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2017 | Book

Elemente – sämtliche Materie besteht aus 92 verschiedenen Elementen Read chapter Read first chapter

Chemie für Einsteiger

Author: Prof. Dr. Josef K. Felixberger

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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About this book

Das Buch ist eine leicht verständliche Einführung in die Welt der Chemie mit hohem praktischem Nutzen, angereichert mit zahlreichen anschaulichen Beispielen aus Alltag, Industrie, Wirtschaft, Politik und Geschichte. Eine reich bebilderte Darstellung der Allgemeinen und Anorganischen Chemie, der Organischen Chemie und Biochemie und last, but not least der Polymerchemie und Kunststoffverarbeitung. Gleichermaßen empfehlenswert für Studienanfänger mit Nebenfach Chemie, für Kaufleute und Techniker, Schüler und Lehrer sowie für interessierte Laien.

Table of Contents

Frontmatter

Allgemeine Chemie

Frontmatter
1. Elemente – sämtliche Materie besteht aus 92 verschiedenen Elementen
Zusammenfassung
Die Vielfalt der Materie, die sich vom Mikrokosmos bis in die Tiefe des Weltalls erstreckt, hat von jeher zum Staunen und Nachdenken Anlass gegeben. Da strukturieren unsichtbare Kräfte Zehntausende Galaxien zu Superhaufen mit unvorstellbaren 200 Mio. Lichtjahren Durchmesser (ca. 2000 Billionen km), während im molekularen Bereich winzige Strukturen in der Größenordnung von wenigen Zehntel Nanometer vorherrschen. Dazwischen eingebettet ist das Wunder des Lebens – Flora, Fauna, Mensch. So verwundert es nicht, wenn nicht nur Goethes Faust sich wünscht „ … dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält“ (Johann Wolfgang von Goethe, Faust I, Vers 382 f), sondern sich auch Philosophen seit Menschengedenken Fragen stellen nach dem Woher und Wohin von Mensch und kosmischer Ordnung.
Josef K. Felixberger
2. Atome – massiver Kern umgeben von einer mehrschaligen Elektronenhülle
Zusammenfassung
AtomAtommodellAtommodellDaltonDer griechische Naturphilosoph Demokrit (460–370 v. Chr.) ging davon aus, dass Materie sich aus kleinsten, unteilbaren Atomen (atomos, gr. für unteilbar) zusammensetzt. Atome seien unveränderlich, von ewiger Existenz und mit den Sinnen als diskrete Teilchen nicht wahrnehmbar. Sie können in mannigfaltigen Formen, Größen und Oberflächen auftreten und wie Legosteine beliebig miteinander kombiniert werden, sodass die unterschiedlichsten materiellen Ausformungen entstehen. Die Atomvorstellungen Demokrits gingen über die Jahrhunderte verloren und wurden erst durch den englischen Chemiker John Dalton wiederbelebt.
Josef K. Felixberger
3. Das Periodensystem – Anordnung der Elemente nach drei Ordnungskriterien
Zusammenfassung
Mitte des 19. Jahrhunderts gab es zwar die Theorie von Atomen als kleinste unteilbare Einheiten der Elemente, aber keine konkreten Vorstellungen über die Struktur dieser Teilchen. Von den 92 natürlich vorkommenden Elementen kannte man lediglich 60; sämtliche Edelgase waren noch unentdeckt. Es war bereits damals klar, dass die Atome unterschiedlicher Elemente verschiedene Massen aufweisen. Erst die Festlegung der relativen Atommassen auf dem Karlsruher Kongress 1860, dem ersten internationalen Symposium für moderne Chemie, brachte den Durchbruch in den Bemühungen, Ordnung und Regelmäßigkeiten zwischen den Elementen herzustellen.
Josef K. Felixberger
4. Chemische Bindung – Elemente streben Edelgaskonfiguration an
Zusammenfassung
Edelgase, die erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt wurden, galten lange Zeit als völlig unreaktiv (inert). Edelgase gehen so gut wie keine chemischen Verbindungen ein. Nur die schweren Edelgase Krypton, Xenon und Radon reagieren mit dem extrem reaktiven Fluor. Da chemische Reaktionen in der Sphäre der Valenzelektronen erfolgen, lohnt es sich, die Elektronenkonfiguration der Edelgase genauer zu betrachten.
Josef K. Felixberger
5. Stöchiometrie – das Zahlengerüst der Chemie
Zusammenfassung
Die Stöchiometrie (stocheion, gr. für Grundstoff und metron, gr. für Mass) ist das mathematische Grundgerüst der Chemie zur Berechnung quantitativer Beziehungen basierend auf chemischen Reaktionsgleichungen. Sie befasst sich mit der mengenmäßigen Zusammensetzung chemischer Verbindungen und den Stoffmengenverhältnissen von Ausgangstoffen (Edukten) und Produkten chemischer Reaktionen. Rohstoffe im stöchiometrischen Verhältnis einzusetzen bedeutet, sie gemäß der zugrunde liegenden chemischen Reaktionsgleichung im exakt richtigen Stoffmengenverhältnis zur Reaktion bringen.
Josef K. Felixberger
6. Stoffe – zwischenmolekulare Wechselwirkungen erklären die Aggregatzustände
Zusammenfassung
Der Begriff Stoff im chemischen Sinne ist jedermann geläufig. So sind die Elemente Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff etc. elementare Bausteine der Materie. Kunststoffe, Treibstoffe, Arzneistoffe, Rohstoffe, Farbstoffe etc. erleichtern und verbessern unser alltägliches Leben. Die chemischen Abläufe in lebendigen Organismen werden in ihrer Gesamtheit als Stoffwechsel bezeichnet. Stoffe weisen Masse auf und nehmen Raum in Anspruch. Die Chemie als Naturwissenschaft befasst sich mit dem Aufbau, der Herstellung und den Eigenschaften von Stoffen.
Josef K. Felixberger
7. Trennen von Stoffgemischen
Zusammenfassung
Bei chemischen Reaktionen entstehen oft Stoffgemische. So fällt beispielsweisebei der Herstellung eines pharmazeutischen Wirkstoffs auch noch ein Salz als Nebenprodukt an. Da dieses physiologische Nebenwirkungen aufweisen kann, muss es entfernt werden. Die Abtrennung eines Nebenproduktes bzw. die Reinigung des Hauptproduktes kann sehr zeitaufwendig und kostenintensiv sein. Für die ökonomische Entfernung von Nebenprodukten bei industriellen Großverfahren bedarf es Experten-Know-how und Erfahrung. Darüber hinaus muss für das „Abfallprodukt“ eine Verwendung gefunden werden, da dessen Entsorgung unwirtschaftlich wäre.
Josef K. Felixberger
8. Thermodynamik – chemische Reaktionen gehen mit Energieumwandlung einher
Zusammenfassung
Die chemische Thermodynamik (Wärmelehre) befasst sich mit den Gesetzmäßigkeiten von Energieumwandlungsvorgängen bei chemischen Reaktionen. Da dabei die Wärme eine entscheidende Rolle spielt, ist es das vorrangige Ziel der chemischen Thermodynamik, quantitative Zusammenhänge zwischen Stoff- und Wärmeumsatz herzustellen.
Josef K. Felixberger
9. Kinetik – Reaktionsgeschwindigkeit hängt von Temperatur und Konzentration ab
Zusammenfassung
Das „Umkippen“ von Wein und das „Ausbleichen“ von Ölgemälden sind langsame über Jahre ablaufende chemische Prozesse. Dagegen erfolgt die Verbrennung von Benzin im Ottomotor, eine Mehlstaubexplosion (Abb. 9.1) oder die Detonation von Dynamit extrem schnell.
Josef K. Felixberger
10. Säuren und Basen – der pH-Wert macht den Unterschied
Zusammenfassung
Säuren, Basen und Salze sind allgegenwärtig (Abb. 10.1). So würzen wir unsere Salate mit Essig (Essigsäure), schützen uns mit Vitamin C (Ascorbinsäure) aus Südfrüchten vor Erkältungen und ohne Milchsäure gäbe es keinen Joghurt. Magensäure (0,5 %ige Salzsäure) hilft nicht nur bei der Verdauung, sondern auch beim Abtöten von Krankheitserregern in der Nahrung. Ameisen, Quallen und Brennnessel schützen sich mit Ameisensäure vor allzu zudringlichen Zeitgenossen. Ohne Batteriesäure (Schwefelsäure) in Bleiakkumulatoren, kein bequemer Start von Verbrennungsmotoren. Fruchtsäuren wie Zitronensäure, Weinsäure und Apfelsäure verleihen den entsprechenden Früchten ihren einzigartigen Geschmack. Saure Kalkreiniger lösen unansehnliche Kalkflecken auf Fliesen, Armaturen und Sanitärkeramik auf und führen diese in leicht abspülbare, wasserlösliche Salze über.
Josef K. Felixberger
11. Readoxreaktionen – Elektronenübergang zwischen Atomen
Zusammenfassung
Kohlefeuer, Eisenkorrosion und die Verstoffwechslung von Glucose basieren auf chemischen Redoxreaktionen. Redoxreaktionen ermöglichen auch den Antrieb von Elektroautos, die Herstellung von Metallen aus Erzen (Abb. 11.1), das Starten von Verbrennungsmotoren und die Photosynthese von Kohlenhydraten aus Kohlendioxid und Wasser.
Josef K. Felixberger

Anorganische Chemie

Frontmatter
12. Nichtmetalle – alle Nichtmetalle sind Hauptgruppen-Elemente
Zusammenfassung
Generell werden Elemente in Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle unterteilt. Die Halbmetalle Bor, Silicium, Germanium, Arsen, Antimon, Selen, Tellur, Polonium und Astat (Abb. 12.1, gelb) trennen die auf der linken Seite des PSE angesiedelten Metalle (69 Elemente, hellblau hinterlegt) von den auf der rechten Seite anzutreffenden Nichtmetallen (16 Elemente, grün hinterlegt). Die Halbmetalle werden mit Ausnahme von Bor in Kap. 13 besprochen.
Josef K. Felixberger
13. Hauptgruppenmetalle – Metalle mit stark variierenden Eigenschaften
Zusammenfassung
Die meisten Elemente des Periodensystems der Elemente (PSE) sind Metalle (Abb. 13.1 und 13.2, blau hinterlegt). Zieht man von Bor (13. Gruppe, Kopfelement) zu Astat (17. Gruppe, letztes Element) eine Gerade, dann sind alle Elemente links davon Metalle und rechts davon Nichtmetalle. Elemente, die direkt auf oder neben dieser Trennlinie liegen, sind in den Eigenschaften und Reaktionsverhalten zwischen Metallen und Nichtmetallen angesiedelt und werden deshalb als Halbmetalle bezeichnet. Generell gilt, dass in Gruppen des PSE der metallische Charakter von oben nach unten zunimmt und in Perioden von links nach rechts abnimmt.
Josef K. Felixberger
14. Nebengruppenmetalle – Metalle von hohem kommerziellen Interesse
Zusammenfassung
Während Hauptgruppenelemente ausschließlich s- und p-Orbitale mit Valenzelektronen besetzen, sind ab der 4. Periode auch d-Orbitale den Elektronen energetisch zugänglich. Somit enthält beispielsweise die 4. Periode 18 anstatt 8 Elemente wie die Perioden 2 und 3. Da die d-Orbitale der zweitäußersten Schale angehören, ähneln sich Nebengruppenelemente wesentlich stärker in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften als Hauptgruppenelemente.
Josef K. Felixberger
15. Lanthanoide und Actinoide – Metalle mit außergewöhnlichen Eigenschaften
Zusammenfassung
Die auf das Element Lanthan (3. Nebengruppe, 6. Periode) folgenden 14 Elemente werden als lanthanähnliche Elemente oder LanthanoideLanthanoide (früher: Lanthanide) bezeichnet. Definitionsgemäß zählt Lanthan selbst nicht zu den Lanthanoiden. Generell wird der Platzhalter Ln für Lanthanoidenelemente verwendet.
Josef K. Felixberger

Organische Chemie

Frontmatter
16. Kohlenwasserstoffe – Grundbausteine der organischen Chemie
Zusammenfassung
Der Begriff organische Chemie wurde 1784 von T. Bergmann, einem schwedischen Chemiker, für die Stoffe der belebten Welt, also der Tier- und Pflanzenwelt eingeführt. Organische Stoffe konnten damals im Labor nicht hergestellt werden, sodass bis ins 19. Jahrhundert die Lehrmeinung galt, dass diese ausschließlich im lebenden Organismus (Pflanze, Tier, Mensch) nur mithilfe einer mystischen Lebenskraft (lat. vis vitalis) erzeugt werden können.
Josef K. Felixberger
17. Organische Sauerstoffverbindungen – Sauerstoff erhöht die Molekülvielfalt
Zusammenfassung
Bisher beschäftigten wir uns ausschließlich mit Kohlenwasserstoffen (KW). Durch C-C-Mehrfachbindungen und Verzweigung resp. Cyclisierung des Kohlenstoffgerüstes ergeben sich zahllose Strukturvariationen für KW. Die Vielfalt erhöht sich erheblich, wenn zusätzlich Heteroatome wie Sauerstoff im Molekül enthalten sind. Außerdem nehmen aufgrund der hohen Elektronegativität des Sauerstoffs die Polarität und dadurch die Reaktivität der Verbindungen erheblich zu. Atomgruppen, die Heteroatome, also andere Atome als Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten, bestimmen maßgeblich die physikalischen und chemischen Eigenschaften und werden deshalb als funktionelle Gruppen bezeichnet. Sauerstoff ist Element der 16. Gruppe (6. Hauptgruppe) des PSE und weist somit sechs Valenzelektronen auf. Sauerstoff geht zwei Kovalenzbindungen ein, um das energetisch präferierte Elektronenoktett zu erzielen. Dabei kann es zwei Einfachbindungen oder eine Doppelbindung eingehen. Abbildung 17.1 zeigt Beispiele wichtiger organischer Sauerstoffverbindungen.
Josef K. Felixberger
18. Organische Stickstoffverbindungen Organische Stickstoffverbindungen – Stickstoff steigert die Reaktivität
Zusammenfassung
Dem Element Stickstoff (N) kommt in der belebten Welt hohe Bedeutung zu, da es als zentraler Bestandteil von Aminosäuren, Proteinen und Desoxyribonucleinsäure (engl. deoxyribonucleic acid, DNA) die Vielfalt des Lebens erst ermöglicht. Abbildung 18.1 zeigt wichtige Verbindungsklassen mit stickstoffhaltigen funktionellen Gruppen.
Josef K. Felixberger
19. Organische Schwefelverbindungen – Schwefel sorgt für Geruch
Zusammenfassung
Das Element Schwefel ist in der belebten Welt allgegenwärtig. Schwefel ist essenzieller Bestandteil physiologisch wichtiger Verbindungen wie der Aminosäuren Cystein, Taurin und Methionin, des Vitamins B1 und des Gerinnungshemmers Heparin. Leichtflüchtige Schwefelverbindungen weisen einen unangenehmen Geruch auf, der mit zunehmender molarer Masse der Verbindung abnimmt.
Josef K. Felixberger
20. Biomoleküle – Chemie und Leben sind eng miteinander verknüpft
Zusammenfassung
Die Natur verblüfft uns immer wieder aufs Neue durch ihre Diversität. Hunderttausende Arten an Pflanzen und Tieren und Milliarden von menschlichen Individuen „bevölkern“ den Planet Erde und passen sich ständig wechselnden Umweltbedingungen an. Umso erstaunlicher ist es, dass Struktur und Metabolismus aller Lebewesen nur von wenigen, sog. Biomolekülen aufrechterhalten werden. Biomoleküle bestehen fast ausschließlich aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel oder Phosphor. In diesem Kapitel werden wir die vier wichtigsten Arten von Biomolekülen Proteine, Kohlenhydrate, Lipide, Nukleinsäuren und deren Bausteine kennenlernen.
Josef K. Felixberger

Polymerchemie

Frontmatter
21. Polymere – viele Monomermoleküle verbinden sich zu einem Makromolekül
Zusammenfassung
Kunststoff, der umgangssprachlich auch als Plastik oder Plaste bezeichnet wird, ist der Werkstoff der modernen Zeit. Zukünftige Geschichtsschreiber werden in der Retrospektive die aktuelle Epoche der Menschheitsgeschichte in Anlehnung an die Steinzeit als Kunststoffzeit deklarieren. Kunststoffe begleiten uns in allen Lebensbereichen, sei es als Verpackungsmaterialien, Fahrradhelme, Aktentaschen, Textilien, Computerchassis, Wärmedämmungen, Bodenbeläge, Zahnpastatuben, Schreibstifte etc.
Josef K. Felixberger
22. Polymerisation – Mechanismen, Verfahren, Produkte
Zusammenfassung
Der Aufbau von Makromolekülen aus einfachen Monomeren kann nach drei verschiedenen Mechanismen erfolgen: radikalische Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition.
Josef K. Felixberger
23. Kunststoffe – Additive verbessern Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften
Zusammenfassung
Erst Additive (Zusatzstoffe) modifizieren die Eigenschaften von Polymeren so, dass diese alltagstaugliche Kunststoffe ergeben. So wird beispielsweise hartes, sprödes PVC erst mit 15 % Weichmacher flexibel genug, um z. B. für Bodenbeläge verwendet zu werden. Das Verblenden von Polymeren mit Additiven zu gebrauchsfertigen Kunststoffen wird als Compoundieren bezeichnet. Die Polymerverträglichkeit des Zusatzstoffes ist Grundvoraussetzung, da Unverträglichkeiten mit der Zeit zur Entmischung von Polymer und Additiv führen würden, erkennbar an einem „Ausschwitzeffekt“ auf der Kunststoffoberfläche.
Josef K. Felixberger
Backmatter
Metadata
Title
Chemie für Einsteiger
Author
Prof. Dr. Josef K. Felixberger
Copyright Year
2017
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-52821-1
Print ISBN
978-3-662-52820-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-52821-1

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