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Über dieses Buch

​Für viele Menschen ist die Chemie eine schwer verständliche Wissenschaft, und die Hemmschwelle, sich mit ihr auseinanderzusetzen, ist entsprechend groß. Insbesondere der Einstieg wird erschwert durch physikalische und mathematische Modelle und Grundlagen, die eher abschrecken als erklären. Wie gut wäre es, ein Buch zu haben, welches auf die detaillierte Beschreibung dieser komplexen Modelle zu Beginn verzichtet und diese erst ins Spiel bringt, wenn sie zum weiteren Verständnis notwendig werden?

Das vorliegende Buch besticht nicht nur durch den klaren und leicht verständlichen Schreibstil der Autoren, der auch junge Menschen anspricht, sondern durch einen ganz neuen didaktischen Ansatz. Der Einstieg in die spannende Welt der Chemie erfolgt über die anorganische Stoffchemie, und die andernorts meist schwer verständlichen physikalischen und mathematischen Grundlagen werden erst behandelt, wo sie in direktem Zusammenhang zum Thema stehen. So kann der Leser nach und nach in die Materie "hineinwachsen" - Aha-Erlebnisse nicht ausgeschlossen! -, ohne gleich zu Beginn abgeschreckt oder gar frustriert zu werden. Dadurch wird dieses Buch der ideale Begleiter für Studierende der Chemie im Bachelor- und Lehramtsstudiengang, aber auch für Studierende mit Nebenfach Chemie und für all diejenigen, die sich gezwungenermaßen mit Chemie auseinandersetzen müssen. Lehrer der gymnasialen Oberstufe können Anregungen für ihre Unterrichtsgestaltung gewinnen, und Schülern kann das Werk eine Entscheidungshilfe bei der Suche nach dem richtigen Studienfach sein. Vielleicht ist es ja doch Chemie?

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Das vorliegende Buch wendet sich an interessierte Schüler wie auch an Studienanfänger naturwissenschaftlicher Fächer, für die eine chemiebezogene, d. h. die Stoffchemie bereits an den Anfang der Abhandlung gestellte, Vorgehensweise hilfreich ist. Für Absolventen der Bachelor-Prüfung der Chemie und angrenzender Fächer mag seine Kenntnis als Präsenzbestand, der ohne Konsultation weiterer Quellen verfügbar sein sollte, angesehen werden.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 2. Definitionen

Die Chemie ist die Lehre von der Materie, ihrem Aufbau, ihren Eigenschaften und ihrer Umwandlung. Aus in der Tradition verankerten organisatorischen Gründen unterscheidet man zwischen den Teilgebieten
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 3. Chemische Stoffe

Jede Materie ist aus chemischen Bestandteilen aufgebaut. Man spricht daher von chemischen Systemen. Diese können heterogen, d. h. aus Komponenten mit verschiedenen physikalischen und chemischen Eigenschaften aufgebaut sein, oder homogen sein. Homogene Systeme haben durchgehend identische Eigenschaften. Sie können Lösungen (man unterscheidet zwischen flüssigen und festen Lösungen oder Gasmischungen) oder reine Stoffe sein. Reine Stoffe wiederum lassen sich in chemische Verbindungen (Moleküle bzw. Salze mehrerer Atomsorten) oder Elemente (Moleküle bzw. Atome nur einer Atomsorte) einteilen.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 4. Atombau I

Im vorstehenden Kapitel haben wir erfahren, dass Materie (chemische Systeme) aus Molekülen bzw. Ionen aufgebaut ist, die wiederum durch Verknüpfung von Atomen (Atombindung) bzw. Ionen (Ionenbindung) gebildet werden. Das Knüpfen und Lösen solcher Bindungen bezeichnet man als chemische Reaktion. Demgegenüber ist die Spaltung und Verschmelzung von Atomen ein physikalischer Vorgang, der später besprochen werden soll (vgl. E40). Zum Verständnis der chemischen Bindung, mithin der chemischen Reaktion, benötigen wir jedoch eine zunächst stark vereinfachte Kenntnis des Aufbaus der Atome.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 5. Das Periodensystem der Elemente

Wir haben bereits gesehen, dass die chemischen Eigenschaften eines Atoms wesentlich von der Konfiguration seiner Valenzelektronen nlx bestimmt werden.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 6. Die Elemente der Gruppe 18 (Edelgase)

Die Elemente der Gruppe 18 heißen Edelgase, weil man früher irrtümlich glaubte, sie könnten sich prinzipiell nicht mit anderen Elementen verbinden. Das ist nicht der Fall. Dennoch nehmen diese Elemente insofern eine Sonderstellung ein, als sie als einzige Elemente unter Normalbedingungen (1 at 20 °C) atomar vorkommen. Sie vereinigen sich also nicht mit sich selbst zu Edelgasmolekülen.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 7. Der Wasserstoff

Während die Edelgase sich durch vollständig besetzte Valenzschalen (1s2 bzw. ns2ns6) und eine hiermit verbundene geringe Bereitschaft zur Ausbildung chemischer Bindungen auszeichnen, sind die repräsentativen Elemente (zur Definition vgl. Abschn.​ 17.​1.1) durch teilweise besetzte Valenzorbitale der Nebenquantenzahlen s und p charakterisiert, die – abgesehen vom Element Wasserstoff – über vollständig besetzten oder leeren inneren Orbitalen liegen. Hieraus resultiert für diese Atome eine hohe Bereitschaft zur Abgabe oder Aufnahme von Elektronen, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 8. Die chemische Reaktion

Gehen Elemente oder Verbindungen (A, B, …) eine chemische Reaktion unter Bildung von C, D,… ein, so formuliert man diesen Vorgang entsprechend
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 9. Die Elemente der Gruppe 17 (Halogene)

Den Elementen der Gruppe 17 ist die Valenzelektronenkonfiguration ns2np5 gemeinsam. Ihr chemisches Verhalten wird folglich dominiert von dem starken Bestreben, ein Elektron unter Bildung der nächstliegenden stabilen Edelgaskonfiguration aufzunehmen. Diese Tendenz macht die Halogene in ihrer elementaren Form zu reaktiven Substanzen.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 10. Die Elemente der Gruppe 1 (Alkalimetalle)

Auch in der Gruppe 1 zeigen die Elemente den bei den Edelgasen und Halogenen gefundenen Gang der Eigenschaften (Tab. 10.1).
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 11. Die Elemente der Gruppe 16 (Chalkogene)

Die Elemente E der Gruppe 16 weisen als Atome die Valenzelektronenkonfiguration ns2np4 auf. Sie benötigen zum Erreichen der Edelgaskonfiguration zwei zusätzliche Elektronen, die sie unter Bildung der Dianionen E2− aufnehmen.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 12. Die Elemente Der Gruppe 2 (Erdalkalimetalle)

Die Elemente der Gruppe 2 weisen die Valenzelektronenkonfiguration ns2 auf; sie liegen in ihren Verbindungen sämtlich in der Oxidationszahl +II vor (Tab. 12.1).
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 13. Die Elemente der Gruppe 15 (Pnikogene)

Die Elemente der Gruppe 15 weisen die Valenzelektronenkonfiguration ns2p3 (n = 2−6) auf und ermöglichen hierdurch Oxidationszahlen im Bereich von +V bis −III; geradzahlige Oxidationszahlen werden nur bei Vorliegen von E-E-Bindungen bzw. in stabilen Radikalen realisiert. Nur im N3− -Ion (z. B. in Li3N) wird die Edelgaskonfiguration durch Ausbildung von Ionen erreicht, da in anderen Fällen die hochgeladenen Ionen E3− bzw. E5+ durch die Gegenionen unter Ausbildung von Atombindungen polarisiert werden.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Chapter 14. Die Elemente der Gruppe 13 (Erdmetalle)

Die Elemente der Gruppe 13 weisen die Valenzelektronenkonfiguration ns2p1 (n = 2–6) auf. In ihrer Chemie dominiert die Oxidationszahl +III. Bedingt durch die relative Stabilität der B–B-Bindung treten beim Bor auch niedrigere Oxidationsstufen auf. Insbesondere beim Thallium bewirkt der Effekt des inerten Paares (vgl. E35) eine hohe Stabilität der Oxidationszahl +I. Einen Überblick über die Eigenschaften der Atomsorten gibt Tab. 14.1.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 15. Die Elemente der Gruppe 14 (Kohlenstoffgruppe)

Die Elemente der Gruppe 14 stehen im Zentrum des Periodensystems. Ihre Entfernung von der Edelgaskonfiguration ns2np6 macht sie zur Ausbildung einatomiger Ionen unter chemischen Bedingungen unfähig, mit Ausnahme der dem Effekt des inerten Paares (vgl. E35) unterliegenden Sn2+ und Pb2+. Einen Überblick der Elementeigenschaften gibt Tab. 15.1.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 16. Die Hauptgruppenelemente im Überblick

Die formal erreichbaren Oxidationszahlen ergeben sich aus der Stellung der Elemente im Periodensystem. Unter Verwendung der „alten“ Bezeichnungsweise (1. bis 8. Hauptgruppe) gilt für Elemente der Hauptgruppe a bezüglich der möglichen höchsten (X) und tiefsten (−Y) Oxidationszahlen.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 17. Die Elemente der Nebengruppen

Als Elemente der Nebengruppen werden diejenigen bezeichnet, die als Atome im Valenzbereich die Elektronenanordnung ns2(n − 1)d1−10 bzw. ns2(n − 1)d1(n − 2)f1−14 aufweisen. Die Elemente der Gruppe 12 (2. Nebengruppe) besitzen die Elektronenanordnung ns2(n − 1)d10 und werden gelegentlich in der Systematik den Elementen der Hauptgruppen („repräsentative Elemente“, Anordnung der Valenzelektronen n(s,p)1–7 über vollständig besetzten oder leeren Unterschalen) zugeordnet.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 18. Atombau II

Die zur Beschreibung der Elektronenhülle des Atoms erforderlichen Quantenzahlen hatten wir, um einen einfachen Zugang zur Chemie zu gewinnen, „ad hoc“ definiert Kap. 4. Zum besseren Verständnis dieser für die Chemie grundlegenden Aufbauprinzipien müssen wir die Wechselwirkung zwischen Atomkern und Elektronenhülle auf der Grundlage der klassischen Physik beschreiben. Wir folgen hierbei zunächst der von Niels Bohr (1913) entwickelten Beschreibung des Wasserstoffatoms (die hierfür grundlegenden Gleichungen sind in Abb. (18.1 zusammengefasst).
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

Kapitel 19. Die Atombindung in wellenmechanischer Betrachtungsweise

In den stoffchemischen Kap. 7 (E4), 9 (E10, E11) und 11 (E18, E19) haben wir eine einführende Betrachtung der Atombindung vorgestellt, deren physikalische Mängel wir unter dem Aspekt der Anschaulichkeit zunächst in Kauf genommen haben. Die Einarbeitung in die Grundlagen des Bohr’schen Atommodells und seine wellenmechanische Weiterentwicklung (Kap. 18) gestatten nun eine vertiefte Betrachtung dieser Bindungsform.
Norbert Kuhn, Thomas M. Klapötke

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