werden. Die Konzentration von Doping-mitteln, wie Erythropoietin (Epo) im Blut von Sportlern, wird ebenfalls mittels HPLC bestimmt. Die Methode findet auch in der Arzneistoffanalytik viele Anwendungen. So kann z. B. die Alterung von Aspirin® untersucht werden, indem man das Verhältnis von Acetylsalicylsäure (b S. 422) und der Salicylsäure chro-matografisch analysiert. Auch andere Verunreinigungen und Abbaupro-dukte des Präparats werden auf diese Weise zuverlässig nachgewiesen.

Retentionszeiten tRt in min

Sig

nal

hö

he Benzen

Auswertung des Chromatogramms

Toluen

Isomere des Xylens

A – PeakflächeA ~ c(Analyt)A

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11 Analyseverfahren476

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Gaschromatografie (GC)

Die Gaschromatografie ist ein Trennverfahren für Stoffgemische, die gasförmig sind oder sich unzersetzt in die Gasphase als mobile Phase überführen lassen. Als stationäre Phase dient ein Feststoff oder eine flüssige Phase.

Die gaschromatografische Trennung beginnt mit dem Einspritzen der Probe in den Injektor. Flüssige Proben werden dort verdampft und vom Trägergasstrom durch die Trennsäule transportiert. Die Trennung der Komponenten erfolgt hauptsächlich aufgrund ihrer unterschiedlichen Siedetemperaturen und gegebenenfalls ihrer Polarität.Auf diese Weise getrennt, erreichen die einzelnen Substanzen nach-einander das Säulenende. Dort befindet sich ein Detektor, der z. B. durch Messung der Wärmeleitfähigkeit Änderungen der Zusammensetzung der mobilen Phase anzeigt und diese an eine Auswerteeinheit, in der Regel einen Computer, weitergibt. Aus der unterschiedlichen Retentions-zeit der Komponenten ergibt sich ein Gaschromatogramm. Anhand der Fläche unterhalb der Peaks kann man die Anteile der einzelnen Kompo-nenten im Probengemisch ermitteln.

Man verwendet heute hauptsächlich leistungsfähige Kapillarsäulen für die Trennung der Gase. Kapillarsäulen sind 15 – 300 m lang und haben einen Innendurchmesser von nur 0,1 – 1 mm. Sie sind innen mit einem sehr dünnen Film (0,1 – 5 µm) einer Trennflüssigkeit, z. B. Siliconöle oder Paraffine, als stationärer Phase beschichtet. An solchen Säulen können sogar Isomere (b S. 265) getrennt werden, deren Siedetemperaturen sehr dicht beieinanderliegen.Mithilfe der Kapillar-GC können in der Umweltanalytik Gemische aus mehr als 20 verschiedenen aliphatischen oder aromatischen Kohlenwas-serstoffen (z. B. PCBs, PAKs, b S. 301) getrennt werden. Die Anwendungs-breite der Gaschromatografie reicht von der organischen Elementar-analyse (b S. 464), wo die Anteile an CO2, H2O und N2 in der Gasphase chromatografisch bestimmt werden, bis zur Analyse des Blutalkohol-gehalts. Auch Drogen wie Cannabis oder Kokain lassen sich noch lange Zeit nach ihrer Konsumierung gaschromatografisch nachweisen.

tR(B) tR(C)tR(A)

CF4

CH4

CCl4

t in min

SignalhöheInjektorVentil

Säulenofen

Aufbau eines Gaschromatographen

Gasvorrat

Säule

Detektor

PC

1,35

Als mobile Phase (Trägergas) eignen sich He, N2, Ar, H2 und CO2.

Die Siedetem-peraturen der ana lysierten Stoffe sollten zwischen 40 und 300 °C liegen. Viele schwerer flüchtige Verbindun-gen wandelt man in leichter flüchtige Derivate um, um sie gaschromatografisch zu untersuchen.

Gepackte Säulen enthalten einen Feststoff als statio-näre Phase. Sie sind 0,5 – 10 m lang und haben einen Durch-messer von 1 – 5 mm. Die Trennleistung ist deutlich schlechter als bei Kapillarsäulen.

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477

11


11.2.3 Spektroskopische Analysemethoden

Bei spektroskopischen Analysemethoden wird die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit Materie, d. h. den Teilchen (Atomen, Molekülen oder Ionen) der Analysenprobe, gemessen.

Prinzipiell sind folgende Wechselwirkungen zwischen Materie und Strah-lung möglich: – Durch Absorption von Strahlung einer bestimmten Wellenlänge wird ein Übergang in ein höheres Energieniveau angeregt (b S. 53), z. B. UV-VIS- oder Atomabsorptionsspektroskopie.

– Bei der Emission sendet eine angeregte Probe beim Übergang in ein tieferes Energieniveau selbst elektromagnetische Strahlung aus, z. B. Flammenfotometrie, Fluoreszenz und Phosphoreszenz.

– Streuung der Strahlung geeigneter Wellenlänge – Reflexion, Brechung oder Änderung der Polarisation (Polarimetrie)

Absorptions- und Emissionsmessungen über einen bestimmten Ener-giebereich haben gemeinsam, dass durch Wechselwirkung von Materie mit elektromagnetischer Strahlung ein Spektrum erhalten wird. Durch Absorption wird die Intensität der Strahlung bei einer oder mehreren Wellenlängen verringert. Dagegen wird Strahlung emittiert, wenn Elek-tronen die durch Absorption aufgenommene Energie in Form von Licht wieder abgeben. Aus der Intensität und der Wellenlänge der absorbier-ten bzw. emittierten Strahlung kann man Schlussfolgerungen zur quan-titativen Zusammensetzung und Struktur der Probe ziehen.

Energie

Inte

nsi

tät allgemeine Form

eines Spektrums

dm-Bereich

Energiezunahme

Spektrum der elektromagnetischen Strahlung

Radiowellen Mikrowellen Infrarot (IR) sichtbaresund UV-Licht

Röntgen-strahlung

˜ -Strahlung(radioaktiv)

mm-Bereich 3 ·10–5 bis7,8 · 10–7 m

780 – 390 nm 10 nm – 0,1 nm < 0,1 nm390 – 10 nm

100

° in

m

10–1 10–3 10– 6 10– 9 10–10

Die Energie E der elektromagnetischen Strahlung hängt von ihrer Wellenlänge λ bzw. Frequenz ν ab.

E = h · νc = λ · ν

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11

UV-VIS-Spektroskopie

Ein kleiner Ausschnitt der elektromagnetischen Strahlung sind das ul-traviolette Licht (UV: λ = 10 – 390 nm) und der sichtbare Bereich (VIS: λ = 380 – 790 nm). Strahlung dieser Wellenlänge kann durch viele orga-nische Moleküle absorbiert werden, u. a. durch alle farbigen Verbin-dungen. Im UV-VIS-Bereich werden nur die Bindungselektronen von Molekülen zu Übergängen angeregt, da sie am weitesten vom Atom-kern entfernt sind. Dadurch wird Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbiert und im Spektrum ein eine Absorptionsbande erhalten. Den für die Absorption verantwortlichen Teil eines Moleküls nennt man Chro-mophor. Je mehr Chromophore ein Molekül enthält, desto langwelliger wird das Absorptionsmaximum der Verbindung. Wird das chromophore System eines Moleküls durch äußere Einflüsse verändert, so verschieben sich die Absorptionsbanden. Einfluss haben beispielsweise der pH-Wert und das verwendete Lösungsmittel. Man spricht dann von bathochromer (längerwellig, Richtung rot) bzw. hypso-chromer Verschiebung (kurzwellig, Richtung blau).

Die UV-VIS-Spektroskopie ist eine elektronenspektroskopische Me-thode, bei der die Absorption von sichtbarem und UV-Licht haupt-sächlich durch organische Moleküle gemessen wird. Sie wird zur qualitativen und zur quantitativen Analyse eingesetzt.

Es werden zwei unterschiedliche Gerätetypen benutzt: – Mit einem Spektrometer wird Licht über einen Wellenlängenbereich von 200 – 850 nm eingestrahlt und Absorptionsspektren werden aufge-nommen. Man unterscheidet Ein- und Zweistrahlgeräte. Bei letzteren wird geichzeitig ein Strahl durch die Probe und ein zweiter durch ein Gefäß, das nur das Lösungsmittel enthält, gestrahlt. Der so erhaltene Blindwert wird vom Messwert abgezogen, sodass auch Elektronen-übergänge geringer Intensität detektiert werden.

– Mit einem Fotometer vermisst man nur ganz bestimmte Wellenlängen, bei denen man eine Absorption vermutet. Da keine Spektren aufge-nommen werden können, wird dieses Gerät hauptsächlich zur quan-titativen Analyse eingesetzt. Prinzipiell sind mit geeigneten Filtern Messungen im gesamten UV-VIS-Bereich möglich.

UV-VIS-Lichtquelle

Aufbau eines UV-VIS-Spektrometers

Monochromator(drehbar)

Spalt Quarz- oderGlasküvette

Empfänger(Fotozelle)

Datenaufnahme,Auswertung undAnzeige

Probe

In UV-VIS-Spektren sind nur Übergänge aus den π- in die π*- oder aus den n- in die π*-MOs gut zu sehen.

Licht einer einzigen definierten Wellenlänge nennt man monochroma-tisches Licht. Strahlt man Licht über einen Wellenlängenbereich ein, so spricht man von polychromati-schem Licht.

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479

11


Da die Spektren im UV-Bereich in der Regel nur wenige Banden auf-weisen und eine Spektroskopie im sichtbaren Bereich nur bei farbigen Substanzen möglich ist, wird die UV-VIS-Spektroskopie seltener für qua-litative Nachweise genutzt. Sehr genau und zuverlässig sind aber quan-titative Bestimmungen durch Fotometrie, insbesondere von farbigen Substanzen, durchführbar.Durchdringt ein Lichtstrahl eine homogene Probelösung, so verliert er infolge Absorption A an Intensität. Die Intensitätsabnahme ist nach dem Lambert-Beer-Gesetz proportional zur Konzentration der Lösung und der Schichtdicke der Probe, die das Licht durchdringen muss.

l ambert-Beer-Gesetz

E = lg l0 } l = ε · c · d

Das Lambert-Beer-Gesetz gilt bei Verwendung monochromatischen Lichts und für klare verdünnte Lösungen in einem Extinktionsbereich von etwa 0,2 bis 0,8. Durch Aufnahme einer Kalibriergeraden ermittelt man grafisch die zu jeder Konzentration gehörende Extinktion. Der An-stieg der Geraden entspricht dem Extinktionskoeffizienten ε und ist bei einer bestimmten Temperatur, Lösungsmittel und Wellenlänge des ein-gestrahlten Lichts eine stoffspezifische Konstante.

Die Fotometrie kann zur Analyse aller farbigen, löslichen Substanzen, z. B. Farbstoffe, anorganische und organische Komplexverbindungen, eingesetzt werden. Aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und Reprodu-zierbarkeit nutzt man sie vielfach in der Lebensmittel-, Arzneistoff- und Umweltanalytik, z. B. zur quantitativen Bestimmung von Riboflavin (Vit-amin B 2) in Multivitamingetränken.Mithilfe eines UV-Fotometers kann man auch farblose Molekülverbin-dungen, die Absorptionen zwischen 200 und 400 nm aufweisen, quanti-tativ analysieren. So wird z. B. der Benzoesäuregehalt (Konservierungs-stoff E210) in Lebensmitteln mit dieser Methode bestimmt.

E = ExtinktionI0 = Intensität des eingestrahlten LichtsI = Intensität des Lichts nach Durch- strahlung der Probec = Konzentration der Probelösungε = molarer Extinktionskoeffizientd = Schichtdicke der Küvette

Küvette

Probe

I

I0

d

E = lg

E

Proben-konzentration

Messwert

c(Analyt)

Intensität I0 Intensität I

Als Probengefäße werden Küvetten eingesetzt. Die Schichtdicke d ergibt sich aus der Breite der inneren Küvette.

Bei Messungen im UV-Bereich müssen Küvetten aus Quarz benutzt werden, da normales Glas selbst UV-Licht absorbiert.

Die fotometrisch analysierten Stoffe müssen gar nicht selbst farbig sein, sondern können auch mit einem Reagenz zum Farbstoff umge-setzt werden, dessen Konzentration dann bestimmt wird.

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11

Wichtige strukturanalytische Methoden

Bei der Strukturanalyse wird die räumliche Anordnung von Ato-men, Molekülen und Ionen in chemischen Verbindungen und die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen untersucht. Dazu nutzt man verschiedene spektroskopische, röntgenografische oder an-dere physikalische Analysemethoden.

Mithilfe spektroskopischer Methoden erhält man beispielsweise Infor-mationen zum Bau organischer Moleküle, ihrer Geometrie und den Bin-dungsverhältnissen. Die Röntgenstrukturanalyse liefert dagegen Daten zur Struktur kristalliner organischer und anorganischer Feststoffe. Die Ergebnisse strukturanalytischer Untersuchungen werden in großen Datenbanken zusammengefasst und gespeichert. Durch Vergleich ih-rer experimentell erhaltenen Spektren bzw. Röntgenanalysen mit den gespeicherten Daten können Chemiker schnell und einfach fast alle be-kannten Reinstoffe eindeutig identifizieren.Darüber hinaus können mithilfe der verschiedenen physikalischen Analy-sevrfahren noch viele weitere Erkenntnisse gewonnen werden (b Tab.).

Die Röntgen-strukturanalyse und die Massenspek-trometrie sind im Gegensatz zur Inf-rarot- und zur NMR-Spektroskopie keine spektroskopischen Analysemethoden.

Wichtige strukturanalytische Verfahren

Verfahren Prinzip Informationen

Röntgenstruk-turanalyse(Einkristall- oder Pulveranalyse)

– Bestrahlung von kristallinen Fest-stoffen mit Röntgen-, Neutro-nen- oder Synchrotronstrahlung definierter Wellenlänge

– Beugung der Strahlen am Kris-tallgitter und Aufnahme eines für die Struktur des Festkörpers charakteristischen Beugungs-musters

– Auswertung des Beugungs-musters anhand physikalischer Gesetzmäßigkeiten und Ableiten von Schlussfolgerungen zur Struktur, Reinheit und Kristallini-tät des Feststoffs

– Aufklärung der Struktur unbe-kannter kristalliner Feststoffe, z. B. von Eiweißen, Nucleinsäu-ren oder anorganischen Verbin-dungen, hauptsächlich durch Analyse von Einkristallen

– Berechnung der Elementarzelle (Gitterkonstanten, Symmetrie) und der geometrischen Anord-nung der Atome und/oder Ionen in Einkristallen oder pulverförmi-gen Feststoffen

– Identifizierung von kristallinen Stoffen auch in Stoffgemischen durch Vergleich experimentell erhaltener Beugungsmuster mit tabellierten Daten (Phasenana-lyse)

– Bestimmung der quantitativen Anteile verschiedener Feststoffe in Phasengemischen

– Ermittlung von Partikelgrößen und Materialfehlern in Werkstof-fen, z. B. bei der Qualitätskont-rolle in der Metallurgie und der Bauindustrie

9783411045945_Buch.indb 480 20.07.15 16:39

481

11


Verfahren Prinzip Informationen

Massenspektro-metrie

– Verdampfung und Ionisierung hauptsächlich von Molekülver-bindungen im Hochvakuum

– Beschuss der Moleküle mit Elekt-ronen zur Erzeugung verschiede-ner Molekül-Ionen (Bruchstücke bzw. Fragmente)

– Auftrennung der geladenen Fragmente im Magnetfeld und Aufnahme eines für die Verbindung charakteristischen Fragmentierungsmusters („Mas-senspektrum“)

– Ableiten von Schlussfolgerungen zur Molekülstruktur aus dem Fragmentierungsmuster

– exakte Bestimmung der Mole-külmasse von Verbindungen und der Atommasse von Isotopen

– Aufklärung der Struktur von organischen Molekülen durch Nachweis von „Schlüsselbruch-stücken“, die z. B. speziellen funktionellen Gruppen zugeord-net werden können

– Identifizierung von Reinstoffen durch Vergleich der experimen-teller „Massenspektren“ mit Daten in Spektrenbibliotheken

– Nachweis und quantitative Ana-lyse von Substanzen in Stoffge-mischen, z. B. in der Kriminalistik

Kernresonanz-spektroskopie (NMR: nuclear magnetic reso-nance)

und Kernspintomo-grafie(MRT: Magnet-resonanztomo-grafie)

– Einbringen geeigneter Flüssig-keiten, Lösungen oder Feststoffe in ein starkes äußeres Magnet-feld

– magnetische Wechselwirkungen NMR-aktiver Atomkerne (unge-rade Ordnungs- bzw. Massen-zahl) mit dem äußeren Feld

– Absorption hochfrequenter elek-tromagnetischer Strahlung in Abhängigkeit von der elektroni-schen Umgebung der Atomkerne

– Aufnahme eines für die Verbin-dung charakteristischen NMR-Resonanzspektrums

– Auswerten des NMR-Spektrums und Ableiten von Schlussfolge-rungen zur Struktur von Molekü-len bzw. Feststoffen

– Aufklärung der Struktur hauptsächlich von organischen Molekülen mithilfe der 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie durch: Nachweis von Mehrfachbindun-gen und funktionellen Gruppen

– Identifizierung von Reinstoffen durch Vergleich mit Daten in Spektrenbibliotheken

– Untersuchung der elektroni-schen Umgebung von NMR-ak-tiven Atomen in anorganischen Festkörpern

– Erzeugung von Schnittbildern eines Körpers in der Magnetre-sonanztomografie (MRT) durch Analyse des Wassergehalts im Gewebe; Diagnose von Krebser-krankungen usw. in der Medizin

Infrarot-Spektroskopie(IR-Spektrosko-pie)

– Bestrahlung hauptsächlich von Molekülverbindungen mit IR-Strahlung (780 nm < λ < 1000 µm)

– Anregung von Molekülschwin-gungen durch Absorption von Strahlung

– Aufnahme eines für die Verbin-dung charakteristischen Absorp-tionsspektrums

– Ableiten von Schlussfolgerungen zur Struktur der Verbindungen aus der Wellenlänge und Intensi-tät der absorbierten IR-Strahlung

– Aufklärung der Struktur von IR-aktiven Molekülen durch: Nachweis von Mehrfachbindun-gen oder funktionellen Gruppen

– Identifizierung von Reinstoffen durch Vergleich der experimen-teller IR-Spektren mit Daten in Spektrenbibliotheken

– Identifizierung von Kunststoffen und Abfällen in Recyclinganla-gen anhand der IR-Reflexion

9783411045945_Buch.indb 481 20.07.15 16:39

482 Überblick

11

Wissenstest 11 abrufbar auf www.lernhelfer.de oder mit der Lernhelfer-App

Chemische Analytik

Die chemische Analytik beschäftigt sich mit der Identifizierung der Bestandteile und der Bestimmung der Zusammensetzung von Rein-stoffen und Stoffgemischen sowie der Aufklärung der Struktur von Verbindungen. Dementsprechend unterscheidet man drei Teilgebiete der analytischen Chemie.

qualitative Analytik Strukturaufklärung

analytische Chemie

quantitative Analytik

Teilgebiet Ziel Wichtige Methoden

QualitativeAnalytik

– Identifizierung von Elementen (Atome oder Ionen) bzw. funk-tionellen Gruppen in reinen Stoffen

– Trennung von Stoffgemischen und Identifizierung aller oder nur einzelner Bestandteile des Gemisches

– Vorproben– Fällungsreaktionen– Farbreaktionen – chromatografische Methoden

(z. B. DC, SC, HPLC)– Elektrophorese– Röntgenbeugung

(Phasenanalyse)– Massenspektrometrie– IR- und NMR-Spektroskopie

QuantitativeAnalytik

– genaue Bestimmung der quan-titativen Zusammensetzung von Reinstoffen

– genaue Gehaltsbestimmung eines oder mehrerer Bestand-teile eines Stoffgemisches

– quantitative Elementaranalyse organischer und anorganischer Stoffe

– Säure-Base-, Redox- oder Kom-plextitration

– elektrochemische Verfahren (z. B. Potenziometrie, Konduk-tometrie)

– chromatografische Methoden (z. B. GC, HPLC)

– Fotometrie– Massenspektrometrie– IR-Spektroskopie

Strukturaufklärung – Bestimmung der räumlichen Anordnung von Atomen, Ionen und Molekülen in chemischen Verbindungen

– Ableiten von Schlussfolgerun-gen zu den Eigenschaften der Verbindungen

– Nachweis von Strukturelemen-ten und funktionellen Gruppen spektroskopische Verfahren

– Röntgenstrukturanalyse von kristallinen Feststoffen

9783411045945_Buch.indb 482 20.07.15 16:39

Anhang A

9783411045945_Buch.indb 483 20.07.15 16:39

Anhang484

A

Periodensystem der Elemente

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9783411045945_Buch.indb 484 20.07.15 16:39

485Register

A

Register

Aα-Helixstruktur 344, 367Abbruchreaktion 375Abgaskatalysator 142, 240,

446Abgasreinigung 427, 429abgeschlossenes System 111Abscheidepotenzial 164, 166absolute Größen 13absoluter Nullpunkt 120Absorption 473, 477Abwasserreinigung 453Acetylsalicylsäure 419Acidität 313, 324Actinoide 75Addition 285, 286Adenosintriphosphat (ATP)

352Adrenalin 304Adsorption 473Aggregatzustand 113Akkumulatoren 157, 164aktives Zentrum 352aktivierter Komplex 136Aktivierungsenergie 135,

143, 274Aktivität 141, 354Aldehyde 319, 328, 449Aldohexosen 330Aldosen 330Alizarin 407Alkali-Mangan-Batterie 156Alkalimetalle 459Alkanale 328Alkane 289, 292, 306Alkanole 312, 314Alkene 87, 291, 295, 306,

438Alkine 291, 297, 306Alkohole 312, 328alkoholische Gärung 314,

362 Alkylbenzene 302Alkylpolyglucoside 414Aluminium 223, 396, 432Aluminiumoxid 228, 432Amalgam 242Ameisensäure 323

Amidbindung 373Amine 310, 328Aminosäuren 340 ff., 358Aminosäuresequenz 344Ammoniak 92, 310, 423, 451Ammoniaksynthese 142, 178Ampholyte 197, 207Amylopektin 335Amylose 335Analytik 217, 466angeregter Zustand 53, 85Anilin 311Anionen 96Anode 151, 154, 430, 433Anomalie des Wassers 107Anomere 269, 331Anthracen 300Anthrachinonfarbstoffe

407, 417Antiauxochrome 405, 417Antibiotika 420, 453Aquakomplexe 250Äquivalenzpunkt 199Arbeit 110, 111Aromaten 298 ff., 306, 438Arrhenius-Gleichung

135, 143ARRHENIUS, SVANTE 79, 135,

184Arzneimittel 418 ff.Arzneistoffsynthese 422Aspirin 326, 422Assimilation 351, 357, 368asymmetrisches Kohlenstoff-

atom 268Atmosphäre 441, 444, 449,

456atmosphärische Fixierung

443Atmung 359, 361, 368Atombindung 70, 108Atome 34, 50, 76Atomgitter 90Atommodelle 50, 63

– bohrsches 52 – nach BOHR und SOMMER-FELD 54

– quantenmechanisches 56 – rutherfordsches 34, 51

Atomorbitale 60Atomradius 67, 194

Atomreaktor 42Aufbauprinzip 61, 63Aufenthaltswahrscheinlich-

keit 56Aufstellen chemischer Reak-

tionsgleichungen 31Ausbeute 32, 171, 176, 325Auswerten 20äußerer lichtelektrische

Effekt 55Autoabgase 449Autobatterie 157Auxochrome 405, 417AVOGADRO, AMADEO 27Azofarbstoffe 407, 417

Bβ-Carotin 404β-Faltblattstruktur 344Badspannung 162BAEKELAND, LEO 371BAEy ER, ADOLF VON 406,

462BALMER, JOHANN 52Bändermodell 103Bandlücke 104Basen 184

– harte 253 – schwache 189 – starke 189 – weiche 253

Basenkonstante 189Basiskonzepte 18Basizität 310 f.Batterietypen 156Bayer-Prozess 432BECQUEREL, HENRI 51Begriff 11Begründen 20Beizenfärbung 409Benetzung 412Benzaldehyd 320Benzen (Benzol) 298, 301,

439Benzensulfonsäure 304Benzin 436, 437Benzoesäure 326Benzpyren 300Beobachten 20Berechnungen von pH-Wer-

ten 192

9783411045945_Buch.indb 485 20.07.15 16:39

Anhang486

A

BERGIUS, FRIEDRICH 293BERZELIUS, Jö NS 140, 343Beschreiben 20Betonverarbeitung 206Beurteilen 20Bewerten 20Bier 363Bindemittel 387Bindungsspaltung 272Bindungswertigkeit 71Bindungswinkel 93Bioakkumulation 452Bioethanol 364biogene Amine 342biogene Aminosäuren 340Biokatalyse 256, 352Biokraftstoffe 364biologisch abbaubare Poly-

mere 386, 391, 415biologische Fixierung 443biologische Oxidation 361Biosphäre 441, 456Biozide 452, 455Blasformen 384Blei 455Bleiakkumulator 157Bleichmittel 415Bleigläser 401Boden 454 f.bodennahes Ozon 449Bodenschadstoffe 454BOHR, NIELS 52BOLTZMANN, LUDWIG 134Bombenkalorimeter 117Born-Haber-Kreisprozess 98,

118BORN, MAX 56Borosilicatgläser 401BOSCH, CARL 423Boudouard-Gleichgewicht

175BOy LE, ROBERT 14, 184Brennstoffzelle 158 f.Brenzkatechin 317BROGLIE, LOUIS DE 55Brom 285Brönsted-Basen 185BRø NSTED, JOHANNES 184,

271Brönsted-Lowry-Theorie 185Brönsted-Säuren 185

Bronze 397Bruttoreaktionsgleichung

132BTX-Aromaten 439Butylkautschuk 376

CCadmium 242, 455CALVIN, MELVIN 356Calvin-Zyklus 356Carbonsäurederivate 322,

327Carbonsäuren 322, 328Carbonyl-Gruppe 287Carbonylaktivität 327Carbonylreaktionen 287Carbonylverbindungen 319Carboxy-Gruppe 322Carboxylat-Ion 324, 325Cellulose 336CHADWICK, JAMES 41, 51LE CHATELIER, HENRI 174Chelateffekt 253Chelatkomplexe 409Chemie 8, 10Chemiefasern 387chemische Bindung 16,

108 ff.chemisches Gleichgewicht

– Beeinflussung 174, 182 – Einstellung 169 – Merkmale 170, 182

chemische Reaktionen 8Chemotherapeutika 420chirale Verbindungen 268,

278Chloralkali-Elektrolyse 430Chlorkohlenwasserstoffe

309Chlorophyll 256, 355Chlorwasserstoff 91Chrom 237Chromatografie 472Chromophore 417, 478chromophore Gruppen 405cis-trans-Isomerie 269, 296Citronensäurezyklus 360,

365Cobalt 240Coenzyme 352Copolymere 381

coulombsches Gesetz 100Cracken

– katalytisches 295, 436CRICK, FRANCIS 366Cyanine 404Cycloalkane 294Cyclohexa-1,3,5-trien 299

DDALTON, JOHN 50, 78Daniell-Element 155DANIELL, JOHN 155DAVy, HUMPHRy 221d-Block-Elemente 73

– Darstellung 233 – Eigenschaften 236 – Verwendung 236

DDT (Dichlordiphenyltrichlor-ethan) 304

Definieren 20Definition 11Dehydratisierung 286Dehydrierung 286, 292Dehydrochlorierung 286delokalisiertes Elektronen-

system 89, 299, 404DEMOKRIT 50Denaturierung 348, 352DeNOx-Prozess 447Desorption 473Desoxyribonucleinsäure

(DNA) 366Diamant 90dichteste Kugelpackung 99,

104Dieselöl 436Diethylether 318Dioxine 305, 390Dipol 99, 105Dipol-Dipol-Wechselwirkun-

gen 105, 383Direktfärbung 408Disaccharide 334, 350diskretes Energieniveau 53Diskutieren 21Dispersion 412Disproportionierung 214,

375, 427Dissimilation 351, 359, 368Dissoziationsgrad 145Disulfidbrücken 345

9783411045945_Buch.indb 486 20.07.15 16:39

487Register

A

Dö BEREINER, JOHANN 64Donator-Akzeptor-Konzept

19, 184Donator-Akzeptor-Reaktion

185, 209Doppelbindung 88, 287Doppelhelix 367Doppelkontaktverfahren

428Downcycling 389Dreifachbindung 89, 297Druckabhängigkeit 175Düngemittel 426, 443, 455Dünnschichtchromatografie

473Durchschnittsgeschwindig-

keit 129, 143Duroplaste 371, 381, 393

EEdelgase 223Edelgaskonfiguration 68,

79, 220Edelstähle 395effektive Kernladung 67Einelektronensystemen 59Einfachbindungen 289EINSTEIN, ALBERT 55Einstein-Gleichung 39Einstellzeit 169Eisen 239Eiweiße 350, 358Elastomere 371, 393Elektrochemie 144 ff.

– Analysemethoden 466 – Doppelschicht 146 – Gleichgewicht 152 – Spannungsreihe 150 – Zellen 151

Elektroden 145 – 1. Art 145 – 2. Art 148 – Potenzial 146, 166

Elektrolyse 154, 162, 166, 220, 235, 430

Elektrolyte 144Elektronegativität 69, 91,

194, 262Elektronenaffinität 69Elektronenakzeptor 209Elektronendichte 56

Elektronendonator 209Elektronengasmodell 102Elektronenkonfiguration 60,

62, 96Elektronenpaarabstoßungs-

modell (VSEPR-Modell) 93Elektronenpaarakzeptor 248Elektronenpaarbindung 79Elektronenpaardonator 248Elektronenschale 52 f.Elektronensextett 298Elektronenübergang 403,

478Elektronenübertragungs-

reaktionen 208, 218elektronische Effekte 262,

284, 324Elektrophile 271elektrophile Addition 282,

285, 288, 295elektrophile Substitution

139, 282 f., 288, 299Elektrophorese 470Elektrotauchlackierung 165Element 10, 65Elementaranalyse 464Elementarreaktionen 133Elementarteilchen 34Elemente 34

– Hauptgruppenelemente 220 ff.

– Nebengruppenelemente 236 ff.

Eliminierung 286, 288Eloxal-Verfahren 396Emaillieren 161Emission 477Emulgatoren 413Emulsion 410Enantiomere 268endergonische Reaktionen

123, 124endotherme Reaktionen 111Energie 19, 110Energiediagramm 275, 276,

277, 299Energieerhaltungssatz 110Energie-Konzept 19Energieniveau 52, 56, 73Energieniveau 61Enthalpie 114 ff.

Entropie 120 ff.Entschwefelung 437Entwickeln von Redox-

gleichungen 212Entwicklungsfärbung 408Enzymaktivität 354Enzyme 352, 368, 415, 419Erdgas 293, 434Erdöl 292, 434Erdölverarbeitung 434 ff.Erklären 21Erläutern 21Ernährungspyramide 348ERTL, GERHARD 424Erythropoietin (EPO) 475essenzielle Fettsäuren 338essenzielle Aminosäuren 340Essigsäure 323, 364Ester 325Ethan 87, 293Ethanol 314, 362Ethen 296Ether 318Ethin 89, 297Ethylendiamintetraacetat

(EDTA) 257Eutrophierung 416, 451exergonische Reaktionen

123exotherme Reaktionen 111Experiment 16, 22

– Auswertung 25 – Durchführung 24 – Vorbereitung 23

Extinktion 479Extraktion 439Extruder 384

FFällungsreaktion 460Faraday-Konstante 163FARADAy, MICHAEL 163faradaysche Gesetze 163Farbmittel 385, 404Farbreaktionen 460 f.Farbstoffe 404, 417Fasern 387Faserproteine 347Faserverbundwerkstoffe 388f-Block-Elemente 75Fehlerbetrachtung 25

9783411045945_Buch.indb 487 20.07.15 16:39

Anhang488

A

fehlingsche Probe 332, 463Fette 325, 337 ff., 350, 357Fetthärtung 339Fettsäuren 323, 337Feuerverzinken 161FISCHER, EMIL 268, 352FISCHER, HANS 355Fischer-Projektion 261, 264,

268Flammenfärbung 459Fluorchlorkohlenwasser-

stoffe 448Fluorchlorkohlenwasser-

stoffe (FCKW) 309, 448Fluorkohlenwasserstoffe

(FKW) 309Folgereaktionen 138Formalladungen 80fossile Energieträger 216,

292Fotografie 255Fotometrie 479Fotophosphorylierung 355Fotosmog 449Fotosynthese 355, 451Fraktionierkolonne 435, 436FRANCK, JAMES 53Frasch-Verfahren 222freie Enthalpie 123 ff.freie Standardreaktionsen-

thalpie 124 ff.Freiwilligkeit chemischer

Reaktionen 119, 122FRESENIUS, CARL 460Friedel-Crafts-Alkylierung

303Fructose 332, 334Füllstoffe 385funktionelle Gruppen 287,

307Funktionsisomerie 266Furanose 332

GGALVANI, LUIGI 152Galvanische Prozesse 166galvanische Zelle 152, 158Galvanisieren 161, 165Gärung 314, 362, 368Gaschromatografie 476Gasgesetze 14

Gegenstrom 426, 429Gegenstromprinzip 439, 440gekoppelte Gleichgewichte

181Gelelektrophorese 471genetischer Code 367Geosphäre 441, 456Gesamtentropie 122gesättigte Kohlenwasser-

stoffe 289gesättigte Lösung 179geschlossenes System 111,

168geschlossene Stoffkreisläufe

440Geschwindigkeit chemischer

Reaktionen 128 ff.geschwindigkeitsbestimmen-

der Schritt 133Geschwindigkeitsgesetze

130, 132Geschwindigkeitskonstante

130Gesetze 14

– der konstanten Wärme-summen 118

– der multiplen und kons-tanten Proportionen 14

– von Boyle und Mariotte 14

– von der Erhaltung der Masse 14

Gibbs-Helmholtz-Gleichung 123, 126, 127

Gift 418Gips 447Gitterenergie 98, 100, 229Gittertypen 99, 104Glaselektrode 467Gläser 400 f.Glasfasern 388Glasübergangstemperatur

383, 400Gleichgewichtskonstante

170 ff., 189, 213, 252Gleichgewichtskonzentration

170Gleichgewichts-Konzept 19Gleichgewichtsreaktion 168,

189, 213, 252, 325

Globally Harmonised System of Classification and Labelling (GHS) 23

Glucose 331, 355Glycerol (Glycerin) 315, 337Glykogen 335, 357Glykol 315Glykolyse 357, 359, 362glykosidische Bindung 334Gold 241Grafit 90grenzflächenaktive Stoffe

410, 417Grenzflächenkondensation

373GRIGNARD, VICTOR 308Größen 12Grundgleichung der Wärme-

lehre 112Grundwasser 450Grundzustand 53, 85Grüner Punkt 390GULDBERG, CATO 170Gusseisen 239, 394Guttapercha 382

HHABER, FRITZ 423Haftatome 246HAHN, OTTO 41Halbacetale 331Halbbesetzung 68, 73Halbleiter 144Halbmetalle 72Halbwertszeit 36, 37, 48Halbzelle 151Halogenalkane 308, 328, 444Halogenatome 308Halogene 223Halogenide 229 ff.Halogenierung 274, 285,

292, 301Halogenkohlenwasserstoffe

308, 328, 444Halogenverbindungen

229 ff., 308, 328, 444Halogenwasserstoffe 285Hämoglobin 239, 256Harnstoffzyklus 358Hauptbindungsarten 78 ff.,

108

9783411045945_Buch.indb 488 20.07.15 16:39

489Register

A

Hauptgruppen 66 ff.Hauptgruppenelemente

220, 232Hauptquantenzahl 54, 57,

60I. Hauptsatz der Thermody-

namik 114 ff., 127II. Hauptsatz der Thermody-

namik 119 ff. 127III. Hauptsatz der Thermody-

namik 120Haworth-Projektion 264HEISENBERG, WERNER 55heisenbergsche Unschärfere-

lation 55Heizöl 293Henderson-Hasselbalch-Glei-

chung 203HERTZ, GUSTAV 53HESS, HENRI 118Heteroaromaten 300heterogene Katalyse 141heterolytische Bindungsspal-

tung 210, 272heterotrophe Assimilation

357, 368Hilfsstoffe 385Hinreaktion 169Hochleistungsflüssigkeits-

chromatografie (HPLC) 474

Hochofenprozess 394Hock-Verfahren 316homogene Katalyse 141homologe Reihe 292, 297,

306, 322homolytische Bindungsspal-

tung 210, 272HÜCKEL, ERICH 298Hückel-Regel 298Humus 454HUND, FRIEDRICH 61hundsche Regel 61, 63Hybridisierung 86 ff., 230Hybridorbitale 86Hydratation 100, 229Hydratationsenthalpie 100Hydratisomerie 251Hydrierung 299, 339Hydrochinon 317Hydrocracken 390

Hydrohalogenierung 285Hydrolyse 226, 390, 398Hydronium-Ionen 186hydrophil 410, 417hydrophob 293, 399, 410,

417Hydrosphäre 441, 456Hypothese 17, 78

IIndigo 406, 408Indikatoren 405, 407induktiver Effekt 262, 284,

324industrielle Fixierung 443induzierter Dipol 106Infrarot-Spektroskopie 481Infrarotstrahlung 445Inhibitor 376innere Energie 114Internationales Einheitensys-

tem (SI-System) 13Interpretieren 21Inversion 278Ionenbindung 70, 96, 108,

345Ionenelektroden 145Ionenleitung 144Ionenkristall 96Ionenprodukt des Wassers

186, 207ionenselektive Elektroden

148, 466ionische Polymerisation 376Ionisierungsenergie 68isoelektrischer Punkt 342Isomerie 251, 265, 294, 329,

382Isomerisierung 292Isotope 34, 48IUPAC 260, 289, 283, 338

JJOULE, JAMES 112

KKalibrierung 467, 470Kalkseifen 411Kalkstein 447Kalorimetrie 117Kalottenmodell 15

Kapillarelektrophorese 471Kapillarsäule 476Kästchenschreibweise 62Katalysator 140, 143, 177,

424, 437, 440katalytisches Cracken 436Kationen 96Katode 151, 154, 430, 433katodische Tauchlackierung

165KEKULÉ, FRIEDRICH AUGUST

VON 78, 298keramische Werkstoffe 402Keratin 347Kernbindungsenergie 40Kernfusion 39, 43, 48Kernkraft 35Kernkraftwerk 42Kernladungszahl 34Kernreaktionen 36 ff.Kernresonanzspektroskopie

(NMR-Spektroskopie) 481Kernspaltung 41, 48Kernspintomografie 481Kernumwandlungen 39Kerzenwachs 293Keto-Enol-Tautomerie 267,

333Ketone 321Ketosen 330 ff.Kettenabbruchreaktion 274Kettenfortpflanzungsreak-

tion 274Kettenreaktion 41, 274, 374Kettenstart 374Kettenübertragungsreaktion

376Kettenwachstumsreaktion

374Kinetik 128 ff., 143KIRCHHOFF, GUSTAV 52KKK-Regel 302Kläranlagen 453Klärschlamm 453Klassifizieren 21Klebstoffe 379, 387Klopffestigkeit 318, 437Knallgasreaktion 122, 168Knopfzellen 156Knotenfläche 58Kohle 434

9783411045945_Buch.indb 489 20.07.15 16:39

Anhang490

A

Kohlenhydrate 329 ff., 350, 357

Kohlenstoff 90, 222Kohlenstoffdioxid 228, 441,

446Kohlenstofffasern 388Kohlenstoffkreislauf 441,

445Kohlenstoffmonooxid 228Kohlenwasserstoffe 289,

306, 434 – aromatische 300 – gesättigte 292 – ungesättigte 291, 295

Kohleveredlung 293, 439Kollagen 347Komplementärfarbe 403Komplexbildungskonstante

252Komplexbindung 248, 258Komplexchemie 246 ff.Komplexgleichgewicht 251Komplexometrie 257Komplexverbindungen

246 ff., 247, 258, 282 – Bedeutung 255 – Eigenschaften 248 – Farbigkeit 250 – Stabilität 250, 253 – Struktur 248 f. – Wasserlöslichkeit 250

Kondensation 287kondensierte Aromaten 300Konduktometrie 469Konfiguration 258Konfiguration nach Cahn,

Ingold und Prelog 269Konfigurationsisomerie

268 ff.Konformationsisomere 270konjugierte Doppelbindun-

gen 88, 404Konkurrenzreaktionen 281Konservierungsstoffe 323,

326Konstitutionsisomere 266,

269, 294, 330Kontaktofen 425, 427Kontaktverfahren 428kontinuierliche Arbeitsweise

430, 440

Konvertierungsgleichgewicht 172

Konzentration 29Konzentrationsabhängigkeit

176 f.Konzentrationskette 153Konzentrations-Zeit-

Diagramm 129Konzept der Reaktionsge-

schwindigkeit und des Gleichgewichts 19

Koordinationszahl 97, 246korrespondierende Redox-

paare 209, 218korrespondierende Säure-

Base-Paare 188Korrosion 160, 239Korrosionsschutz 161Korund 227Kosmetik 409, 413kovalente Bindung 79 ff., 84Kraftwerke 42, 447KREBS, HANS 360Kreislauf des Kohlenstoffs

441Kreislauf des Stickstoffs 443Kreislauf des Wassers 450Kreislaufprinzip 423, 430,

440Kristallviolett 407Kryolith 432Kugelpackungen 99, 104Kugel-Stab-Modell 15kumulierte Doppelbindun-

gen 88Kunststoffabfälle 389, 452Kunststoffe 393

– Eigenschaften 380 – in der Medizin 386 – Struktur 380 – Verarbeitung 384 – Verwertung 389

Kunststoffmüll 389, 452Kunststoffverwertung

– energetisch 390 – rohstofflich 390 – werkstofflich 389

Küpenfärbung 408Kupfer 241, 397Kupplungsreaktion 409Kurzperiodensystem 66

lLacke 161, 387Ladungsmenge 163Lage chemischer Gleichge-

wichte 170, 182Lambert-Beer-Gesetz 479Langperiodensystem 66, 484Lanthanoide 75Lanthanoidenkontraktion 75LAVOISIER, ANTOINE DE 17,

184, 208LCAO-Methode 82Lebensmittelfarbstoffe 406Lebensmittelindustrie 217Lebensmittelkonservierungs-

stoffe 323, 326Legierungen 161, 239, 394,

396Leitfähigkeit 103, 469Leitfähigkeitsititration 469Leitungsband 103Leitwert 469Lewis-Basen 204Lewis-Formel 15, 264LEWIS, GILBERT NEWTON 79,

204Lewis-Modell 81Lewis-Säuren 204, 302Lichtgeschwindigkeit 39lichtabhängige Reaktion 355lichtunabhängige Reaktion

356LIEBIG, JUSTUS VON 184, 464Liganden 246, 258Ligandenaustausch-

reaktionen 250, 252Linolsäure 338Linolensäure 338Lipide 339lipophil 293, 410lipophob 293, 410Lithiumbatterien 156Lithium-Ionen-Akkumulator

157Lokalelement 160Löslichkeit 101, 179, 459Löslichkeitsprodukt 179Lösungsmittel 101, 279 LOWRy, THOMAS 185Luft 444 ff.Luftschadstoffe 447 ff.

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491Register

A

MMagnesium 223Magnesiumseifen 411Magnetquantenzahl 57, 60Magnetresonanztomografie

(MRT) 481Makrolon 372Makromoleküle 370 ff, 381Malachitgrün 407Mangan 238MARIOTTE, EDME 14Markovnikov-Regel 285Maskierung 251Massenanteil 28, 29Massendefekt 39Massenkonzentration 29Massenspektrometrie 481Massenwirkungsgesetz 170,

176, 178, 182Massenzahl 34Materiewellenlänge 55Mayonnaise 413Mechanismus 137 ff., 276Medizin 255, 386, 418Mehrelektronensystem 59Mehrfachbindungen 87 ff.mehrwertige Alkohole 315mehrwertige Säuren 191Membranverfahren 430, 431MENDELEJEW, DIMITRIJ 64mesomere Grenzstrukturen

263, 299, 404mesomere Grenzformeln 80,

299mesomerer Effekt 263, 315Mesomerieenergie 298 f.Messing 397Metallbindung 102, 108Metalle 72, 102, 394Metallelektroden 145Metallgitter 102Metallothermie 236Metallurgie 217Methan 293Methanol 314Methoden 20 f.Methylbutan 294MEy ER, LOTHAR 64Micellen 413, 417Michaelis-Menten-Gleichung

354

Milchsäure 323Mischungsgleichung 30Mischungsrechnen 30MITTASCH, ALWIN 424Modelle 15

– der harten und weichen Säuren und Basen 252

– zur Darstellung von Mole-külen 264

– Atommodelle 50 ff., 63Modifikationen 90molare Masse 27molares Volumen 27Moleküle 11Molekülorbitaltheorie 81,

82, 403Molybdän 237Momentangeschwindigkeit

129, 143Monoalkylsulfate 414Monomere 370, 380Monosaccharide 329, 350Morphin 422MOSELEy, HENRy 65Müllverbrennung 390Muskelkater 365Mutarotation 331

Nnachwachsende Rohstoffe

336, 391Nachweisreaktionen 460

– anorganischer Ionen 460 – ausgewählter funktionel-ler Gruppen 462

– von Naturstoffen 463 – für ungesättigte Kohlen-wasserstoffe 295

– ungesättigter Verbindun-gen 462

– von Aldehyden 463 – von Alkoholen 463 – von Halogenverbindun-gen 462

– von Phenolen 463Nanotechnologie 243Nanotubes 90Naphthalin 300Natrium 223Natriumchlorid 97, 430Natronlauge 430

NATTA, GIULIO 383Naturkautschuk 382natürliche Farbstoffe 406Naturstoffe 329 ff., 350Naturwissenschaften 9Nebengruppen 66Nebengruppenelemente 73,

233, 245Nebenquantenzahl 54, 57,

60nernstsche Gleichung 146,

166NERNST, WALTHER 146, 472Neutralisation 112, 198Neutronen 34NEWLANDS, JOHN 64Newman-Projektion 261Nichtmetalle 72Nichtoxidkeramik 402Nickel 240, 397Nicotinsäureamiddinucleotid

(NAD+) 352Nitrate 452Nitrierung 301, 302, 315Nitrifikation 443nivellierender Effekt des

Wassers 189Nomenklatur 283

– Aldehyde 319 – Alkohole 312 – Amine 310 – Carbonsäure 322 – Ether 318 – Halogenalkane 308 – Ketone 321 – Kohlenwasserstoffe 289 ff.

– Komplexverbindungen 247

Nucleinsäuren 333, 366Nucleobasen 366Nucleophile 271, 310nucleophile Addition 287,

319, 321nucleophile Substitution

133, 276, 288Nucleotide 366Nucleotidsequenz 367Nukleonen 34, 48Nuklid 34, 48Nylon 373

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Anhang492

A

OOberflächeneffekt 243Oberflächengewässer 452offenes System 111Oktanzahl 437Oktettaufweitung 248, 258Oktettregel 79Oleum 428ö lsäure 338Omega-Fettsäuren 338Operatoren 20 f.Opferanode 161optischer Drehwert 268Orbitale 57, 63Ordnungsgrad 119, 383Ordnungszahl 34organische Elementaranalyse

464, 476Ostwald, Friedrich 140, 426Oxidation 208, 222Oxidationszahl 210 f., 218oxidative Phosphorylierung

361Oxide 226, 233, 234

– Bedeutung 228 – Eigenschaften 228 – ionische 226 – kovalente 227

Oxidkeramik 402Oxonium-Ionen 186Oxosäuren 195Ozon 448Ozonschicht 448

Pπ-Bindungen 88 ff.π-Elektronensystem 263,

298, 300, 417π-Komplex 282Palladium 240PARACELSUS, THEOPHRASTUS

418Parallelreaktionen 139Partialdruck 28Partialladung 70, 91, 262Patina 397PAULING, LINUS 70, 85, 102Pauli-Prinzip 61, 63PAULI, WOLFGANG 61PEARSON, ROBERT 253Penicillin 420

Pentanatriumtriphosphat 414

Peptidbindung 343Peptide 343 ff.Periode 66Periodensystem der

Elemente 65, 76, 484Periodizität der Eigenschaf-

ten 67, 76Perlon 373permanenter Dipol 91, 105Petrochemie 434, 438PETTENKOFER, MAX VON 64Pharmaka 421, 453PHB-Ester 326pH-Diagramme 198Phenole 315, 328

– dreiwertig 317 – zweiwertig 317

Phenolphthalein 405, 407Phlogistontheorie 17pH-Meter 467Phospholipide 339pH-Sprung 200Phthalsäure 326pH-Wert 186, 187, 192, 200,

207, 354, 459Physik 8Pigmente 387, 404Pikrinsäure 315pKB-Werte 190pKS-Werte 190PLANCK, MAX 52, 55Platin 240pOH-Wert 207polare Atombindungen 91Polarität 472Polyacrylnitril 375Polyaddition 370, 393Polyamide 372, 373polychlorierte Biphenyle

(PCB) 305polycyclische aromatische

Kohlenwasserstoffe (PAK) 300

Polyene 404, 417Polyester 371, 392Polyethylen 374, 375Polyethylenterephthalat

(PET) 371Polyharnstoff 378

Polyhydroxybutyrat (PHB) 392

Polykondensation 370, 371, 393

Polymerisation 295, 370, 374, 393

– anionische 376 – ionische 376 – kationische 376

Polymerisationsgrad 383Polymermatrix 388Polysaccharide 335 ff., 350Polystyrol 375Polyurethane 378Polyvinylchlorid (PVC) 375Porzellan 402potenzialbestimmender

Schritt 148Potenziometrie 200, 466potenziometrische Titration

468primäre Alkohole 312Primärstruktur 344, 366, 380Primärzellen 155Prinzip des kleinsten Zwangs

(Prinzip von LE CHATE-LIER) 174, 175, 423, 440

Promotion 85Propan 293Propan-1,2,3-triol (Glycerol,

Glycerin) 315, 337Proteinbiosynthese 358, 366Proteine 342 ff., 350

– Einteilung 346 – Struktur 344

Protokoll 26Protolyse 185 ff.Protonen 34, 185Protonenakzeptoren 207Protonendonator 185Protonendonatoren 207Protonenübertragungs-

reaktionen 207Prozessgrößen 13, 115Pufferkapazität 203Pufferlösungen 202Purpur 406Pyranose 331, 332Pyridin 300Pyrolyse 295, 390, 438Pyruvat 359

9783411045945_Buch.indb 492 20.07.15 16:39

493Register

A

Qqualitative Analyse 458, 482Quantenzahlen 54, 63, 82quantitative Analyse 464,

482quantitative organische

Elementaranalyse 464Quartärstruktur 345Quarzglas 400Quecksilber 242, 455

Rradikalische Polymerisation

374radikalische Substitution 288radioaktive Strahlung 36, 48radioaktiver Zerfall 36Radiokarbonmethode 37Raffination 233, 235, 434Raffinerie 434Raketentreibstoffe 216Rauchgasreinigung 447räumliche Struktur 81, 84,

93, 249Reagenz 271, 280Reaktion 1. Ordnung 131,

277Reaktion 2. Ordnung 276Reaktionsbedingungen 174,

175, 281Reaktionsenthalpie 115 ff.Reaktionsgeschwindigkeit

129, 143, 169, 253, 423Reaktionsmechanismus 137,

273, 276 ff., 279, 282Reaktionsordnung 131, 276,

277Reaktionstypen in der orga-

nischen Chemie 288Reaktivfärbung 409Recycling

– von Aluminium 433 – von Glas 400 – von Kunststoffen 389

Redoxamphoterie 214Redoxgleichgewichte 213Redoxpotenzial 213, 430Redoxreaktionen 154, 166,

208, 273 – Anwendungen 216 – pH-Abhängigkeit 215

Redoxreihe 150Redoxtitration 217Reduktion 208, 220Reduktionsmittel 209Reduktionsverfahren 221Reformieren (Reforming) 437Regeln 14

– RGT-Regel 134 – 18-Valenzelekronenregel 258

– zur Ermittlung von Oxida-tionszahlen 211

– zur Nomenklatur 247, 283, 289, 308, 310, 312, 318, 319, 322

Regler 376Reinigungsmittel 205, 410Rektifikationskolonne 435,

439relative Größen 13Replikation 367Resonanzenergie 299Resorcin 317Resorption 421Retention 278, 473Retentionsfaktor 473Retentionszeit 475reversible Reaktionen 168,

207Ribonucleinsäure (RNA) 366Roheisen 394Rohöldestillation 434, 435Rohrreiniger 206Röntgenstrukturanalyse 480Rosten 160Röst- und Reduktionspro-

zesse 217, 234Rückreaktion 169Rumpfelektronen 62RUTHERFORD, ERNEST 39, 51

Sσ-Bindung 87σ-Komplex 282Sägebockschreibweise 261Salicylsäure 326Salpetersäure 426Salze 99 ff.Sanierung von Gewässern

451Satz von HESS 118, 127

Sauerstoff 223Sauerstoffkorrosion 239Sauerstoffzehrung 451Säulenchromatografie 474Säureanhydride 227Säure-Base-Begriff 184Säure-Base-Gleichgewicht

186 ff.Säure-Base-Indikator 200Säure-Base-Paare

– korrespondierende 190Säure-Base-Reaktion 185,

188, 207Säure-Base-Theorie nach

LEWIS 204Säure-Base-Titration 23, 198Säurekonstante 189Säuren 184, 324, 446

– hart 253 – schwache 189 – starke 189 – weich 253

saurer Regen 446Säurestärke 194, 315Säure und Basen im Alltag

205Schadstoffe

– im Boden 454 – in der Luft 446 – in Gewässern 456

Schalenmodell 63SCHEELE, CARL 337Schiffs´ Reagenz 463Schlüssel-Schloss-Prinzip 352,

368, 419Schlussfolgern 21Schmelzflusselektrolyse 221,

432Schmelzspinnen 373SCHRö DINGER, ERWIN 56SCHWARZENBACH, GEROLD

257Schwefel 222, 223Schwefeldioxid 228, 446Schwefelsäure 428Schwefelsäuremonoalkyl-

ester 414Schwefelwasserstoff 451Schwermetalle 452, 455Schweröle 436Seifen 411

9783411045945_Buch.indb 493 20.07.15 16:39

Anhang494

A

sekundäre Alkohole 312Sekundärstruktur 344, 380Selektivität 141, 352SERTÜRNER, FRIEDRICH 418Sessel- und Wannenform

264sichtbares Licht 403SIDGWICK, VINCENT 248Silber 241, 397Silicate 401Silicatkeramik 402Silicium 221, 223Siliciumdioxid 228, 400Silicone 398Siliconkautschuk 399Skelettformel 260, 264SMALLEy, RICHARD 90SN1-Reaktionen 277 ff.SN2-Reaktionen 276 ff.SOMMERFELD, ARNOLD 54Sonnenstrahlung 445Sorbit 315Spannungsreihe 150Spektralanalyse 52Spektroskopie 477 ff.Spektrum der elektromagne-

tischen Strahlung 477Spezialwaschmittel 416Spiegelbildisomere 268Spinpaarungsenergie 68Spinquantenzahl 57Sprengstoffe 426Spritzgießen 384Spurengase 444SSS-Regel 302Stabilisatoren 385Stabilität

– kinetische 252 – thermodynamische 123, 252

Stahl 239, 394Stahlerzeugung 395Stahllegierungen 239Standardbedingungen 115,

147, 149Standardelektrodenpoten-

zial 147Standardreaktionsenthalpie

116 ff.Standardreaktionsentropie

121 ff.

Standardredoxpotenziale 213

Standardwasserstoffelek-trode 149

Standardzustand 115Stärke 335Stärke von Säuren und Basen

189Startreaktion 274, 374STAUDINGER, HERMANN 370Steamcracken 438Steamreforming 424Stellungsisomerie 266Stereochemie 278Stereoisomerie 268, 330, 382Stickstoffdioxid 228, 446Stickstoffdüngemittel 426,

443Stickstoffkreislauf 443Stickstoffoxide 446Stöchiometrie 27, 31Stoffkreisläufe 441 ff.Stoffmenge 27Stoffmengenanteil 28Stoffmengenkonzentration

29Stoff-Teilchen-Konzept 18Stoffwechsel 351, 368Stoßtheorie 134STRASSMANN, FRITZ 41Stratosphäre 444, 448Stromschlüssel 151Strukturanalyse 480Strukturaufklärung 482Struktur-Eigenschafts-

Konzept 18Strukturformeln 15, 260, 264Strukturprotein 347Styropor 386Substituenteneffekt 263Substitution 274 ff.

– nucleophile 276 ff., 292 – radikalische 274 f., 292

Substrat 271, 279, 352Substratspezifität 352Summenformel 11, 15, 260,

264s- und p-Block-Elemente

– Darstellung 221 – Eigenschaften 223 – Verbindungen 224

Süßwasser 450Synthese von

– Aluminium 432 – Ammoniak 423 – Chlor und Natronlauge 430

– Eisen und Stahl 234 – Hauptgruppenelementen 221

– Nebengruppenelementen 224

– Salpetersäure 426 – Schwefelsäure 142, 428

Synthesegaserzeugung 424synthetische Farbstoffe 407synthetische Polymere 370

TTaktizität 382technische Arbeitsprinzipien

440Teilgebiete der Chemie 9temporärer Dipol 106Tenside 410 ff., 417Terephthalsäure 326tertiäre Alkohole 312Tertiärstruktur 345, 380, 383Tetraeder 86, 294, 401Theorien 16Thermodynamik 110 ff.thermodynamische Systeme

111Thermoplaste 371, 381, 384,

385, 393THOMSON, JOSEPH 50THOMSON, WILLIAM

(LORD KELVIN) 119Titration 201

– konduktometrische 469 – potenziometrische 468 – einer schwachen Säure mit einer starken Base 201

– einer starken Säure mit einer starken Base 199

Titrationskurve 201Tollens-Probe 463Toluen (Toluol, Methyl-

benzen) 302, 439Ton 401Trägerelektrophorese 470

9783411045945_Buch.indb 494 20.07.15 16:39

495Register

A

Treibhauseffekt 445 – anthropogener 445 – natürlicher 445

Treibhausgase 445Trinkwasser 450, 452Triphenylmethanfarbstoffe

407Trivialnamen 260Tropopause 444Troposphäre 444Tyndall-Effekt 413

UÜbergänge 478Übergangszustand 136Überlappung 84Überspannung 162, 430Umgebung 111Umkehrbarkeit chemischer

Reaktionen 168 ff.Umschmelzen 389Umweltbereiche 441, 456unedle Metalle 150Unschärferelation 55unverzweigte Alkane 261,

289Uran 41Urknall 44UV-Fotometer 479UV-Licht 445UV-Strahlung 448UV-VIS-Spektroskopie 478 f.

VVakuumdestillation 435Valence-Bond-Theorie

(VB-Theorie) 84 ff.Valenzband 103Valenzbindungstheorie 81Valenzelektronen 62, 248Valenzelektronenkonfigura-

tion 62, 224, 24518-Valenzelekronenregel

258Valenzelektronenzahl 210Valenzisomerie 267Valenzstrichformeln 80Vanadium 236Van-der-Waals-Kräfte 105,

345, 383Vanillin 320

VAN`T HOFF, JACOBUS 135Verbindungen 220

– ionische 232 – kovalente 232 – höherer Ordnung 248

Verbrennung fossiler Brenn-stoffe 446

Verbrennungsenthalpie 117Verbundwerkstoffe 388vereinfachte Ionengleichung

212vereinfachte Strukturformeln

260, 264Veresterung 287, 325Vergaserkraftstoff 437Vergleichen 21Verhältnisformel 465Verpackungen 386, 396Verseifung 337Verteilungsgleichgewicht

472Verwertung von Kunststof-

fen 389 f.unverzweigte Alkane 261,

290Vitamine 349Volumenanteil 28Volumenarbeit 113Volumeneffekt 243Voraussagen 21Vorproben 458VSEPR-Modell (EPA-Modell)

93

WWAAGE, PETER 170Wanderungsgeschwindigkeit

470Wärme 110, 111, 112Wärmekapazität 112Wärmetauscher 425, 440waschaktive Substanzen 412Waschmittel 414Waschvorgang 412Wasser

– Anomalie 106 – Ionenprodukt 186 – Reaktionen 72, 185, 220 – Struktur 92, 94

Wasserenthärter 401, 414Wasserhärte 257

Wasserkreislauf 450Wasserschadstoffe 452Wasserstoff 223Wasserstoffbrückenbindun-

gen 106, 280, 313, 316, 336, 344, 367, 383

WATSON, JAMES 366Weichmacher 326, 385Wein 363Wellenfunktion 56Welle-Teilchen-Dualismus 55Werkstoffe 370 ff.werkstoffliche Verwertung

389WERNER, ALFRED 246Wertigkeit 71WILLSTÄTTER, RICHARD 355wirksamer Zusammenstoß

134Wirkungsspezifität 352Wirkungsweise technischer

Katalysatoren 142Wolfram 237

xXylene 439

ZZEEMAN, PIETER 57Zellatmung 359, 361Zellspannung 152, 166Zement 401Zentralatom 246Zentralteilchen 258Zeolithe 414Zersetzungsspannung 166ZIEGLER, KARL 383Zink 242, 397Zinn 397Zucker 329Zusammensetzungsgrößen

28Zustandsgleichung der idea-

len Gase 14, 113Zustandsgrößen 13, 115zwischenmolekulare Wech-

selwirkungen 105, 336, 344, 367, 381

Zwitterionen 342, 411

9783411045945_Buch.indb 495 20.07.15 16:39

Anhang496

A

Bildquellenverzeichnis

AVA Abfallverwertung Augsburg GmbH 390 / 2; BASF, Ludwigshafen 370 / 1, 392 / 3, 392 / 4; Bibliographisches Institut GmbH, Mannheim 384 / 3, 384 / 4, 403 / 1, 406 / 2, 446 / 1, 452 / 1, 455 / 1; Bibliographisches Institut, Berlin / Bildarchiv Paturi 432 / 1; Bibliographisches Institut, Berlin / Jürgen Cullmann 242 / 1; Bibliographisches Institut, Berlin / Prof. Dr. Andreas Tönnesmann 401 / 1; Biedermann A., Berlin 255 / 1, 256 / 1; Böhler Edelstahl, Kapfenberg 234 / 1; CERN 33 / 1; CORBIS / Royalty-Free 43 / 1, 387 / 2; Corel Photos Inc. 8 / 1, 18 / 1; Cornelsen Schulverlage GmbH 43 / 1, 363 / 1, 444 / 1, 454 / 1; Directmedia Publishing 10 / 1; Döring, V., Hohen Neuendorf 183 / 1; Flad & Flad Communication Group 244 / 1; © Akova – Fotolia.com 373 / 1; © BoL – Fotolia.com 373 / 1; © digitalstock – Fotolia.com 369 / 1, © Esther Hildebrandt – Fotolia.com 395 / 1; © Olivier DELAy E – Fotolia.com 381 / 1; © Kay Ransom – Fotolia.com 49 / 1; © Kaspars Grinvalds – Fotolia.com 409 / 1; © ksena32 – Fotolia.com 255 / 2; © osmar01 – Fotolia.com 305 / 1; © Santje – Fotolia.com 413 / 1; © Stocksnapper – Fotolia.com 394 / 3; © suzannmeer – Fotolia.com 483 / 1; © Swapan – Fotolia.com 156 / 2, © Tanguy de Saint Cyr – Fotolia.com 441 / 1; © Valua Vitaly – Fotolia.com 399 / 1; Priv.-Doz. Dr. J. Frank, Universität Hohenheim, Institut für Biologische Chemie, Stuttgart 471 / 1; Henkel-Werksarchiv 414 / 1; H-TEC Wasserstoff-Energie 17 / 1; PD Dr. B. Kaiser TU, Darmstadt 18 / 2; Kali und Salz GmbH, Kassel 231 / 1; Kessler-Medien, Saarbrücken 167 / 1; Dr. Roland Knauer, Berlin 326 / 1; Dr. R. König, Preetz 219 / 1; G. Liesenberg, Berlin 416 / 1; Werkfoto Lurgi AG 428 / 1; B. Mah-ler, Fotograf, Berlin 9 / 1, 237 / 1, 372 / 2; H. Mahler, Fotograf, Berlin 24 / 1, 72 / 2, 205 / 1, 206 / 1, 229 / 1, 238 / 1, 241 / 2, 250 / 1, 250 / 2 a und b, 251 / 1 a und b, 254 / 1 a und b, 254 / 2 a und b, 257 / 1, 295 / 1, 301 / 1, 329 / 1, 334 / 1, 334 / 2, 334 / 3, 348 / 1, 350 / 1, 350 / 2, 350 / 3, 374 / 1, 375 / 1, 406 / 1, 410 / 1 a bis 1 c, 416 / 2, 457 / 1, 458 / 1, 459 / 1, 459 / 2, 461 / 1, 461 / 2 a und b, 461 / 3 a und b, 461 / 4 a und b, 461 / 5 a und b, 462 / 1; Mannesmann Dematic AG, Wetter 394 / 1; MesseBerlin GmbH und BDLI / Chris Sorensen 396 / 2; MEV Verlag, Augsburg 7 / 1, 8 / 2, 11 / 1, 109 / 1, 156 / 1, 161 / 1, 242 / 2, 259 / 1, 371 / 1, 372 / 1, 378 / 1, 379 / 1, 379 / 2, 382 / 1, 388 / 1, 389 / 1, 396 / 1, 401 / 2, 404 / 1, 418 / 1, 419 / 1, 419 / 1, 421 / 2; Prof. L. Meyer, Potsdam 237 / 2, 394 / 2; NASA 8 / 3, 47 / 1, 216 / 2; Z. Neuls, Berlin 321 / 1, 400 / 1; NOVAMONT S.P.A 391 / 2 a bis 2 c; 392 / 1, 392 / 5; Photo Disc. Inc. 56 / 1, 236 / 1, 239 / 1, 241 / 1, 268 / 1; 297 / 1, 348 / 2, 397 / 1, 402 / 1; Phywe Systeme GmbH & Co. KG, Göttingen 56 / 2; pyroweb 217 / 1; B. Raum, Neuenhagen 77 / 1; rebbelpeddler chocolate cards 14 / 1, 78 / 1, 152 / 1; Roche Deutsch-land Holding GmbH 421 / 1; Prof. Dr. G. Frhr. von Salis-Soglio, Leipzig 386 / 1; SCHOTT, Mainz 244 / 2; W. Schreier, Leipzig 41 / 1; Siemens AG, München 10 / 2, 10 / 3, 42 / 1; V. Torgau, Halle 390 / 1; Volkswagen Presse 165 / 1; Volkswagen AG 387 / 1; Wacker Siltronic AG Burghausen 221 / 1; wpr communication, E. Rechenburg, Königswinter 364 / 1

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