Basiswissen Chemie

Allgemeine und Anorganische Chemie 4 5 4.6 1 Einführung: Stoffe und Maßeinheiten 3 5 1.1 Das Studium der Chemie 4 51 1.2 Einteilung von Stoffen 4 5 2 1.3 Eigenschaften von Stoffen 9 5 3 1.4 Physikalische und chemische Vorgänge 10 5 4 1.5 Trennung von Gemischen 12 5 5 1.6 Maßeinheiten 14 55 1.7 Messunsicherheiten 18 57 1.8 Dimensionsanalyse 21 53 2 Atome, Moleküle und Ionen 23 g 2.1 Die Atomtheorie 24 2.2 Die Entdeckung der Atomstruktur 24 51 2.3 Die moderne Sichtweise der Atomstruktur ... 28 52 2.4 Atommasse 29 53 2.5 Das Periodensystem der Elemente (PSE) 31 2.6 Ionen und ionische Verbindungen 33 54 2.7 Molekular aufgebaute Verbindungen und 5 5 ihre Darstellung in Formeln 36 5 5 2.8 Moleküle und molekulare Verbindungen 39 57 6.8 3 Stöchiometrie: 69 Das Rechnen mit chemischen Formeln und Gleichungen 41 3.1 Chemische Gleichungen 42 ^ 3.2 Häufig vorkommende chemische Reaktionsmuster 43 71 3.3 Formelmasse 46 72 3.4 Die Avogadrokonstante und das Mol 46 7 3 3.5 Bestimmung der empirischen Formel 7 4 aus Analysen 49 7 5 7.6 Quantitative Informationen aus Reaktionsgleichungen 51 Reaktionen in Wasser und Stöchiometrie in Lösungen 55 Allgemeine Eigenschaften wässriger Lösungen 57 Fällungsreaktionen 59 Säure-Base-Reaktionen 62 Redoxreaktionen 65 Konzentrationen von Lösungen 69 Stöchiometrie und chemische Analyse 72 Thermochemie 75 Die Natur der Energie 76 Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik 79 Die Enthalpie, eine Zustandsgröße 83 Reaktionsenthalpien 85 Kalorimetrie 87 Der Hess'sche Satz 91 Bildungsenthalpien 92 Nahrungsmittel und Brennstoffe 97 Die elektronische Struktur der Atome 101 Die Wellennatur des Lichts 102 Gequantelte Energien und Photonen 104 Linienspektren und das Bohr'sche Atommodell 106 Das wellenartige Verhalten von Materie 109 Quantenmechanik und Atomorbitale 110 Darstellung von Orbitalen 113 Mehr-Elektronen-Atome 116 Elektronenkonfigurationen 117 Elektronenkonfigurationen und das Periodensystem (PSE) 122 Periodische Eigenschaften der Elemente 125 Entwicklung des Periodensystems 126 Effektive Kernladung 127 Größen von Atomen und Ionen 129 lonisierungsenergie 132 Elektronenaffinitäten 135 Metalle, Nichtmetalle und Halbmetalle 136 8 Grundlegende Konzepte der chemischen Bindung 141 8.1 Chemische Bindungen, Lewis-Symbole und die Oktettregel 142 8.2 lonenbindung 143 8.3 Kovalente Bindung 147 8.4 Bindungspolarität und Elektronegativität 149 8.5 Valenzstrichformeln zeichnen 152 8.6 Mesomere Grenzformeln 154 8.7 Ausnahmen von der Oktettregel 154 8.8 Stärken von kovalenten Bindungen 156 9 Molekülstruktur und Bindungstheorien 157 9.1 Molekülformen 158 9.2 Das VSEPR-Modell 159 9.3 Molekülform und Molekülpolarität 165 9.4 Kovalente Bindung und Orbitalüberlappung... 166 9.5 Hybridorbitale 168 9.6 Mehrfachbindungen 173 9.7 Molekülorbitale 176 9.8 Zweiatomige Moleküle der zweiten Periode... 178 10 Gase 181 10.1 Eigenschaften von Gasen 182 10.2 Die ideale Gasgleichung 182 10.3 Gasmischungen und Partialdrücke 183 10.4 Die kinetische Gastheorie 184 11 Intermolekulare Kräfte, Flüssigkeiten und Festkörper 187 11.1 Ein molekularer Vergleich von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern 188 11.2 Intermolekulare Kräfte 189 11.3 Eigenschaften von Flüssigkeiten 194 11.4 Phasenübergänge 196 11.5 Dampfdruck 199 11.6 Phasendiagramme 200 11.7 Strukturen von Festkörpern 201 11.8 Bindung in Festkörpern 203 12 Moderne Werkstoffe 207 12.1 Stoffklassen 208 12.2 Weitere Werkstoffe 212 VI 13 Eigenschaften von Lösungen 213 13.1 Der Lösevorgang 214 13.2 Gesättigte Lösungen und Löslichkeit 217 13.3 Welche Faktoren beeinflussen die Löslichkeit? 218 13.4 Möglichkeiten für die Angabe von Zusammensetzungen 221 13.5 Kolligative Eigenschaften 224 13.6 Kolloide 228 14 Chemische Kinetik 231 14.1 Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen 232 14.2 Reaktionsgeschwindigkeiten 233 14.3 Konzentration und Reaktionsgeschwindigkeit 235 14.4 Die Änderung der Konzentration mit der Zeit 240 14.5 Temperatur und Reaktionsgeschwindigkeit... 244 14.6 Reaktionsmechanismen 249 14.7 Katalyse 252 15 Chemisches Gleichgewicht 255 15.1 Der Begriff des Gleichgewichts 257 15.2 Die Gleichgewichtskonstante 258 15.3 Interpretation von Gleichgewichtskonstanten 261 15.4 Heterogene Gleichgewichte 262 15.5 Berechnung von Gleichgewichtskonstanten... 263 15.6 Aussagen von Gleichgewichtskonstanten .... 265 15.7 Das Prinzip von Le Chätelier 268 16 Säure-Base-Gleichgewichte 275 16.1 Säuren und Basen: Eine kurze Wiederholung 276 16.2 Bransted-Lowry-Säuren und Basen 276 16.3 Die Autoprotolyse von Wasser 280 16.4 Die pH-Skala 282 16.5 Sehr starke Säuren und Basen 284 16.6 Schwächere Säuren 286 16.7 Schwächere Basen 291 16.8 Die Beziehung zwischen K s und K B 291 16.9 Säure-Base-Eigenschaften von Salzlösungen... 293 16.10 Säure-Base-Verhalten und chemische Struktur 294 16.11 Lewis-Säuren und-Basen 296 17 Weitere Aspekte von Gleichgewichten in wässriger Lösung 299 17.1 Der Einfluss gleicher Ionen 300 17.2 Gepufferte Lösungen 300 17.3 Säure-Base-Titrationen 307 17.4 Fällungsgleichgewichte 314 17.5 Faktoren, die die Löslichkeit beeinflussen .... 317 17.6 Ausfällen und Trennen von Ionen 323 18 Umweltchemie 325 18.1 Die Erdatmosphäre 326 18.2 Ozon in der oberen Erdatmosphäre 327 18.3 Chemie der Troposphäre 330 18.4 Weltmeere und Süßwasser 336 19 Chemische Thermodynamik 337 19.1 Spontane Prozesse 338 19.2 Entropie und der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik 339 19.3 Die molekulare Betrachtung der Entropie .... 341 19.4 Entropieänderungen bei chemischen Reaktionen 344 19.5 Freie Enthalpie 346 19.6 Freie Enthalpie und Temperatur 349 19.7 Freie Enthalpie und die Gleichgewichtskonstante 351 20 Elektrochemie 355 20.1 Oxidationszahlen 356 20.2 Das Ausgleichen von Redoxgleichungen 357 20.3 Galvanische Zellen 361 20.4 Die EMK einer galvanischen Zelle unter Standardbedingungen 365 20.5 Freie Enthalpie und Redoxreaktionen 372 20.6 Die EMK einer galvanischen Zelle unter Nichtstandardbedingungen 375 20.7 Batterien, Akkumulatoren und Brennstoffzellen 379 20.8 Korrosion 383 20.9 Elektrolyse 385 21 Nuklearchemie 391 21.1 Radioaktivität 392 21.2 Radioaktive Zerfallsraten 393 21.3 Nachweis und Messung von Radioaktivität . . . 396 21.4 Energieumsatz bei Kernreaktionen 397 22 Chemie der Nichtmetalle 399 22.1 Allgemeine Begriffe: Periodische Tendenzen und chemische Reaktionen 400 22.2 Wasserstoff 402 22.3 Gruppe 8A: Die Edelgase 406 22.4 Gruppe 7A: Die Halogene 408 22.5 Sauerstoff 414 22.6 Die übrigen Elemente der Gruppe 6A: S, Se, Te und Po 419 22.7 Stickstoff 423 22.8 Die übrigen Elemente der Gruppe 5A: P, As, Sb und Bi 428 22.9 Kohlenstoff 433 22.10 Die übrigen Elemente der Gruppe 4A: Si, Ge, Sn und Pb 438 22.11 Bor 442 23 Metalle und Metallurgie 445 23.1 Pyrometallurgie 447 23.2 Hydrometallurgie 449 23.3 Elektrometallurgie 450 23.4 Metallbindung und Legierungen 453 23.5 Übergangsmetalle 455 23.6 Chemie ausgewählter Übergangsmetalle (Chrom, Eisen und Kupfer) 458 24 Chemie von Koordinationsverbindungen 461 24.1 Metallkomplexe 462 24.2 Liganden mit mehr als einem Donoratom .... 465 24.3 Nomenklatur der Koordinationschemie 470 24.4 Isomerie 471 24.5 Farbe und Magnetismus 474 24.6 Kristallfeldtheorie 476 TEIL II Organische Chemie 25 Elektronenstruktur und Bindung • Säuren und Basen 483 25.1 Bindung in Methan und Ethan: Einfachbindungen 484 25.2 Bindung im Ethen: Doppelbindung 487 25.3 Bindung im Ethin: Dreifachbindung 488 25.4 Bindung im Methylkation, im Methylradikal und im Methylanion 490 25.5 Orbitalhybridisierung, Bindungslängen, Bindungsstärken und Bindungswinkel 491 25.6 Organische Säuren und Basen 492 25.7 Vorhersage des Resultats von Protonenübertragungsreaktionen 493 25.8 Der Einfluss der Struktur auf die Säurestärke 493 25.9 Der Einfluss von Substituenten auf die Säurestärke 496 25.10 Einfluss der Elektronendelokalisation 497 25.11 Der Effekt des pH-Wertes auf die Struktur.... 498 26 Organische Verbindungen: Nomenklatur, physikalische Eigenschaften und die Darstellung von Strukturen 501 26.1 Nomenklatur der Alkylradikale 506 26.2 Nomenklatur der Alkane 508 26.3 Nomenklatur der Cycloalkane 511 26.4 Nomenklatur der Halogenalkane 511 26.5 Nomenklatur der Ether 512 26.6 Nomenklatur der Alkohole 513 26.7 Nomenklatur der Amine 514 26.8 Strukturen der Halogenalkane, Alkohole, Ether und Amine 516 26.9 Physikalische Eigenschaften der Alkane, Halogenalkane, Alkohole, Ether und Amine... 517 26.10 Rotation um Kohlenstoff-Kohlenstoff- Bindungen 524 26.11 Cycloalkane: Ringspannung 526 26.12 Konformationen der Cydohexane 527 27 - Alkene - Struktur, Nomenklatur, Reaktivität • Thermodynamik und Kinetik 531 27.1 Summenformeln und der ungesättigte Charakter 532 27.2 Nomenklatur der Alkene 532 27.3 Die Struktur der Alkene 535 27.4 C/s/frans-lsomerie 535 27.5 Reaktionsverhalten der Alkene 537 27.6 Thermodynamische und kinetische Grundlagen 539 27.7 Reaktionskoordinatendiagramm für die Addition von HBr an But-2-en 545 28 Die Reaktionen der Alkene 547 28.1 Die Addition von Halogenwasserstoffen an Alkene 549 28.2 Die Stabilität von Carbokationen 550 28.3 Die Regioselektivität der elektrophilen Addition 551 28.4 Die Addition von Wasser und die Addition von Alkoholen 552 28.5 Die Addition von Halogenen 555 28.6 Die Addition von Wasserstoff • Die relativen Stabilitäten der Alkene 556 29 Stereochemie - Anordnung von Atomen im Raum 559 29.1 C/s/frans-lsomere 560 29.2 Chiralität 561 29.3 Asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome 562 29.4 Isomere mit einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom 562 29.5 Das Zeichnen von Enantiomeren 563 29.6 Die Benennung von Enantiomeren: Das R, S-System 564 29.7 Optische Aktivität 567 29.8 Die Messung einer spezifischen Drehung .... 569 29.9 Isomere mit mehr als einem asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom 570 29.10 Mesoverbindungen 572 30 Reaktionen der Alkine 575 30.1 Nomenklatur der Alkine 576 30.2 Die Benennung von Verbindungen mit mehr als einer funktionellen Gruppe 577 30.3 Die physikalischen Eigenschaften ungesättigter Kohlenwasserstoffe 578 30.4 Die Struktur der Alkine 579 30.5 Reaktionsverhalten der Alkine 580 30.6 Addition von Halogenwasserstoffen und von Halogenen an Alkine 580 30.7 Addition von Wasser an Alkine 582 30.8 Addition von Wasserstoff 583 30.9 Azidität eines an ein sp-hybridisiertes Kohlenstoffatom gebundenen Wasserstoffatoms 583 31 Delokalisierte Elektronen und ihre Effekte auf Stabilität und p/C s -Wert 585 31.1 Delokalisierte Elektronen im Benzol 586 31.2 Die Bindung im Benzolmolekül 588 31.3 Mesomere Grenzformeln und der mesomere Zustand 589 31.4 Das Zeichnen mesomerer Grenzformeln 590 31.5 Die vorhergesagten Stabilitäten von mesomeren Grenzformeln 593 31.6 Delokalisationsenergie 594 31.7 Der Effekt der Elektronendelokalisation auf den pK s -Wert 595 32 Substitutionsreaktionen der Halogenaikane 599 32.1 Reaktionen der Halogenaikane 600 32.2 Der Mechanismus der S N 2-Reaktion 601 32.3 Der Mechanismus der S N 1-Reaktion 606 32.4 Die Rolle des Lösemittels bei S N 1 -Reaktionen 608 33 Eliminierungsreaktionen der Halogenaikane • Konkurrenz zwischen Substitution und Eliminierung 611 33.1 Die E2-Reaktion 612 33.2 Die E1-Reaktion 613 33.3 Substitution und Eliminierung in der Synthese 615 34 Reaktionen der Alkohole 617 34.1 Nucleophile Substitution an Alkoholen: Halogenalkanbildung 618 34.2 Eliminierungsreaktionen von Alkoholen: Dehydratisierung 620 34.3 Die Oxidation von Alkoholen 622 35 Radikale • Reaktionen der Alkane 625 35.1 Alkane: reaktionsträge Verbindungen 628 35.2 Chlorierung und Bromierung der Alkane 628 35.3 Radikalstabilität 630 35.4 Radikalische Reaktionen in biologischen Systemen 630 36 Aromatizität • Reaktionen des Benzols 633 36.1 Stabilität aromatischer Verbindungen 634 36.2 Die beiden Kriterien für Aromatizität 636 36.3 Anwendung der Aromatizitätskriterien 637 36.4 Aromatische Heterozyklen 638 36.5 Nomenklatur der monosubstituierten Benzole 639 36.6 Reaktionen des Benzols 640 36.7 Der allgemeine Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution 642 36.8 Halogenierung des Benzols 643 36.9 Nitrierung des Benzols 645 36.10 Sulfonierung des Benzols 645 36.11 Friedel-Crafts-Acylierung des Benzols 646 36.12 Friedel-Crafts-Alkylierung des Benzols 647 37 Reaktionen substituierter Benzole 649 37.1 Die Nomenklatur disubstituierter Benzole .... 651 37.2 Reaktivität eines Benzolrings 652 37.3 Der Effekt von Substituenten auf die Orientierung 657 37.4 Der Effekt von Substituenten auf den p/C s -Wert 660 37.5 Mechanismus der Reaktion von Aminen mit salpetriger Säure 661 37.6 Polyzyklische benzoide Kohlenwasserstoffe... 662 38 Carbonylverbindungen I - Die nucleophile Acylsubstitution 665 38.1 Die Nomenklatur der Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 667 38.2 Strukturen der Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 672 38.3 Ausgewählte physikalische Eigenschaften von Carbonylverbindungen 672 38.4 Reaktionsverhalten der Klasse I-Carbonyl- verbindungen 674 38.5 Allgemeiner Mechanismus der nudeophilen Acylsubstitution 675 38.6 Reaktionen der Säurehalogenide 676 38.7 Reaktionen der Säureanhydride 677 38.8 Reaktionen der Ester 677 38.9 Säurekatalysierte Esterhydrolyse 678 38.10 Basenvermittelte Esterhydrolyse 681 38.11 Seifen, Detergenzien und Micellen 682 38.12 Reaktionen der Carbonsäuren 684 38.13 Die Hydrolyse von Amiden 686 38.14 Dicarbonsäuren und ihre Derivate 687 39 Aldehyde und Ketone - Vertreter der Carbonylverbindungen II 689 39.1 Nomenklatur der Aldehyde und Ketone 691 39.2 Relative Reaktivitäten der Carbonylverbindungen 693 39.3 Reaktionen von Aldehyden und Ketonen .... 694 40 Carbonylverbindungen III - Reaktionen am a-Kohlenstoffatom 699 40.1 Azidität von a-Wasserstoffatomen 700 40.2 Keto-Enol-Tautomerie 702 40.3 Enolisierung 703 40.4 Die Aldoladdition 703 40.5 Die Bildung a,^ungesättigter Aldehyde und Ketone 705 41 Weiteres zu Redoxreaktionen 707 41.1 Reduktionen 710 41.2 Oxidation von Alkoholen 710 41.3 Oxidation von Aldehyden und Ketonen 711 42 Kohlenhydrate 713 42.1 Klassifizierung der Kohlenhydrate 715 42.2 Die D-/L -Nomenklatur der Kohlenhydrate 715 42.3 Die Konfigurationen der Aldosen 717 42.4 Die Konfigurationen der Ketosen 718 42.5 Die Stereochemie der Glucose: Der Konfigurationsbeweis von Fischer 719 42.6 Halbacetalbildung 720 42.7 Die Stabilität der Glucose 722 42.8 Glycosidbildung 723 42.9 Reduzierende und nichtreduzierende Zucker. .. 725 42.10 Disaccharide 725 42.11 Polysaccharide 727 43 Aminosäuren, Peptide und Proteine 731 43.1 Klassifizierung und Nomenklatur der Aminosäuren 733 43.2 Konfiguration der Aminosäuren 737 43.3 Säure/Base-Eigenschaften der Aminosäuren... 737 43.4 Der isoelektrische Punkt 739 43.5 Trennung von Aminosäuren 740 43.6 Peptidbindungen und Disulfidbindungen .... 744 43.7 Proteinstruktur - Eine Einführung 747 43.8 Sekundärstruktur von Proteinen 747 43.9 Tertiärstruktur von Proteinen 749 43.10 Quartärstruktur von Proteinen 750 43.11 Proteindenaturierung 751 44 Lipide 753 44.1 Fettsäuren: Langkettige Carbonsäuren 754 44.2 Wachse: Hochmolekulare Ester 756 44.3 Fette und Öle 756 44.4 Phospholipide und Sphingolipide: Bestandteile biologischer Membranen 758 45 Nudeoside, Nucleotide und Nudeinsäuren 761 45.1 Nudeoside und Nucleotide 762 45.2 Nudeinsäuren 765 46 Anhang 767 A Normalpotenziale bei 25 °C 768 B Thermodynamische Größen ausgewählter Substanzen bei 298,15 K (25 °C) 769 C Gleichgewichtskonstanten in wässriger Lösung 771 D pK s -Werte* 774 E Sachregister 777 F Bildnachweis 785