Chemie: eine Einführung
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| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
<<de>> Gruyter
2009
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Inhalt
1 Struktur der Atome
1.1 Ein einfaches Atomodell. 1
1.1.1 Atomkern. 1
1.1.2 Atom und Element. 1
1.1.3 Häufigkeit der Elemente in der Erdhülle. 4
1.1.4 Massendefekt. 5
1.1.5 Stoffmenge. 5
1.2 Quantenmechanisches Atommodell. 7
1.2.1 Vorbemerkung. 7
1.2.2 Zustandsfunktionen des
Hydrogen-
Atoms. 8
1.2.3 Aufenthaltswahrscheinlichkeit und Energie des Elektrons im
Hydrogen-
Atom
. 13
1.2.4 Höhere Atome im Einelektronenmodell. 17
1.2.5 Höhere Atome im Mehrelektronenmodell. 20
1.3 Periodensystem der Elemente. 24
1.3.1 Gruppenverwandtschaft als empirischer Parameter. 24
1.3.2 Gruppe der Edelgase. 25
1.3.3 Hauptgruppenelemente. 26
1.3.4 Nebengruppenelemente. 27
1.3.5 Lanthanoide und Actinoide. 28
1.4 Periodizität einiger Eigenschaften. 29
1.4.1 Ionisierungsenergie. 29
1.4.2 Elektronenaffmität. 31
1.4.3 Metalle, Halbmetalle, Nichtmetalle. 31
1.4.4 Molekularer, metallischer und ionogener Aufbau von Verbindungen. 33
1.4.5 Atom- und Ionenradien. 35
1.4.6 Klassifizierung der Chemie. 37
1.5 Grundbegriffe über Reaktionen. 38
1.5.1 Reaktionsgleichung. 38
1.5.2 Thermodynamisch und kinetisch determinierte Reaktionen. 40
1.6 Reaktionen des Atomkerns. 43
1.6.1 Natürliche Kernreaktionen. 43
1.6.2 Künstliche Kernreaktionen. 46
2 Struktur der Moleküle
2.1 Quantenmechanisches Molekülmodell. 49
2.1.1 Zustandsfunktionen des Dihydrogen-Kations. 49
2.1.2 Zweiatomige Moleküle. 53
Χ Ι
Inhalt
2.1.3 Lokalisierte Bindungen in mehratomigen Molekülen. 56
2.1.4 Delokalisierte Bindungen in mehratomigen Molekülen. 59
2.2 Valenzstrich-Molekülmodell. 62
2.2.1 Zweiatomige Moleküle. 62
2.2.2 Mehratomige Moleküle mit den Atomen
H, F, O, N
. 64
2.2.3 Mehratomige Moleküle mit den Atomen H, F,
Ο, Ν
sowie
С
. 66
2.2.4 Mehratomige Moleküle mit den Atomen H, F, O, N,
С
sowie
В
. 70
2.2.5 Moleküle mit Nicht- und Halbmetallen höherer Perioden. 72
2.2.6 Moleküle mit Metallen. 74
2.2.7 Molekülionen der Nichtmetalle. 77
2.2.8 Molekülionen der Metalle. 79
2.2.9 Bindigkeit. 81
2.3 Überblick über die chemische Nomenklatur. 82
2.3.1 Benennung von Elementen. 82
2.3.2 Kompositionelle Nomenklatur. 83
2.3.3 Nomenklatur organischer Verbindungen. 84
2.3.4
Substitutive
Nomenklatur. 88
2.3.5 Additive Nomenklatur. 91
2.4 Räumlicher Bau von Molekülen. 94
2.4.1 Punktgruppen. 94
2.4.2 Hauptgrappenelemente als Zentralatome. 103
2.4.3 Nebengruppenelemente als Zentralatome. 105
2.5 Konstitution, Konfiguration und Konformation. 107
2.5.1 Konstitutionsisomere. 107
2.5.2 Konfigurationsisomere. 109
2.5.3 Konformationsisomere. 113
2.6 Polarität kovalenter Bindungen. 117
2.6.1 Dipolmoment von Molekülen. 118
2.6.2 Elektronegativität. 120
2.6.3 Oxidationszahl. 122
2.7 Stärke kovalenter Bindungen. 123
2.7.1 Bindungslänge. 123
2.7.2 Valenzkraftkonstante. 125
2.7.3 Bindungsordnung. 126
2.7.4 Bindungsenergie. 126
3 Struktur kristalliner Festkörper
3.1 Metrik und Symmetrie in Kristallen. 129
3.1.1 Kristallgitter und Elementarzelle. 129
3.1.2 Kristallsysteme und Kristallklassen. 131
3.1.3 Bravais-Gitter und Raumgrappen. 134
3.1.4 Symmetrie dichter Kugelpackungen. 136
3.1.5 Physikalische Eigenschaften und Kristallklasse. 141
3.2 Metaffische Festkörper. 145
3.2.1 Bindung in Metallen. 145
3.2.2 Struktur der Metalle. 148
3.2.3 Homogene und heterogene Systeme. 150
Inhalt
XI
3.2.4 Intermetallische Phasen. 152
3.2.5
Interstitielle
Verbindungen. 162
3.3
Kovalent
aufgebaute Festkörper. 167
3.3.1 Struktur halb- und nichtmetallischer Elemente. 167
3.3.2 Struktur
kovalent
verknüpfter Elementanionen. 178
3.3.3 Struktur binärer Verbindungen von Halb-und Nichtmetallen. 181
3.4 Ionogen aufgebaute Festkörper (Salze). 185
3.4.1 Bindung in Salzen. 185
3.4.2 Struktur binärer Salze. 188
3.4.3 Struktur pseudobinärer Salze. 209
3.4.4 Struktur ternärer Salze. 215
3.4.5 Struktur der
Silicate
. 221
3.5 Schwache Wechselwirkung in Kristallen. 228
3.5.1 Van der Waals-Wechselwirkungen. 228
3.5.2 Hydrogenbruckenbindungen. 230
3.5.3 Flüssige Kristalle. 232
3.6 Mesoskopische Systeme. 234
3.6.1 Große und supergroße Moleküle. 235
3.6.2 Nanophasen-Materialien. 238
3.6.3 Polymere. 239
3.6.4 Kolloide. 240
4 Reaktionen: Thermodynamik und Kinetik
4.1 Hauptsätze der Thermodynamik. 243
4.1.1 Erhaltung von Masse und Energie. 243
4.1.2
I.
Hauptsatz der Thermodynamik. 244
4.1.3 Gasgesetze. 247
4.1.4 Thermochemie. 250
4.1.5
II.
und
III.
Hauptsatz der Thermodynamik. 252
4.1.6 Freie Energie und Freie Enthalpie. 260
4.1.7 Zusammenhänge zwischen den Zustandsfunktionen. 262
4.2 Gleichgewichtslehre. 265
4.2.1 Reaktion und Phase. 265
4.2.2 Gleichgewichte in homogener Phase. 269
4.2.3 Phasengesetz. 273
4.2.4 Heterogene Gleichgewichte in Einkomponentensystemen. 275
4.2.5 Zweiphasengleichgewichte flüssig/gasförmig in Zweikomponentensystemen . 279
4.2.6 Zweiphasengleichgewichte fest/flüssig in Zweikomponentensystemen. 282
4.2.7 Zweiphasengleichgewichte in Mehrkomponentensystemen. 284
4.2.8 Gleichgewichte zwischen mehr als zwei Phasen. 287
4.3 Reaktionsverlauf in homogenen Systemen. 288
4.3.1 Konzentration als Funktion der Zeit. 288
4.3.2 Zum Mechanismus von Elementarreaktionen. 290
4.3.3 Zur Theorie des Übergangszustands. 295
4.3.4 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit. 297
4.3.5 Erhaltung der Orbitalsymmetrie bei Elementarreaktionen. 299
4.3.6 Sequenzen von Elementarreaktionen. 309
4.3.7 Homogene Katalyse. 316
XII
I
Inhalt
4.4 Reaktionsverlauf in heterogenen Systemen. 320
4.4.1 Grenzflächenenergie. 320
4.4.2 Wechselwirkungen an Grenzflächen. 322
4.4.3 Phasenübergänge. 326
4.4.4 Heterogene chemische Reaktionen. 329
4.4.5 Heterogene Katalyse. 330
5 Säure/Base- und Redoxreaktionen
5.1 Transfer geladener Teilchen. 333
5.1.1 Elektronentransfer. 333
5.1.2 Hydronentransfer. 335
5.1.3 Anionentransfer. 336
5.1.4 Lewis-Säuren und -Basen. 337
5.2 Säure/Base-Reaktionen: Allgemeine Behandlung. 339
5.2.1 Eigendissoziation des Wassers. 339
5.2.2 Säure- und Base-Dissoziationskonstanten. 342
5.2.3 pH-Wert wässriger Lösungen. 344
5.2.4 Pufferlösungen. 347
5.2.5 Ampholyte. 348
5.2.6 Neutralisation. 350
5.2.7 Analytische Anwendung. 352
5.2.8 Starke Säuren. 354
5.2.9 Nichtwässrige Lösungsmittel. 356
5.3 Säure/Base-Reaktionen: Spezielle Behandlung. 357
5.3.1 Binäre Säuren und Basen. 357
5.3.2 Ternäre Verbindungen E(OH)n. 359
5.3.3 Metallkationen in wässriger Lösung. 360
5.3.4 Oxosäuren EOm(OH)n. 363
5.3.5 Weitere ternäre und quaternäre Säuren und Basen . 371
5.3.6 Derivate der Oxosäuren. 372
5.4 Redoxreaktionen: Elektrochemische Behandlung. 379
5.4.1 Galvanische Ketten: Daniell-Element. 379
5.4.2 Andere galvanische Ketten. 382
5.4.3 Halbkettenpotentiale. 387
5.4.4 Gleichgewichtskonstanten aus EMK-Messungen. 397
5.4.5 Analytische Anwendung. 398
5.5 Oxidationszahlen im Lichte des Periodensystems. 405
5.5.1 Oxidationszahlen der Elemente in natürlichen Vorkommen. 405
5.5.2 Maximale Oxidationszahlen. 407
5.5.3 Negative Oxidationszahlen. 410
5.6 Redoxchemie fossiler Brennstoffe. 412
5.6.1 Zusammensetzung fossiler Brennstoffe. 412
5.6.2 Industrielle Aufarbeitung fossiler Brennstoffe. 412
5.6.3
Oxidation
fossiler Brennstoffe mit
Oxygen
. 414
5.6.4 Reduktion von Wasser durch fossile Brennstoffe. 415
5.7 Redoxchemie bei der Darstellung der Elemente. 418
5.7.1 Überführung natürlicher Stoffe in gut reduzierbare Verbindungen. 418
Inhalt XIII
5.7.2 Gewinnung von Metallen und Halbmetallen. 423
5.7.3 Gewinnung von Nichtmetallen. 427
5.7.4 Raffination von Metallen und Halbmetallen. 430
6 Chemie der Moleküle mit Carbon als Zentralatom:
Organische Chemie
6.1 Reaktive Zwischenstufen. 433
6.1.1 Carbokationen. 433
6.1.2 Carbanionen. 438
6.1.3 Radikale . 443
6.1.4 Carbene, Nitrene. 449
6.2 Carbonhydride. 453
6.2.1 Nichtaromatische Carbonhydride. 453
6.2.2 Aromatische Carbonhydride
(Arene)
. 458
6.3 Derivate der Carbonhydride. 467
6.3.1 Halogeaoalkane, -alkeneund
-arene
. 467
6.3.2 Alkohole. 470
6.3.3 Phenole. 472
6.3.4
Ether
. 475
6.3.5
Amine
und andere Nitrogen-Derivate. 476
6.3.6
Охо-
Verbindungen. 482
6.3.7 Carbonsäuren. 489
6.3.8 Kohlensäure-Derivate. 498
6.3.9 Sulfur-Derivate. 499
6.4 Substitutionen. 503
6.4.1 Nucleophile Substitution an Nichtaromaten. 504
6.4.2 Reaktivität bei der nucleophilen Substitution an Nichtaromaten. 511
6.4.3 Nucleophile Substitution an Nichtaromaten in der synthetischen Praxis . 518
6.4.4 Elektrophile Substitution an Nichtaromaten. 524
6.4.5 Nucleophile aromatische Substitution. 526
6.4.6 Elektrophile aromatische Substitution. 530
6.5 Eliminierungen. 540
6.5.1 Einstufige bimolekulare 1,2-Eliminierung. 541
6.5.2 Einstufige unimolekulare 1,2-Eliminierung. 545
6.5.3 Zweistufige 1,2-Eliminierung. 548
6.6 Additionen. 549
6.6.1 U-Additionen. 550
6.6.2 Elektrophile 1,2-Additionen an CC-Mehrfachbindungen. 551
6.6.3 Nucleophile 1,2-Additionen an CC-Mehrfachbmdungen. 559
6.6.4 RadikaJische 1,2-Additionen an CC-Mehrfachbindungen. 560
6.6.5 Hydrierung von CC-Mehrfachbindungen. 561
6.6.6 Additionen an
CO-
und CN-Mehrfachbindungen. 564
6.6.7 1,4-Additionen. 574
6.6.8 Cycloadditionen. 575
6.6.9 Elektrocyclische Reaktionen. 583
6.7 Umlagerungen. 585
6.7.1 Sigmatrope Umlagerungen. 585
XIV
I
Inhalt
6.7.2 Anionotrope 1,2-Umlagerongen. 589
6.7.3 Kationotrope Umlagerungen. 598
6.8 Redoxreaktionen. 600
6.8.1 Nichtmetalle und ihre Verbindungen als Reduktionsmittel. 600
6.8.2 Metalle und ihre Verbindungen als Reduktionsmittel. 606
6.8.3 Nichtmetalle und ihre Verbindungen als Oxidationsmittel. 608
6.8.4 Metall-Verbindungen als Oxidationsmittel. 613
6.9 Photochemie. 616
6.9.1 Photodissoziation. 616
6.9.2 Fluoreszenz, Phosphoreszenz,
Photosensibilisation
. 617
6.9.3 Photochemie anhand ausgewählter Beispiele. 619
6.9.4 Photochemie in der Technik. 621
7 Chemie der Nicht- und Halbmetalle
7.1 Verbindungen der Nicht- und Halbmetalle. 625
7.1.1 Einkernige Hydride der Nicht-und Halbmetalle. 625
7.1.2 Organyl-Derivate der einkernigen Hydride der Nicht- und Halbmetalle . . . 638
7.1.3 Mehrkernige Hydride der Nicht-und Halbmetalle. 649
7.1.4 Borhydride. 661
7.2 Fluoride der Nicht-und Halbmetalle. 682
7.2.1 Struktur und Stabilität der Fluoride der Nicht- und Halbmetalle. 682
7.2.2 Darstellung und Anwendung der Fluoride der Nicht- und Halbmetalle . 687
7.2.3 Reaktionen der Fluoride der Nicht- und Halbmetalle. 689
7.2.4 Fluoridhydride der Nicht- und Halbmetalle und deren organische Derivate . 694
7.3 Verbindungen der Nicht- und Halbmetalle mit
Oxygen
. 694
7.3.1 Oxide des Xenons. 694
7.3.2 Oxide der Halogene. 696
7.3.3 Oxide der Chalkogene. 699
7.3.4 Oxide des
Nitrogens
. 704
7.3.5 Oxide des Phosphors. 710
7.3.6 Oxide des Arsens, Antimons und Bismuts. 712
7.3.7 Oxide des Carbons. 714
7.3.8 Oxide der schwereren Gruppe 14-Elemente. 717
7.3.9 Oxide des Bors. 721
7.3.10 Oxosäuren der Nicht- und Halbmetalle. 722
7.3.11 Salze der Oxosäuren der Nicht-und Halbmetalle. 727
7.4 Verbindungen der Nicht- und Halbmetalle mit
Nitrogen
. 736
7.4.1
Nitrogen-
Verbindungen der Halogene. 736
7.4.2 Nitrogen-Verbindungen des Sulfurs. 738
7.4.3 Nitrogen-Verbindungen des Phosphors. 744
7.4.4 Nitrogen-Verbindungen des Carbons. 747
7.4.5 Nitrogen-Verbindungen des Siliciums. 750
7.4.6 Nitrogen-Verbindungen des Bors. 751
7.5 Verbindungen der Nicht- und Halbmetalle mit Chlor, Brom und
Iod
sowie
mit
Sulfur
. 757
7.5.1 Allgemeine Eigenschaften der Halogenide der Nicht- und Halbmetalle . 757
7.5.2 Strukturen der Halogenide der Nicht- und Halbmetalle. 758
Inhalt
I XV
7.5.3 Darstellung der Halogenide der Nicht- und Halbmetalle. 760
7.5.4 Reaktionen der Halogenide der Nicht- und Halbmetalle. 761
7.5.5 Verwendung der Halogenide der Nicht- und Halbmetalle. 765
7.5.6 Mehr als zweikernige Halogenide der Nicht- und Halbmetalle. 766
7.5.7 Cloridoxide der Nichtmetalle. 768
7.5.8 Verbindungen der Nicht- und Halbmetalle mit
Sulfur
. 769
8 Chemie der Metalle
8.1 Theoretische Grundlagen. 775
8.1.1 Anwendung der Gruppentheorie auf Symmetriegruppen. 775
8.1.2 Metallionen im elektrischen Feld der Liganden. 787
8.1.3 Anwendung der Molekülorbital-Methode. 803
8.1.4 Molekülschwingungen. 813
8.1.5 Elektronenübergänge. 823
8.1.6 Thermodynamische Stabilität von Komplexen. 827
8.2 Mechanismen in der Koordinationschemie. 829
8.2.1 Substitutionen. 829
8.2.2 Redoxreaktionen. 835
8.2.3 Umlagerangen. 839
8.3
Hydrogen
als Ligand. 840
8.3.1 Binäre und tertiäre Hydride . 840
8.3.2 Dihydrogen als Ligand. 841
8.3.3
Hydrogen
als terminaler Ligand. 842
8.3.4
Hydrogen
als brückenständiger Ligand. 843
8.4 Halogen und Pseudohalogen als Ligand. 844
8.4.1 Binäre Halogenide: Überblick. 844
8.4.2 Binäre Halogenide: Strukturen. 846
8.4.3 Ternäre Halogenide. 848
8.4.4 Pseudohalogen als Ligand. 850
8.5 Über
Oxygen an
Metall gebundene Liganden. 853
8.5.1 Metalle in wässriger Lösung. 853
8.5.2 Binäre Oxide. 860
8.5.3 Ternäre Oxide. 864
8.5.4 Dioxygen als Ligand. 865
8.5.5 Über
Oxygen
gebundene zweizähnige Liganden. 867
8.6 Über Carbon an Metall gebundene Liganden. 869
8.6.1 Carbonylmetall-Verbindungen. 869
8.6.2 Organylmetall-Verbindungen. 879
8.6.3 Alkyliden- und Alkylidinmetall-Verbindungen. 886
8.6.4 Alkan-, Alken- und Alkinmetall-Komplexe. 889
8.6.5 Cyclopentadienylmetall-Komplexe. 901
8.6.6 Arenmetall-Komplexe. 909
Anhang
I:
Übungsaufgaben. 915
Anhang
II:
Lösungen der Übungsaufgaben. 927
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