Jan Hoinkis ,Eberhard Lindner

Chemie für Ingenieure

Zwölfte Auflage

Vorwort XVI

Periodensystem der Elemente 2

1

Atombau und Periodensystem 41 .1

Bestandteile des Atoms 41 .2

Atomkerne 51 .3

Aufbau der Elektronenhülle 71 .3 .1 Das Bohrsche Atommodell 71 .3 .2 Das wellenmechanische Atommodell 81 .4

Das Periodensystem der Elemente 1 91 .4 .1

Die Elektronenstrukturen der Elemente 2 01 .4 .2 Die Periodizität der Eigenschaften 2 1

Kontroll- und Übungsfragen zur Einleitung und zum 1 . Kapitel 28

2

Die chemische Bindung 302 .1

Die Atombindung (kovalente Bindung) 3 02 .1 .1

Das Wasserstoffmolekül 3 12 .1 .2 o-Bindungen 322 .1 .3 n-Bindungen 332 .2

Die lonenbindung 3 42.3

Die metallische Bindung 372.3 .1

Das „Elektronengas"-Modell 3 72.3.2 Das Energiebändermodell 3 82.4

Übergangsformen zwischen den Bindungsarten 382 .5

Die zwischenmolekularen Wechselwirkungen 402 .5 .1 Die Dipol-Wechselwirkungen 412 .5 .2 Die van der Waals-Wechselwirkung 422 .5 .3 Wasserstoffbrücken 442.6

Mengenangaben 4 62 .6 .1 Die Gesetze von den konstanten und multiplen Proportionen 462 .6 .2 Die relative Atommasse 4 62 .6 .3 Die relative Molekülmasse und die Formelmasse 4 82 .6.4 Das Mol und die molare Masse 4 9

Kontroll- und Übungsfragen zum 2 . Kapitel 50

3

Die Aggregatzustände 5 2

3 .1

Der gasförmige Aggregatzustand 5 23 .1 .1

Ideale Gase 523 .1 .2 Reale Gase 543 .1 .3 Gasverflüssigung, der Joule-Thomson-Effekt 5 5

3 .2

Der flüssige Aggregatzustand 5 63 .3

Der feste Aggregatzustand 5 73 .3 .1

Die Kristallsysteme 573 .3 .2 Die Eigenschaften von Kristallen 5 93 .3 .3 Amorphe Feststoffe 6 13 .4

Mischungen 6 13 .4.1 Homogene Mischungen 6 13 .4.2 Heterogene Mischungen 623 .5

Lösungen 643 .5 .1 Angaben über die Zusammensetzung von Lösungen 65

3 .5.2 Diffusion und Osmose 683 .5.3 Lösungsenthalpie und Entropie 7 13 .6

Aggregatzustandsänderungen 753 .6 .1 Das Temperatur-Energie-Diagramm 7 53 .6.2 Das Phasendiagramm 763.6.3 Das Prinzip der Kälteerzeugung 803 .6 .4

Destillation 84Kontroll- und Übungsfragen zum 3 . Kapitel 89

4

Chemische Reaktionen 9 14 .1

Reaktionsgleichungen und stöchiometrische Berechnungen 9 1

4 .2

Energieumsätze bei chemischen Reaktionen 9 44 .3

Der Verlauf chemischer Reaktionen 9 7

4 .3 .1

Reversible und irreversible Prozesse 974 .3 .2 Reaktionsgeschwindigkeit 984 .4

Redoxreaktionen 10 14 .4.1 Die Definition von Oxidation und Reduktion 10 14 .4.2 Die Definition der Oxidationszahl 1024.4.3 Schreibweise von Oxidationszahl und Ladungszahl 10 34.4.4 Regeln für die Festlegung der Oxidationszahl 10 34.4.5 Beispiele für wichtige Redoxreaktionen in der Chemietechnik 10 54 .5

Säure-Base-Reaktionen 10 64 .5 .1

Säuren 1064.5 .2 Basen 1084.5 .3 Der Ampholyt „Wasser" und der pH-Wert (1 . Teil) 1084.5 .4

Salze 11 1Kontroll- und Übungsfragen zum 4 . Kapitel 113

5

Chemische Gleichgewichte 11 55 .1

Das Massenwirkungsgesetz 11 55 .1 .1 Die mathematische Formulierung des Massenwirkungsgesetzes 11 55 .1 .2 Das Prinzip von Le Chatelier 11 85.2

Gleichgewichte in wäßrigen Lösungen 12 15 .2 .1

Das Ionenprodukt des Wassers 12 15 .2.2 Der pH-Wert (2. Teil) 1225 .2 .3

Die elektrolytische Dissoziation 12 45.2.4 Das Kohlensäuregleichgewicht 1255 .2 .5

Pufferlösungen 1265.2 .6 pH- Farbindikatoren 12 75 .2.7 Maßanalyse 1295.2.8 Saure und alkalische Reaktionen von Salzen 13 35 .3

Das Löslichkeitsprodukt 13 55 .3 .1

Mathematische Ableitung des Löslichkeitsproduktes 13 55.3.2 Das Löslichkeitsprodukt des Calciumcarbonats 13 85 .3 .3 Weitere Anwendungsbeispiele aus der Praxis 1425 .4

Komplexverbindungen 14 75.4.1 Komplexbildung am Anion 1475 .4.2 Komplexbildung am Kation 14 95.4.3 Komplexbildung an neutralen Atomen 15 15 .4 .4 Bindungsarten bei Komplexen 15 25 .5

Gasgleichgewichte 15 75.5.1 Homogene Gasgleichgewichte 15 75.5.2 Heterogene Gasgleichgewichte 1635 .5.3 Der Heßsche Satz 16 65 .6

Adsorptionsvorgänge 1675 .6 .1

Adsorptionsgesetze 16 75 .6.2 Chromatographie 169

Kontroll- und Übungsfragen zum 5 . Kapitel 17 3

6

Die Elemente 17 56 .1

Allgemeines 1756 .1 .1

Einteilung der Elemente 17 56 .1 .2 Häufigkeit der Elemente und die Rohstoff-Probleme 17 66.1 .3 Elementumwandlungen 17 96.2

Die gasförmigen Elemente 18 56.2 .1

Wasserstoff 18 56.2.2 Die gasförmigen Halogene 18 76.2 .3

Stickstoff und Sauerstoff 18 86.2.4 Ozon 1966.2 .5

Die Edelgase 19 76 .3

Die übrigen Nichtmetalle 200

6 .3 .1 Brom und Iod 2006.3 .2 Schwefel 2016 .3 .3 Phosphor 2026.3 .4 Kohlenstoff 2026.4

Halbleiter 2086.4 .1

Die elektrische Leitfähigkeit in festen Stoffen 20 86.4.2 Silicium und Germanium 21 16 .4.3 Chemische Verbindungen als Halbleiter 21 76 .5

Metalle 2206.5.1 Allgemeine metallische Eigenschaften 22 06.5 .2 Einteilung der Metalle 22 56.5.3 Legierungen 2266.5.4 Die Alkalimetalle 2306 .5.5 Die Erdalkalimetalle 23 0

6 .5.6 Beryllium und Magnesium 2326 .5.7 Aluminium und die Metalle der dritten Hauptgruppe 23 2

6 .5.8 Die Metalle der vierten und fünften Hauptgruppe 23 36 .5.9 Zink, Cadmium, Quecksilber 23 46 .5.10 Kupfer, Silber, Gold 23 56 .5.11 Die Platinmetalle 23 76 .5 .12 Eisen, Cobalt, Nickel 2376.5 .13 Metalle der vierten bis siebten Nebengruppe 24 16 .5 .14 Metalle der dritten Nebengruppe und die Lanthanoide 24 2

6 .6

Radioaktive Elemente 242

6 .6 .1 Natürliche radioaktive Elemente 24 26.6 .2 Künstlich hergestellte radioaktive Elemente 246

6 .6 .3 Kernreaktoren 246Kontroll- und Übungsfragen zum 6 . Kapitel 24 8

7

Anorganische Verbindungen 2507 .1

Wasserstoffverbindungen der Elemente 2507 .1 .1 Das Tetraedermodell für Moleküle 25 17 .1 .2 Wasser H 2O 2547.1 .3 Wasserstoffperoxid H2O 2 2587 .1 .4 Chlorwasserstoff HCl 25 97 .1 .5 Ammoniak NH3 2607 .1 .6 Hydrazin N2 H4 26 17 .1 .7 Schwefelwasserstoff H2S 2627.1 .8 Phosphorwasserstoff PH 3 2627.2

Sauerstoffverbindungen der Elemente 26 27.2.1 Nichtmetalloxide 26 27.2.2 Sauerstoffsäuren 2707.2.3 Metalloxide und Metallhydroxide 274

7.2.4 Glas 2767.2.5 Alumosilicate 2777.2.6 B austoff-Bindemittel 27 97.2.7 Asbest 2807.3

Carbide und Nitride 2807 .3 .1

Salzartige Carbide 28 17 .3 .2 Einlagerungsverbindungen 28 17 .3 .3 Kovalente Verbindungen 28 2

Kontroll- und Übungsfragen zum 7 . Kapitel 28 3

8

Organische Verbindungen 2858 .1

Kohlenwasserstoffe 2868 .1 .1

Alkane oder Paraffine 2878 .1 .2 Alkene oder Olefine 2908 .1 .3 Alkine oder Acetylene 2928 .1 .4 Alicyclische Kohlenwasserstoffe 2958.1 .5 Aromatische Kohlenwasserstoffe 29 58 .2

Halogenabkömmlinge der Kohlenwasserstoffe 3028 .2 .1

Chlorierte Kohlenwasserstoffe 30 28 .2 .2 Polychlorierte Biphenyle (PCB) 3028.2.3 Frigene (Freone) und Halone 30 38 .2 .4 Umweltaspekte von halogenierten Kohlenwasserstoffen 3048 .2 .5 Substitutionsmöglichkeiten von Halogenkohlenwasserstoffen 30 58 .3

Metallorganische Verbindungen 30 68.4

Sauerstoffverbindungen 30 68 .4 .1

Alkohole 3068 .4.2 Phenole 3088 .4 .3 Ether 3098 .4.4 Ketone 3108 .4 .5

Aldehyde 31 18 .4.6 Carbonsäuren 31 28 .4 .7

Ester 31 68 .4.8 Fette und fette Öle 31 88 .4 .9

Seifen und Waschmittel 31 98 .4.10 Zusammenfassender Überblick 32 18 .5

Stickstoffverbindungen 32 18 .5 .1

Amine 32 18 .5 .2 Aminosäuren 32 28 .5 .3 Amide 3238 .5 .4

Nitrile 3238 .5.5 Nitroverbindungen 32 48 .6

Heterocyclische Verbindungen 32 58 .6 .1

Stickstoffhaltige Heterocyclen 325

8 .6 .2 Sauerstoffhaltige Heterocyclen 3268 .7

Organische Naturprodukte 327

8 .7 .1

Kohlenhydrate 3278 .7 .2 Eiweißstoffe (Proteine) 3298.8

Brennstoffe - Kraftstoffe - Schmierstoffe 33 08 .8 .1

Brennstoffe 3308.8.2 Kraftstoffe 3328.8 .3

Schmierstoffe 33 78.8 .4

Sicherheitsvorschriften 340Kontroll- und Übungsfragen zum B . Kapitel 342

9

Kunststoffe 3459 .1

Mechanisch-thermische Eigenschaften 34 59 .1 .1

Thermoplaste 34 69 .1 .2 Elastomere 3489 .1 .3 Duroplaste 34 99 .1 .4

Fluidoplaste 3509 .1 .5 Spannungs-Dehnungs-Diagramme 35 19 .2

Abgewandelte Naturprodukte 35 2

9 .2 .1

Kunststoffe auf Cellulosebasis 35 29 .2.2 Gummi aus Naturkautschuk 35 39 .3

Polymerisationskunststoffe 35 5

9 .3 .1

Allgemeines 3559 .3.2 Polyethylen (PE) 3569 .3.3 Polypropylen (PP) 35 99 .3.4 Polybuten-1 (PB) 3609 .3.5 Polyisobutylen (PIB) 3609 .3.6 Synthetischer Kautschuk 36 19 .3 .7 Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM) 3629 .3 .8

Polystyrol (PS) 36 29 .3 .9 Polyvinylcarbazol (PVK) 3649 .3 .10 Polyvinylchlorid (PVC) und Polyvinylacetat (PVAC) 364

9 .3 .11 Polyvinylidenchlorid (PVDC) 36 69 .3 .12 Polytetrafluorethylen (PTFE) 36 79 .3 .13 Polyacrylnitril(PAN) 36 99 .3 .14 Polymethacrylsäuremethylester (PMAA) 36 9

'9 .3 .15 Polyoxymethylen (POM) 37 09.4

Polykondensationskunststoffe 37 09.4.1 Polyamide (PA) 37 19 .4.2 Formaldehyd-Kondensationsprodukte 37 39.4.3 Polyesterharze oder Alkydharze 3769.4.4 Polycarbonat (PC) 3799.4.5 Hochtemperaturbeständige Polykondensationskunststoffe 380

9 .5

Polyadditionskunststoffe 38 19 .5 .1

Polyurethane (PUR) 3829 .5 .2 Epoxidharze (EP-Harze) 38 39 .6

Silicone 3849 .6 .1

Siliconöle und -fette 38 59.6 .2

Siliconkautschuk 38 59 .6 .3

Siliconharze 3859 .7

Alterung und Zerstörung von Kunststoffen 38 69 .7 .1 Thermische Einflüsse 38 69 .7 .2 Einfluß von energiereicher Strahlung 38 79.7 .3 Spannungsrißbildung 3889 .7 .4 Einfluß von Lösungsmitteln 38 89 .7 .5

Chemische Zerstörung von Kunststoffen 3899 .7 .6 Feuerbeständigkeit von Kunststoffen 38 99 .8

Kunststoffrecycling 3929.9

Biologisch abbaubare Kunststoffe 39 3Kontroll- und Übungsfragen zum 9 . Kapitel 39 5

10

Elektrochemie 39710 .1

Elektrochemische Potentiale 39 710 .1 .1 Galvanische Elemente 39 710 .1 .2 Die Normal-Wasserstoffelektrode 39 910 .1 .3 Die Normalpotentiale (elektrochemische Spannungsreihen) 40 010.1,4 Praktische Spannungsreihen 40 610 .1 .5 Herstellung von Leiterplatten 40710 .2

Die Konzentrationsabhängigkeit der elektrochemischen Potentiale 40 910 .2.1 Die Nernstsche Gleichung 40 910 .2.2 Elektroden zweiter Art 41 110 .2.3 pH-Messungen 41 510 .3

Elektrochemische Stromerzeugung 41610 .3.1 Primärelemente 41710 .3.2 Sekundärelemente 42 010 .3.3 Brennstoffzellen 42510 .4

Erzwungene elektrochemische Vorgänge 42810 .4 .1 Messung einer galvanischen Spannung 42 810 .4.2 Die Elektrolyse 42 810 .4.3 Die Faradayschen Gesetze 43 110 .4 .4 Die elektrische Leitfähigkeit von Elektrolyten 43 310 .4 .5 Die elektrochemische Polarisation 43 310 .5

Galvanisieren 43 710 .5 .1 Die elektrolytische Entfettung 43 810 .5 .2 Elektropolieren und Elektroentgraten 43 810 .5 .3 Die gebräuchlichsten Metallschutzschichten 438

10 .5 .4 Allgemeines über galvanische Abscheidungen 43 9

10 .6

Korrosion und Korrosionsschutz 44 110 .6.1 Korrosionsursachen 44 1

10 .6.2 Korrosionsarten 44210 .6.3 Möglichkeiten des Korrosionsschutzes 44 910 .7

Elektrochemische Meßmethoden 45510 .7 .1 Die Leitfähigkeitsmethode (Konduktometrie) 45 510 .7.2 Die Potentiometrie 45 610 .7.3 Die Amperometrie 458

10 .7.4 Die Coulometrie 45910.7.5 Die Polarographie 46 1

Kontroll- und Übungsfragen zum 10 . Kapitel 46 3

11

Spektren und ihre Anwendungen 46611 .1

Elektromagnetische Spektren 46 611 .1 .1 Die Entstehung von elektromagnetischen Spektren 466 111 .1 .2 Absorptions- und Emissionsspektren 46711 .1 .3 Die Bereiche elektromagnetischer Strahlen 46 811 .2 Spektrenformen 46911 .2.1 Linienspektren 46911 .2.2 Bandenspektren 47 311 .2.3 Absorptionsmaxima 47 611 .3

Spektralanalytische Untersuchungen 47711 .4

Spektralbereiche 47 811 .4.1 Gammastrahlen 47 811 .4.2 Röntgenbereich 47 811 .4 .3 Ultraviolett (UV-Spektren) 48 011 .4.4 Spektren im sichtbaren Licht 48 211 .4 .5 Infrarot (IR-Spektren) 48411 .4.6 Magnetische Kernresonanz 48 611 .5

Spezielle Meßgeräte 48 611 .5.1 Photometer 48 711 .5.2 IR-Meßgeräte für Gase 48 811 .5 .3 Chemolumineszenzanalyse 49 011 .6

Massenspektrometer 49 011 .7

Farbmittel 49 311 .7 .1 Ursache für die Farbigkeit 49 311 .7 .2 Pigmente 49511 .7 .3 Farbstoffe 49 711 .7 .4 Farbindikatoren 49 811 .7 .5 Allgemeine Überlegungen zu Pigmenten und Farbstoffen 49 8

Kontroll- und Übungsfragen zum 11 . Kapitel 499

12

Biochemie und Biotechnologie 50012 .1

Grundlagen der Biochemie 50012 .1 .1 Eigenschaften belebter Materie 50 012 .1 .2 Die Zelle 50212 .1 .3 Der Stoffwechsel 50512 .2

Molekularbiologie 51 012 .2 .1 Aufbau und Verdoppelung der DNA 51 012.2.2 Die Eiweißsynthese 51 212 .2.3 Mutationen 51512 .2.4 Gentechnik 51812 .3

Bioverfahrenstechnik 52 112 .3 .1 Bioreaktoren (Fermenter) 52 212 .3 .2 Produktaufarbeitung 52312 .4

Biosensoren 52412 .5

Schadwirkung von Chemikalien 52 512 .5 .1 Humantoxikologie 52 512 .5.2 Die häufigsten Gifte 53012 .5.3 Ökotoxikologie 53 6

Kontroll- und Übungsfragen zum 12. Kapitel 54 0

13

Umweltschutztechnik 54213 .1

Ökologische Grundlagen 54213 .1 .1 Ökosysteme 54 213 .1 .2 Stoff- und Energieumsätze in Ökosystemen 54 413 .1 .3 Stoffkreisläufe 54 513 .2

Abwasser und Abwasserreinigung 54713 .2.1 Rohstoff Wasser 54713 .2.2 Abwasserinhaltsstoffe 54913 .2 .3 Abwasserreinigung durch kommunale Kläranlagen 55 513 .2 .4 Neuere Trends in der biologischen Abwasserreinigung 56 113 .2 .5 Spezielle Verfahren der Abwasserreinigung 56 313 .3

Abluft und Abluftreinigung 57 413 .3.1 Luftschadstoffe 57413 .3 .2 Abluftreinigung in der Industrie 57 713 .3.3 Rauchgasreinigung in Kraftwerken 58 513 .3.4 Abgasreinigung bei Automobilen 58913 .4

Abfall und Recycling 59 213 .4.1 Abfallzusammensetzung 59 213 .4.2 Abfallentsorgung 59 413 .4.3 Recycling 60 113 .5

Produktionsintegrierter Umweltschutz 60 213 .6

Ökobilanzen 605Kontroll- und Übungsfragen zum 13. Kapitel 608

14

Chemische Literatur 61014 .1

Allgemeines 61 014 .2

Weiterführende Lehrbücher 61 114 .2 .1 Allgemeine und Anorganische Chemie 61 114 .2.2 Organische Chemie 61 214 .2 .3 Biochemie, Biotechnologie und Toxikologie 61 214 .2.4 Physikalische Chemie 61 314 .2.5 Umwelttechnik 61 314 .2.6 Analytik und Meßtechnik 61 314 .2.7 Chemische Technik 61414 .2.8 Korrosion und Korrosionsschutz 61 414 .2.9 Kunststoffe 61 414 .2 .10 Arbeitsschutz und Sicherheitstechnik 61 414 .2 .11 Verfahrenstechnik (Grundlagen) 61 514 .3

Enzyklopädien und Tabellenwerke 61 514 .3 .1 Römpps „Chemie-Lexikon" 6 514 .3 .2 Enzyklopädien und Tabellenwerke 61 514 .3 .3 Enzyklopädien der Technischen Chemie 61 614 .3 .4 Große Nachschlagewerke zu Teilgebieten der Chemie 61614 .3 .5 Kleinere Nachschlagewerke für spezielle Bereiche 61 714 .4

Fachzeitschriften 61 814 .5

Referateorgane 61 914 .5 .1 Chemical Abstracts 61 914 .5 .2 Andere Referateorgane 62 014 .5 .3 Fachinformationszentren 62 114 .6

Patentliteratur 62 114 .7

Recherchen im Internet 62 214 .7 .1 Allgemeine Suchmaschinen 62 214 .7 .2 Spezielle Suchmaschinen und Serviceanbieter im Bereich

der Chemie 622Kontrollfragen zum 14 . Kapitel 626

AnhangAl

Die Buchstaben des griechischen Alphabets 627A2

Vorsatzzeichen und Abkürzungen für Stoffmengengehalte 62 7A3

Maßeinheitentabelle 628A4

Verzeichnis der chemischen Elemente 62 9A5

Löslichkeitsprodukte 63 1A6

Schadstoff-Höchstwerte am Arbeitsplatz un dWassergefährdungsklassen 63 2

A7

Schadstoff-Höchstwerte im Abwasser 63 3A8

Schadstoff-Höchstwerte in der Luft 634

A9

Gefahrensymbole 63 5A 10

Klärschlammverordnung 63 5

Antworten zu den Kontroll- und Übungsfragen 63 6

Register 659