Angewandte Chemie für Ingenieure

Nach einer altbewährten Definition ist Chemie die Wissenschaft von den Stoffen und den Stoffänderungen. Der Begriff Stoff ist danach ein zentraler Begriff für den Chemiker. Er ist aber auch ein wichtiger Begriff für den Ingenieur, dessen Arbeit ohne Werkstoffe, Kraftstoffe, Brennstoffe, Baustoffe, Isolierstoffe oder andere Stoffe undenkbar wäre. Objekte, die wir direkt oder mit Hilfsmitteln wahrnehmen können — es kann sich dabei um so unterschiedliche Dinge wie ein Messer, die Sonne oder ein Chlormolekül handeln — lassen sich durch Form, Größe und Stofflichkeit kennzeichnen. Unter dem Begriff Stofflichkeit — bei festen Objekten kann man auch Material sagen — werden die verschiedenen „inneren Eigenschaften“ zusammengefaßt. Nicht alle drei Kennzeichen eines Objektes müssen für einen Betrachter gleich wichtig sein. Ein Konstrukteur im Flugzeugbau z. B., der das Profil einer Tragfläche berechnen will, interessiert sich in erster Linie für Form und Größe. Er sieht sein Objekt als Körper. Ein Ingenieur, der einen säurebeständigen Werkstoff entwickeln will, fragt nach der Stofflichkeit seiner Objekte. Form und Größe sind für ihn weniger interessant. An diesen Beispielen soll verdeutlicht werden, daß es von der Betrachtungsweise abhängt, ob ein Objekt Körper oder Stoff ist.

Chemische Reaktionen sind mit Veränderungen in den Elektronenhüllen der beteiligten Atome verbunden. Um das chemische Verhalten eines Elementes verstehen zu können, sind deshalb Kenntnisse über den Aufbau der Elektronenhülle seiner Atome erforderlich.

Atomverbände, wie sie in chemischen Verbindungen, aber auch zwischen den gleichartigen Atomen chemischer Elemente auftreten, setzen Bindungskräfte voraus. Chemische Bindungen liegen dann vor, wenn zwischen Atomen, die einen bestimmten Abstand voneinander haben, ein stabiles Gleichgewicht der elektrostatischen Kräfte besteht. Dieses Gleichgewicht ist dadurch gekennzeichnet, daß bei Verringerung des Abstandes die Abstoßungskräfte und bei Vergrößerung des Abstandes die Anziehungskräfte überwiegen. Zur qualitativen Beschreibung chemischer Bindungen wird eine Unterteilung in vier Idealtypen vorgenommen: die Ionenbeziehung, die kovalente Bindung, die Metallbindung und die zwischenmolekularen Kräfte.

In 1.1 wurden Lösungen als flüssige Mischphasen definiert. Ihre Bestandteile sind das flüssige Lösemittel und ein oder mehrere gelöste Stoffe, bei denen es sich um Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase handeln kann. Bei Lösungen, die nur aus Flüssigkeiten bestehen, ist eine Unterscheidung zwischen Lösemittel und gelöstem Stoff nicht sinnvoll.

Die allgemeine Bedingung für das freiwillige Ablaufen eines physikalisch-chemischen Vorgangs (→4.1.).

Stoffe mit saurem Geschmack wie Essigsäure waren schon im Altertum bekannt. In ihrer Wirkung gegensätzliche Stoffe wurden zunächst Alkali¹ genannt und wegen ihrer seifigen Beschaffenheit vor allem als Waschmittel verwendet. Im 17. Jahrhundert erkannte R. Boyle, daß Säuren Marmor und bestimmte Metalle auflösen und bei gewissen Pflanzenfarbstoffen (z. B. Lackmus) charakteristische Färbungen bewirken, die durch Alkali wieder rückgängig gemacht werden können. Für Stoffe wie Metallhydroxide und -oxide, die flüchtige Säuren an eine feste Grundlage (Basis) binden, wurde in dieser Zeit der Begriff „Base“ geprägt. A. L. Lavoisier kam in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts durch seine Experimente zu der falschen Auffassung, daß der Sauerstoff allen Säuren gemeinsam ist. Erst im Laufe des 19. Jahrhunderts wurde durch H. Davy, J. v. Liebig und S. A. Arrhenius der Wasserstoff oder genauer, das in Lösung vorliegende Wasserstoffion, für die typischen Eigenschaften von Säuren verantwortlich gemacht.

Seit den Entdeckungen, die A. L. Lavoisier in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts machte, wurde die Reaktion eines Elementes oder einer Verbindung mit Sauerstoff¹ als Oxidation bezeichnet. Unter Reduktion² wurde die Umkehrung der Oxidation verstanden. In der modernen Chemie werden die Begriffe Oxidation und Reduktion weiter gefaßt. Wir definieren heute Oxidation als Elektronenabgabe, z. B.

In den Kapiteln 3.4 und 3.5 wurde bereits auf den Aufbau des Wassermoleküls und die Bildung von Wasserstoffbrücken eingegangen. Im flüssigen Wasser liegt nur ein Teil der H₂O-Moleküle in freier Form vor. Der größere Teil ist über Wasserstoffbrücken zu sog. Clusters miteinander vernetzt. Im Eiskristall bilden die Moleküle ein regelmäßiges Kristallgitter, in dem jeweils ein O-Atom von zwei kovalent und zwei über Wasserstoffbrücken gebundenen H-Atomen tetraedrisch umgeben ist (Abb. 8.1). Der voluminöse Aufbau des Kristallgitters ist Ursache für die geringe Dichte des Eises. Beim Schmelzen bricht das Gitter an einigen Stellen auseinander, große Strukturbereiche bleiben aber auch im flüssigen Zustand erhalten. Freiwerdende H₂O-Moleküle können in die noch intakten Hohlräume eindringen, so daß eine dichtere Packung erreicht wird. Das äußert sich darin, daß die Dichte des flüssigen Wassers größer ist als die des Eises. Mit steigender Temperatur werden immer mehr Wasserstoffbrücken gespalten. Die wachsende Zahl der Einzelmoleküle erlaubt eine weitere Verdichtung der Packung, und die Dichte des Wassers nimmt zwischen 0 und 4°C zu. Bei höheren Temperaturen wird dieser Vorgang durch die größere Beweglichkeit der Moleküle und den damit verbundenen größeren Raumbedarf überkompensiert, d. h. die Dichte nimmt ab. Die geringere Dichte des Eises hat zur Folge, daß Gewässer von der Oberfläche her zufrieren. In ausreichender Tiefe bleibt das Wasser flüssig, so daß Wasserorganismen einen Raum Zum Überwintern haben.

Bindemittel für Beton und Mörtel sind pulverförmige anorganische Stoffe, die mit Wasser zu einem plastischen Bindemittelleim angeteigt werden, der im Verlauf ganz bestimmter physikalisch-chemischer und chemischer Vorgänge erhärtet. Körnige Zuschläge wie Sand, Kies oder Gesteinsbrocken lassen sich dadurch zu einem künstlichen Stein verbinden. Luftbindemittel erhärten ausschließlich an der Luft, während hydraulische Bindemittel sowohl an der Luft als auch unter Wasser erhärten und unter Wasser beständig sind.

Eisen ist das vierthäufigste Element in der Erdkruste und das bedeutendste Gebrauchsmetall. Es hat bei 20°C eine Dichte von 7870 kg m^-3. Die bei Raumtemperatur stabile kubisch-raumzentrierte Modifikation des α-Fe wandelt sich bei 910°C in das kubisch-flächenzentrierte γ-Fe um (Abb. 11.1). Zwischen 1400°C und der Schmelztemperatur von 1540°C liegt kubisch-raumzentriertes δ-Fe vor, das sich von α-Fe durch eine größere Kantenlänge der Elementarzelle (Gitterkonstante) unterscheidet. In Verbindungen hat Eisen bevorzugt die Oxidationszahlen + II und + III (→3.1.).

Das Element Kohlenstoff kommt in der Natur in zwei Modifikationen vor, als farbloser, wasserklarer Diamant und als grauschwarzer Graphit. Im Diamant sind die C-Atome durch kovalente sp³-Bindungen mit jeweils vier anderen Atomen tetraedrisch verknüpft (Abb. 12.1). Ein Diamantkristall kann deshalb als einziges großes Makromolekül aufgefaßt werden. Aus der relativ hohen Bindungsenergie der C—C-Bindung resultiert die große Härte. Diamant ist bei niedrigem Druck instabil. Die Umwandlung in den stabilen Graphit läuft bei Raumtemperatur extrem langsam, beim Erhitzen auf über 1600°C aber innerhalb kurzer Zeit ab. Bei Drücken über 13000 bar ist Diamant bei Raumtemperatur die stabile Modifikation. Die Umwandlungsgeschwindigkeit von Graphit in Diamant ist unter diesen Bedingungen zu gering, so daß technische Diamantsynthesen selbst in Gegenwart von Nickel- oder Eisenkatalysatoren erst ab etwa 1600°C und 50000 bar möglich sind. Für eine nichtkatalysierte Diamantsynthese sind etwa 3000 °C und 150000 bar erforderlich. Synthetische Diamanten sind meist klein und undurchsichtig und werden überwiegend zum Bohren, Schneiden und Schleifen harter Materialien und für andere technische Zwecke verwendet.

Wie in Kapitel 4.1. gesagt wurde, kann sich ein Stoff in einem anderen dann lösen, wenn die Kräfte zwischen den Molekülen der beiden Stoffe etwa gleiche Größe haben. So lösen sich Fette und Öle in Benzin oder Trichlorethan, da zwischen den Molekülen aller dieser Stoffe ausschließlich schwache Dispersionskräfte wirken. In Wasser lösen sich Ionenkristalle oder Stoffe, mit deren Molekülen die H₂O-Moleküle Wasserstoffbrückenbindungen eingehen können.

Brennstoffe sind feste, flüssige oder gasförmige Stoffe, bei deren Verbrennung mit Luftsauerstoff eine meist dem Heizwert entsprechende Wärme wirtschaftlich gewonnen werden kann. Brennstoffe, deren chemisch gebundene Energie unmittelbar in mechanische Arbeit umgesetzt werden soll, werden als Kraftstoffe bezeichnet, wobei je nach Art der Verbrennungskraftmaschine zwischen Ottokraftstoffen, Dieselkraftstoffen und Turbinenkraftstoffen unterschieden wird.

Schmierstoffe und Bitumen werden, sieht man einmal von den der Menge nach unbedeutenden synthetischen Schmierstoffen ab, aus atmosphärischen Rückständen der Erdöldestillation durch Destillation unter Vakuum gewonnen. Für die technische Anwendung beider Produktgruppen ist das Fließverhalten und dessen Abhängigkeit von der Temperatur von entscheidender Bedeutung.

Polymere sind überwiegend organische Stoffe mit molaren Massen von über 10000 g mol^-1, deren sehr große Moleküle (Makromoleküle) nach einem relativ einfachen Bauprinzip aus ständig wiederkehrenden Struktureinheiten zusammengesetzt sind. Ist die molare Masse kleiner als 10000 g mol^-1, spricht man von Oligomeren. Homopolymere bestehen aus gleichen, Copolymere aus mindestens zwei verschiedenen Struktureinheiten. Je nach Anordnung der Struktureinheiten innerhalb des Makromoleküls wird zwischen alternierenden Copolymeren, statistischen Copolymeren, Blockcopolymeren und Pfropfcopolymeren unterschieden (Abb. 16.1). Polymere können über eine der folgenden „Polyreaktionen“ aus niedermolekularen Bausteinen (Monomeren) synthetisiert werden. Da die Entropie beim Aufbau von Makromolekülen abnimmt, müssen Synthesereaktionen für Polymere exotherm sein (→5.1.).