Chemie

Wohin geht die Chemie im 21. Jahrhundert? Kapitel 1 beleuchtet die Basis der Chemie für Lernende an Schulen, Fachschulen und Hochschulen: chemische und physikalische Vorgänge, Stoffbegriff, Trennung von Stoffgemischen, Analyse und Synthese, Legierungen, Lösungen, Übungsaufgaben. Niemand will heute mehr ernsthaft Quecksilber in Gold verwandeln und Textilien mit ausgequetschten Purpurschnecken färben oder Säure durch Erhitzen von Ameisen herstellen. BOYLEs Buch „Der skeptische Chemiker“ (1661) wies den Weg von der Alchemie zur Naturwissenschaft: Genaues Beobachten und kritisches Auswerten von Experimenten ersetzen seither die Mystik der einstmals „schwarzen Kunst“. Zwischen 1800 und 1900 stieg die mittlere Lebenserwartung von 30 auf 60 Jahre. Glas, Seife, Porzellan und Textilien eroberten die zivilisierte Welt. Aktuell gibt die Beschäftigung mit Chemie Orientierung in unserer Zeit, die Fake News oftmals über naturwissenschaftliche Erkenntnisse setzt.

Wo kommen die Orbitale her? Kapitel 2 behandelt Atommodelle, Elementarteilchen, optische Linienspektren, Quanten, Wellenmechanik, Atomorbitale, Elektronenkonfiguration, Übungsaufgaben mit Lösungen. Der Text richtet sich an Studierende von Fachhochschulen und Universitäten in den ersten Semestern, eignet sich aber auch als Repetitorium und Ausblick für die gymnasiale Oberstufe. In der Atomlehre liegt der Schlüssel für ein tieferes Verständnis chemischer Vorgänge. Atome bilden die kleinsten, mit chemischen Mitteln nicht mehr teilbaren Bausteine der Materie. Sie bestehen aus Elementarteilchen, von denen Elektron und Proton in der Chemie besonders wichtig sind. Das Kapitel berücksichtigt die jüngste Anpassung des SI-Systems mit Festlegung der Avogadro-Konstante.

Wodurch unterscheiden sich Calcium, Chrom und Cobalt? Welche Eigenschaften der Elemente kann man aus dem PSE ablesen -- und stumpfes Lernen vermeiden? Kapitel 3 behandelt anschaulich den Aufbau des Periodensystems, den Elementbegriff und die Vorhersage periodischer Zusammenhänge: Elektronenkonfiguration, Oxidationsstufen, Elektronegativität, Atom- und Ionenradien, Ionisierungsenergien, Metallcharakter, Säure-Base-Eigenschaften usw. Der Text richtet sich an Studierende aller Fachrichtungen an technischen Hochschulen und Universitäten, sowie Schüler der gymnasialen Oberstufe. Der Elementbegriff löste sich im 18. Jahrhundert von philosophischen Ideen und definierte die moderne Chemie als die Lehre von den Elementen und ihren Verbindungen. LAVOISIER beschrieb 33 chemische Elemente. Das moderne Periodensystem tabelliert 118 Elemente. Das Kapitel berücksichtigt die jüngsten Entdeckungen und Neubenennungen.

Wie funktioniert ein Fusionsreaktor und die Endlagerung von Atommüll? Kapitel 4 behandelt Elementarteilchen, Isotope und Massendefekt, künstliche und natürliche Radioaktivität, Kernreaktionen und Zerfallsreihen, Zerfallsgesetz und radioaktive Altersbestimmung, Strahlenbelastung, Dosimetrie und Strahlenschutz, Kernspaltung und Kernfusion, Röntgenstrahlung, Methoden der Radiochemie, Halbleiterphysik, Röntgenspektroskopie und instrumentellen Analytik, Übungsaufgaben mit Lösungen. Die tabellarischen Übersichten eignen sich als Repetitorium für Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften; der Basistext öffnet auch für Lernende an Gymnasien und Fachschulen den Zugang zum Thema Radioaktivität. In der kosmischen Strahlung und bei Kernreaktionen wurde ein „Zoo“ von Teilchen, stets kleiner und leichter als Atome, entdeckt. Ihre komplizierten Wechselwirkungen werfen mittlerweile die Frage nach einer einheitlichen Feldtheorie für Gravitation, Elektromagnetismus, radioaktiven Zerfall und die Kernkräfte auf.

Warum baut man Brücken aus Stahlbeton, Flugzeuge aus Titanlegierungen, Schneidwerkzeuge aus gehärtetem Stahl und chemikalienbeständige Dichtungen aus Fluorpolymeren? Die Struktur der Materie erklärt diese Fragen. Kapitel 5 schlägt die Brücke zwischen Chemie und Werkstofftechnik: chemische Bindung in Theorie und Praxis, zwischenmolekulare Kräfte von H-Brücken bis zu Biopolymeren, MO-Theorie, Koordinationsverbindungen einschließlich Hybridisierungsmodell und Ligandenfeldtheorie, Aufbau von Kristallen und Gefügen, Phasendiagramme und Legierungen, Keramik und Verbundwerkstoffe, Halbleiter, Übungsaufgaben mit Lösungen. Der Text richtet sich an Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften an technischen Hochschulen und Universitäten; die als Repetitorium gedachten Abschnitte sind auch für Lernende in der gymnasialen Oberstufe und an Fachschulen für Laborberufe nützlich, die sich grundlegend mit dem Thema chemische Bindung beschäftigen und technische Anwendungen dieses Wissens erkennen möchten.

Jetzt geht es ums chemische Rechnen! Stöchiometrie ist die Lehre von der Zusammensetzung chemischer Verbindungen und den Massenverhältnissen bei chemischen Reaktionen. Die Einführung der Analysenwaage begründete die moderne Chemie. Befreit vom Zauber der Alchimie erkannte man Verbrennungen als Umsetzung mit Sauerstoff – und Hitze und Licht als physikalische Begleiterscheinungen (Energieänderungen). Kapitel 6 erklärt chemische Formeln und Reaktionen, stöchiometrische Berechnungen anhand praktischer Beispiele, Verbrennung und Thermochemie, Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht, heterogene und homogene Katalyse, Übungsaufgaben. Der Text richtet sich an Studierende an technischen Hochschulen und Universitäten, an Lernende in der gymnasialen Oberstufe und an Fachschulen für Laborberufe, sowie an Anwender in der Berufspraxis. Berücksichtigt sind jüngste Erkenntnisse zur Abgasreinigung in Benzin- und Dieselmotoren.

Wie entsteht der saure Regen? Was sind Supersäuren? Kapitel 7 stellt Definition, Nomenklatur und Stoffchemie der Säuren, Basen und Salze zusammen, erklärt Neutralisation und Hydrolyse, Verfahren der Maßanalyse, Titrationskurven, Indikatoren, Pufferlösungen, die Umrechnung von Konzentrationsmaßen und Verdünnungen, die pH-Rechnung und die Methoden der instrumentellen Luftanalytik. Unverzichtbares analytisches Grundwissen wird an praktischen Anwendungsfällen erprobt. Anschauliche Tabellen und Formelübersichten unterstützen beim quantitativ-analytischen Laborpraktikum sowie als kompaktes Nachschlagewerk für Chemiker, Pharmazeuten und Ingenieure und in der Berufspraxis. Dass Ameisensäure auf der Haut brennt, weiß jedes Kind. Säuren und Laugen verursachen ernste Verätzungen. LIEBIG erkannte: Schüttet man Säuren und Basen zusammen, neutralisieren sie einander und es entstehen Salze.

Lösungen im engeren Sinn sind homogene Gemenge aus einem flüssigen Lösungsmittel und einem gelösten Stoff, der fest, flüssig oder gasförmig, molekular oder salzartig sein kann. Kapitel 8 erklärt anhand praktischer Beispiele: ideale und reale Lösungen, Löslichkeitsprodukt, Aktivitätskoeffizienten und Elektrolyte, Fällungsreaktionen und Gravimetrie, Fremdioneneinfluss auf die Fällung von Niederschlägen, Wasserhärte und Güteparameter. Der Text richtet sich an Studierende der technischen Hochschulen und Universitäten sowie an Lernende in der gymnasialen Oberstufe und an Fachschulen für Laborberufe. Die maßanalytischen Verfahren aus Kapitel 7 werden um Fällungsreaktionen ergänzt. Übersichtlich sind die klassischen und instrumentellen Methoden der Wasser-, Boden und Schlammanalytik zusammen gestellt. Die technische Aufbereitung von Wasser und Abwasser rundet den Inhalt ab.

Der übersichtlich gestaltete Text wendet sich an Studierende aller naturwissenschaftlich-technischen Fachrichtungen an Fachhochschulen und Universitäten, als Kompendium für Lernende in der gymnasialen Oberstufe und an Fachschulen für Laborberufe. Anhand praktischer Beispiele werden Redoxreaktionen, Grenzflächenvorgänge, Normalpotential und Spannungsreihe, Batterien, Brennstoffzellen, Elektrolyse, Korrosion und elektroanalytische Methoden erklärt und Ausblicke auf technische Anwendungen aufgezeigt. Das Kapitel eignet sich auch als kompakte und umfassende Einführung in die Elektrochemie für Quereinsteiger aus Ingenieurstudiengängen, die sich mit modernen Methoden der Energiewandlung befassen müssen. Neuere Entwicklungen wie Lithiumionen-Akkumulatoren, Redoxspeicher, Farbstoff-Solarzellen und Fotokatalyse sind berücksichtigt.

Was ist der Unterschied zwischen PAK, PCB und PVdF? Im Mai 2019 überschritt der Chemical Abstracts Service (CAS) die Marke von 150 Millionen bekannter organischer Verbindungen. Die Grundzüge der Organischen Chemie werden in Kapitel 10 (Kohlenwasserstoffe) und 11 (Stoffklassen) anhand von Beispielen, praktischen Anwendungen und übersichtlichen Tabellen dargestellt. Der Text richtet sich an Studierende in den ersten Semestern an technischen Hochschulen und Universitäten mit Nebenfach Chemie und eignet sich auch als Repetitorium und Ausblick für Lernende in der gymnasialen Oberstufe und an Fachschulen für Laborberufe. Aufgaben mit Lösungen verdichten den Stoff auf Examensniveau: Nomenklatur, Stoffklassen, Reaktionen, Mechanismen, industrielle Verfahren, Petrochemie und technische Anwendungen.

Reagiert Glycerin heftig mit Kaliumpermanganat? Was tun PHB-Ester in Lebensmitteln? Funktionelle Gruppen bestimmen als „aktive Stellen“ im Molekül die chemischen Eigenschaften, während sich das Kohlenwasserstoffgerüst reaktionsträge verhält. Die höchstwertige funktionelle Gruppe definiert die Stoffklasse, nach der Verbindungen benannt werden. Die Grundzüge der Organischen Chemie werden in Kapitel 10 (Kohlenwasserstoffe) und 11 (Stoffklassen) anhand von Beispielen, praktischen Anwendungen und übersichtlichen Tabellen dargestellt. Der Text richtet sich an Studierende in den ersten Semestern an technischen Hochschulen und Universitäten mit Nebenfach Chemie und eignet sich auch als Repetitorium und Ausblick für Lernende in der gymnasialen Oberstufe und an Fachschulen für Laborberufe. Die neue Auflage berücksichtigt industrielle Verfahren.

Was ist der Unterschied zwischen PA, PU und UP? Die makromolekulare Chemie und die Kunststofftechnik umfasst die Gewinnung, Verarbeitung, Nutzung und Entsorgung von Kunststoffen. Das mit übersichtlichen Tabellen gestaltete Kapitel richtet sich an Studierende der Kunststofftechnik und aller chemienahen Studiengänge an technischen Hochschulen; es eignet sich als Einführung und Ausblick für Lernende in der gymnasialen Oberstufe und an Fachschulen für Laborberufe. Übersichtstabellen ergänzen den Lehrtext über Polymerisationsreaktionen, Herstellung, Entsorgung und Recycling von Polymeren, Kunststoffprüfung, technische Synthesevorstufen und Additive.

Der mit anwendungsnahen Bildern und Übersichten ausgestaltete Text eignet sich für Studierende an technischen Hochschulen und Universitäten in chemienahen Studiengängen, insbesondere im Bereich der Umwelttechnik und Energietechnik. Der Inhalt umfasst: Atomökonomische und umweltverträgliche Reaktionen, Chemikaliensicherheit, homogene und heterogene Katalyse, asymmetrische Synthese, Biokonversion, nachwachsende Rohstoffquellen für die Chemie des 21. Jahrhunderts, erneuerbare Energien, Wasserstoff, alternative Lösemittel und Reaktorkonzepte. Zum tieferen Verständnis ist die Lektüre der Kapitel 10 und 11 (organische Chemie) sinnvoll. Aufgaben mit Lösungen verdichten den Stoff auf Examensniveau. Abfallvermeidung ist das grundsätzliche Ziel einer nachhaltigen Chemie. Bei atomökonomischen Reaktionen finden sich möglichst viele Atome der Edukte im Endprodukt wieder und münden nicht in ungenutzte Nebenprodukte.

Wie werden Wasserstoff, Lithium, Natronlauge und Titan gewonnen? Kapitel 14 gibt eine fundierte Zusammenstellung der Stoffchemie, wie sie begleitend zum anorganisch-analytischen Grundpraktikum an Universitäten und Fachhochschulen gelehrt wird. Übersichtliche Tabellen verdichten den inneren Zusammenhang und die Gemeinsamkeiten der chemischen Elemente, Verbindungen und Nachweisreaktionen -- und stellen unter der zeitlichen Belastung des Laborbetriebs wirksam Stoffwissen, daraus abgeleitete Analogien und praktische Schlussfolgerungen bereit. Das Kapitel wird traditionell von Studierenden der Chemie und Pharmazie befragt, ehe die klassischen Lehrbücher im weiteren Studienverlauf folgen. Für Studierende der Ingenieurfächer und Umweltwissenschaften bietet die Zusammenstellung eine Reise durchs Periodensystem, von den strategischen Rohstoffen zu den anorganisch-technischen Anwendungen.

Das Kapitel gibt eine fundierte Einführung in die Kennzeichnungen nach dem Global Harmonischen System, erklärt Arbeitsplatzgrenzwerte, sicherheitsrelevante Kennzahlen, besorgniserregende Stoffe und den vernünftigen Umgang mit Chemikalien. Studierende an Fachhochschulen und Universitäten nutzen den anwendungsnahen Text und die Übungsaufgaben mit Lösungen zur Vorbereitung der Sicherheitsunterweisung und Klausur, die zum Eintritt in Chemiepraktika berechtigen. Die Verordnungen der Europäischen Gemeinschaft gelten in den Mitgliedsstaaten unmittelbar. Auf der Richtlinie 67/548/EWG basiert das deutsche Chemikaliengesetz.