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2015 | Book

Chemie in Technik und Umwelt Read chapter Read first chapter

Chemie

Grundlagen, Aufbauwissen, Anwendungen und Experimente

Author: Peter Kurzweil

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

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

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About this book

Kompakt, übersichtlich, anschaulich und verständlich stellt diese Jubiläumsauflage alle Grundlagen der Chemie dar. Immer wird ein Bezug zu technischen Anwendungen hergestellt. Aufgaben mit Lösungen, Formelübersichten und Rechenbeispiele ermöglichen ein erfolgreiches Selbststudium in der Lehre und im Praxisalltag. Umfangreiche Tabellen mit Stoffwerten und das Stichwortregister mit 2100 Eintragungen führen zielsicher zur Information. Die aktualisierte 10. Auflage wurde ergänzt und durchgehend vierfarbig gestaltet.

Table of Contents

Frontmatter

Allgemeine und Anorganische Chemie

Frontmatter
1. Chemie in Technik und Umwelt
Zusammenfassung
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. ROBERT 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“ (arab. alchimia’). Zwischen 1800 und 1900 stieg die mittlere Lebenserwartung von 30 auf 60 Jahre. Glas, Seife, Porzellan und Textilien eroberten die zivilisierte Welt. Nachdem es gelungen war, der englischen Kohle die flüchtigen Bestandteile zu entziehen, verdrängte Koks die Holzkohle. Der erste Hochofen am schottischen Fluss Carron erzeugte 1760 hochwertiges Eisen für militärisches Gerät. Die Herstellung von drei Kilogramm Holzasche – mit der für Seifen und Glas wichtigen Pottasche – forderte damals eine Tonne Buchenholz!
Peter Kurzweil
2. Aufbau der Materie
Zusammenfassung
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. Atommodelle veranschaulichen Aussagen über Atome und atomare Vorgänge in vereinfachter Form.
Die Entdeckung der Radioaktivität gegen Ende des 19. Jahrhunderts zerstörte die Vorstellung von der Unteilbarkeit der Atome. Nach zweieinhalbtausend Jahren fand damit die Naturphilosophie bedeutender Griechen ihre experimentelle Bestätigung. Bereits im Altertum war DEMOKRIT (400 v. Chr.) der Ansicht, dass die gesamte Materie aus sehr kleinen, unteilbaren Teilchen aufgebaut sei. PLATON (427–347 v. Chr.) und ARISTOTELES (384–322 v. Chr.) lehnten die Atomistik ab. Warum sollte das gedankliche Zerteilen der Materie bei den Atomen halt machen? EPIKUR postulierte Atome, da Materie durch unbegrenzte Teilung vernichtet würde. Um 1650 gingen Atome als Naturbausteine (minima naturalia) in die Stofflehre ein.1 BOYLE ordnete die wüsten Teilchenaggregate durch Strukturen und NEWTONs Gravitation (1686) erklärte ihren Zusammenhalt.
Peter Kurzweil
3. Periodensystem der Elemente (PSE)
Zusammenfassung
Kapitel 3 behandelt den anschaulich Aufbau des Periodensystems, den Elementbegriff und die Vorhersage von periodischen Eigenschaften. 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:
a)„einfache Stoffe“ wie Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff,
b) „einfache nichtmetallische oxydable und acidifiable Substanzen“ wie Schwefel, Phosphor, Kohlenstoff,
c) „einfache metallische oxydable“ und in Salze überführbare Substanzen wie Kupfer, Eisen, Silber.
Jeder Stoff ist als Element anzusehen, solange er mit den bekannten Verfahren nicht weiter zerlegt werden kann. Chemische Elemente (Grundstoffe) lassen sich auf chemischem Wege nicht in andere Stoffe zerlegen. Sie bestehen aus Atomen gleicher Ordnungszahl.
Peter Kurzweil
4. Kernchemie, Kernenergie, Oberflächenanalytik
Zusammenfassung
Kapitel 4 behandelt Elementarteilchen, Isotope, künstliche und natürliche Radioaktivität, Kernreaktionen und Zerfallsreihen, Zerfallsgesetz und radioaktive Altersbestimmung, Dosimetrie und Strahlenschutz, Kernspaltung und Kernfusion, Röntgenstrahlung, Methoden der Radiochemie 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. Das Elektron gilt als unteilbares Elementarteilchen.
Proton und Neutron bestehen aus Quarks.
Peter Kurzweil
5. Chemische Bindung und Struktur
Zusammenfassung
Kapitel 5 schlägt die Brücke zwischen Chemie und Werkstofftechnik: chemische Bindung in Theorie und Praxis, zwischenmolekulare Kräfte von H-Brücken bis zu Biopolymeren, Koordinationsverbindungen einschließlich Hybridisierungsmodell und Ligandenfeldtheorie, Aufbau und Beschreibung von Kristallen und Gefügen, Phasendiagramme und Legierungen, Keramik, Verbundwerkstoffe, 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.
[weiter mit Text oben: Warum...]
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.
Die chemische Bindung beschreibt den Zusammenhalt der Atome in Molekülen und Kristallgittern, sowie ihre räumliche Gestalt (Struktur). Metall-, Ionen- und Atombindung erklären ganz unterschiedliche Stoffeigenschaften. Die meisten chemischen Elemente kommen in der Natur in Form von Verbindungen vor. Nur wenige – wie Gold, Silber, Schwefel, Kohlenstoff – treten elementar (gediegen) auf. In den chemischen Verbindungen verlieren die Elementatome ihre ursprünglichen Eigenschaften.
Peter Kurzweil
6. Chemische Reaktionen und Thermochemie
Zusammenfassung
Kapitel 6 erklärt chemische Formeln und Reaktionen, stöchiometrische Berechnungen anhand praktischer Beispiele, Verbrennung und Thermochemie, Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht, heterogene und homogene Katalyse mit Anwendungsbeispielen, 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.
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).
Peter Kurzweil
7. Säuren, Basen, Luftschadstoffe
Zusammenfassung
Kapitel 7 stellt die Definition, Nomenklatur und Chemie der Säuren, Basen, und Salze, sowie Neutralisation und Hydrolyse, Verfahren der Maßanalyse, Titrationskurven, Indikatoren, Pufferlösungen, die Umrechnung von Konzentrationsmaßen und Verdünnungen, die pH-Rechnung und unverzichtbares analytisches Grundwissen zweckmäßig an praktischen Anwendungsfällen dar. Anschauliche Tabellen und Formelübersichten unterstützen in der universitären und schulischen Ausbildung, beim quantitativ-analytischen Laborpraktikum für Chemiker, Pharmazeuten und Ingenieure, sowie als kompaktes Nachschlagewerk in der Berufspraxis.
Dass Ameisensäure auf der Haut brennt, weiß jedes Kind. Verätzungen mit Säuren und Basen (Laugen) sollen durch Arbeitsschutzmaßnahmen verhindert werden. LIEBIG erkannte: Schüttet man Säuren und Basen zusammen, neutralisieren sie einander und es entstehen Salze.
ARRHENIUS erklärte die ätzende Wirkung mit der Bildung von Wasserstoffionen H+ und Hydroxidionen OH–, wenn Säuren bzw. Basen beim Lösen in Wasser zerfallen. Diese Dissoziation ist eine exotherme chemische Reaktion.
Säuren bilden durch Dissoziation in wässriger Lösung H+-Ionen und Basen OH–-Ionen.
Salze bestehen aus Metallkationen und Säurerestanionen.
In der Chemie ist ein Stoff sauer, wenn er der Base Protonen schenkt! BRÖNSTED und LOWRY prägten die heutige Vorstellung von Säure-Base-Paaren. Säuren sind Moleküle oder Ionen, die H+ abgeben und dabei die korrespondierende Base bilden. Basen sind Moleküle oder Ionen, die H+ aufnehmen, und dabei die korrespondierende Säure bilden.
Peter Kurzweil
8. Lösungen, Fällungen, Wasserchemie
Zusammenfassung
Kapitel 8 erklärt anhand praktischer Beispiele: Lösungen, Löslichkeitsprodukt, Aktivitätskoeffizienten, Fällungsreaktionen und Gravimetrie, Fremdioneneinfluss auf die Fällung von Niederschlägen. Der Text richtet sich an Studierende an 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 und begleiten chemische Grundlagenvorlesungen und analytisch-chemische Praktika.
Lösungen im engeren Sinn sind homogene Gemenge aus einem flüssigen Lösungsmittel (Dispersionsmittel) und einem gelösten Stoff (disperse Phase), der fest, flüssig oder gasförmig, molekular oder salzartig sein kann.
Der Lösungsvorgang schreitet von der Kristalloberfläche ins Kristallinnere fort. Wasser ist ein ideales Lösungsmittel für Ionen. Es schwächt die COULOMB-Anziehungskräfte im Kristall, weil sich die Permittivität (Dielektrizitätszahl) der Umgebung von εr = 1 im Vakuum auf εr = 78 in Wasser ändert. Durch die Wärmebewegung zerfällt das Kristallgitter. Bei der Solvatation – in Wasser Hydratation genannt – umhüllen Lösungsmittelmoleküle die freien Ionen und Dipole des gelösten Stoffes unter Ausbildung von Ion-Dipol-Komplexen und Dipol-Dipol-Aggregaten. Beim Lösen eines Salzes wie CaCl2·6 H2O kühlt die wässrige Lösung ab, weil die Gitterenergie durch die Hydratationsenthalpie nicht gedeckt wird. Bei Alkalihydroxiden und Schwefelsäure wird Lösungswärme frei, weil die Hydratationsenthalpie die Gitterenergie übersteigt.
Peter Kurzweil
9. Elektrochemie
Zusammenfassung
Der übersichtlich gestaltete Text wendet sich an Studierende aller naturwissenschaftlich-technischen Fachrichtungen an Fachhochschulen und Universitäten, sowie 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.
Peter Kurzweil

Organische Chemie

Frontmatter
10. Kohlenwasserstoffe
Zusammenfassung
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.
Peter Kurzweil
11. Stoffklassen und technische Anwendungen
Zusammenfassung
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 und eignet sich auch als Repetitorium und Ausblick für Lernende in der gymnasialen Oberstufe und an Fachschulen. Aufgaben mit Lösungen verdichten den Stoff auf Examensniveau.
Funktionelle Gruppen bestimmen als „aktive Stellen“ im Molekül die chemischen Eigenschaften, während sich das Kohlenwasserstoffgerüst reaktionsträge verhält. Organische Verbindungen werden nach dem Stammkohlenwasserstoff benannt und die funktionellen Gruppen und Seitenketten alphabetisch voran gestellt. Die höchstwertige funktionelle Gruppe bestimmt die Stoffklasse.
Viele Verbindungen tragen Trivialnamen, die anstelle der komplizierten systematischen Namen verwendet werden. Für Arzneistoffe gelten Freinamen (INN = International Nonproprietary Name) der Weltgesundheitsorganisation.
Peter Kurzweil
12. Polymerchemie
Zusammenfassung
Das mit übersichtlichen Tabellen gestaltete Kapitel richtet sich an Studierende der Kunststofftechnik und chemienahen Studiengängen an technischen Hochschulen; es eignet sich als Einführung und Ausblick für Lernende in der gymnasialen Oberstufe und an Fachschulen für Technik und Laborberufe.
Die makromolekulare Chemie und Kunststofftechnik (Polymer Engineering) umfasst die Gewinnung, Verarbeitung, Nutzung und Entsorgung von Kunststoffen.
Kunststoffe (Polymere) sind makromolekulare organische Verbindungen („Riesenmoleküle“), die aus niedermolekularen Grundbausteinen (Monomeren) aufgebaut sind.
Makromoleküle sehen wie lineare oder verzweigte Ketten oder räumliche Netzwerke aus. Durch Polymerisation oder Copolymerisation oder das Mischen (Blending) von Kunststoffen werden Polymerwerkstoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften hergestellt. Polymerwerkstoffe werden nach ihrem Umformverhalten eingeteilt.
Peter Kurzweil
13. Nachhaltige Chemie
Zusammenfassung
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, biogene Rohstoffquellen für die Chemie des 21. Jahrhunderts, erneuerbare Energie, 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. Der Atomnutzungsgrad (atom economy) ist das Verhältnis aus der molaren Masse des Zielprodukts und der molaren Masse aller Edukte.
Atomökonomisch verlaufen: Umlagerungen, Additionen und DIELS-ALDER-Reaktionen.
Unökonomisch sind: Substitution, Eliminierung (außer Wasser), WITTIG- und GRIGNARD-Reaktionen.
Peter Kurzweil

Anorganische Stoffchemie – Gefahrstoffe und Arbeitsschutz

Frontmatter
14. Chemie der Elemente
Zusammenfassung
Kapitel 14 gibt eine kompakte und 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 und ihrer 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. Studierenden der Ingenieurfächer und Umweltwissenschaften bietet die Zusammenstellung eine auf dem Buchmarkt einmalige Einführung in die Anorganische Chemie und ihre technischen Anwendungen, nicht nur zum Nachschlagen.
Peter Kurzweil
15. Chemikalien am Arbeitsplatz
Zusammenfassung
Das Kapitel gibt eine fundierte Einführung in die Chemikaliensicherheit nach dem Global Harmonischen System, erklärt Arbeitsplatzgrenzwerte, sicherheitsrelevante Kennzahlen und den vernünftigen Umgang mit Chemikalien. Für Studierende an Universitäten und Fachhochschulen, die ein Chemiepraktikum ableisten müssen, helfen der anwendungsnahe Text und die Übungsaufgaben mit Lösungen bei der Vorbereitung der Sicherheitsunterweisung und der Klausur, die zum Eintritt in Praktika berechtigen.
Die Verordnungen der Europäischen Gemeinschaft gelten in den Mitgliedsstaaten unmittelbar. Auf der Richtlinie 67/548/EWG basiert das deutsche Chemikaliengesetz.
Das Chemikaliengesetz verpflichtet zur Prüfung, Anmeldung, Einstufung, Kennzeichnung, Verpackung von Stoffen und Umsicht am Arbeitsplatz und bei der Entsorgung.
Die Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) präzisiert die Handhabung gefährlicher Arbeitsstoffe. Der staatliche Ausschuss für Gefahrstoffe (AGS) ist zuständig für Fragen des Arbeitsschutzes. Die Technischen Regeln Gefahrstoffe (TRGS) geben praktische Anwendungshilfe.
Peter Kurzweil
Backmatter
Metadata
Title
Chemie
Author
Peter Kurzweil
Copyright Year
2015
Electronic ISBN
978-3-658-08660-2
Print ISBN
978-3-658-08659-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-08660-2

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