Chemisches GrundwissenBerufsfeld Chemie, Physik, Biologie

Handwerk und Technik · Hamburg

Dr. Gisela KatzerProf. Dr. Franz Katzer

2., durchgesehene und erweiterte Auflage

Verwendete Zeichen

2

ISBN 3.582.01272.7 – 2. Auflage 2005

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c Konzentration c Stoffmengenkonzentrationceq Äquivalenzkonzentration c Lichtgeschwindigkeit EO Standardpotential EN Elektronegativität e–, v Elektronf FrequenzFel elektrostatische KraftFp SchmelztemperaturG freie EnthalpieH EnthalpieDH EnthalpieänderungDHB StandardbildungsenthalpieDHG GitterenthalpieDHH HydratationsenthalpieDHL Lösungsenthalpieh PLANCKsches WirkungsquantumK, Kc, Kp Gleichgewichtskonstante Kp SiedetemperaturKD DissoziationskonstanteKS Säurekonstante KB Basenkonstante KL Löslichkeitsprodukt KZ Koordinationszahll NebenquantenzahlM molare Masse, Molmassem magnetische Quantenzahlm MasseNA AVOGADROsche Konstante(Zahl)n Hauptquantenzahln Neutronn Stoffmenge, Anzahl der Mole

p Druckp0 NormdruckpT Druck bei Temperatur pq Druck bei Temperatur qp+ ProtonQ LadungQ WärmeenergieR allgemeine GaskonstanteS EntropieDS Entropieänderungs SpinquantenzahlT Temperatur in KelvinT0 Normtemperaturu Atommasseneinheitv VolumenV MolvolumenV0 Molvolumen bei 0 °C,

molares NormvolumenVq Molvolumen bei qVT Molvolumen bei TW EnergieZ Äquivalenzzahla thermischer Ausdehungskoeffizient der

Gasea Dissoziationsgrada Protolysegrad d Zeichen für Polaritäte Dielektrizitätskonstanteq Temperatur in °Cl Wellenlängem Dipolmomentp Doppelbindungs Einfachbindung

Inhalt

3

Einleitung ……………………………………………………………………………… 11

1 Chemie und Physik ………………………………………………………………… 12

1.1 Arbeitsgebiete der Chemie und der Physik ……………………………………… 121.2 Physik und physikalischer Vorgang………………………………………………… 121.3 Änderungen des Aggregatzustandes als Beispiel für physikalische

Vorgänge ………………………………………………………………………………… 121.4 Chemie und chemischer Vorgang…………………………………………………… 151.5 Chemische Eigenschaften …………………………………………………………… 171.6 Änderung von Eigenschaften als Merkmale eines chemischen Vorgangs … 18

2 Stoffe …………………………………………………………………………………… 19

2.1 Einteilung der Stoffe nach Vorkommen und Verwendung …………………… 192.2 Aggregatzustände von Stoffen ……………………………………………………… 202.2.1 Gase ……………………………………………………………………………………… 202.2.2 Flüssigkeiten……………………………………………………………………………… 232 2 3 Festkörper………………………………………………………………………………… 242.3 Zusammensetzung von Stoffen……………………………………………………… 262 3 1 Einteilung der Stoffe nach der Zusammensetzung ………………………………… 262.3.2 Mischungen – Gemische und Gemenge……………………………………………… 272.3.3 Reine Stoffe ……………………………………………………………………………… 312.3.4 Formeln …………………………………………………………………………………… 342.3.5 Gleichungen ……………………………………………………………………………… 352.3.6 Nomenklatur ……………………………………………………………………………… 372.4 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 1 und 2………………………………… 39

3 Bau der Atome ……………………………………………………………………… 40

3.1 Geschichtliches ………………………………………………………………………… 403.2 Elementarteilchen und Bau des Atomkerns ……………………………………… 443.3 Protonen ………………………………………………………………………………… 443.4 Neutronen ……………………………………………………………………………… 443.5 Elektronen ……………………………………………………………………………… 453.6 Absolute und relative Atommasse ………………………………………………… 463.7 Relative Molekülmasse ……………………………………………………………… 473.8 Das Mol als Teilchen- oder Stoffmenge …………………………………………… 483.9 Beziehung zwischen AVOGADROscher und LOSCHMIDTscher Zahl

oder Konstante ………………………………………………………………………… 493.10 Konzentrationsmaße…………………………………………………………………… 503.11 Bau der Atomhülle……………………………………………………………………… 503.12 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 3………………………………………… 57

4 Periodensystem……………………………………………………………………… 58

4.1 Periodizität der Eigenschaften ……………………………………………………… 584 2 Periodizität des Atombaus …………………………………………………………… 604.3 Energiestufen der Elektronen ……………………………………………………… 624.4 Periodizität des Atomvolumens……………………………………………………… 644.5 Quantenmechanisches Modell der Atomhülle –

Erweiterung der Modellvorstellungen über das Atom…………………………… 654.5.1 Linienspektren …………………………………………………………………………… 654.5.2 Gequantelte Energie …………………………………………………………………… 664.5.3 Quantenzahlen…………………………………………………………………………… 674.5.4 Kästchenschreibweise der Elektronenkonfiguration ………………………………… 704.5.5 Orbital-Modell der Atomhülle…………………………………………………………… 714.6 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 4, Abschnitt 4.1 bis 4.4 …………… 73

Inhalt

4

4.7 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 4, Abschnitt 4.5 ……………………… 73

5 Primäre chemische Bindungen ………………………………………………… 74

5.1 Elektronenpaarbildung durch Spinkopplung……………………………………… 745.2 Wirkung der elektrostatischen Kräfte auf das bindende Elektronenpaar …… 755.3 Ionenbindung oder Ionenbeziehung (heteropolare Bindung) ………………… 765.3.1 Bildung von Ionen ……………………………………………………………………… 765.3.2 lonenwertigkeit oder Ionenladung …………………………………………………… 795.3.3 Redoxvorgang bei der Bildung von Ionen aus den Atomen ……………………… 795.3.4 Elektronegativität ………………………………………………………………………… 805.3.5 Struktur von Ionenverbindungen im festen Zustand – Ionengitter ………………… 825.4 Atombindung (kovalente oder homöopolare Bindung) ………………………… 845.4.1 Bildung gemeinsamer Elektronenpaare ……………………………………………… 845.4.2 Unpolare Atombindung ………………………………………………………………… 855.4.3 Bindigkeit unpolarer Moleküle ………………………………………………………… 875.4.4 Bindungsenergie und Gitterenergie unpolarer Stoffe ……………………………… 875.4.5 Struktur von unpolaren Stoffen im festen Zustand – Molekülgitter ………………… 885.4.6 Polare Atombindung …………………………………………………………………… 895.4.7 Bindigkeit polarer Moleküle und formale Oxidationszahl …………………………… 915.4.8 Gestalt von Molekülen…………………………………………………………………… 935.4.9 Bindungslänge und Bindungsenergie in Molekülen ………………………………… 955.4.10 Deutung der Atombindung mithilfe des Orbitalmodells …………………………… 965.5 Metallbindung…………………………………………………………………………… 985.6 Übergänge zwischen den Bindungsarten ………………………………………… 1005.7 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 5………………………………………… 102

6 Sekundäre Bindungen …………………………………………………………… 103

6.1 Nahkräfte zwischen den Molekülen ………………………………………………… 1036.2 Polare Moleküle – Dipolmoleküle …………………………………………………… 1036.3 Einteilung der zwischenmolekularen Kräfte ……………………………………… 1056.4 Pol-Orientierungskräfte (KEESOM-Kräfte) ………………………………………… 1066.5 Induktionskräfte (DEBYE-Kräfte) …………………………………………………… 1076.6 Dispersionskräfte (LONDON-Kräfte) ……………………………………………… 1086.7 Wasserstoffbrückenbindung ………………………………………………………… 1086.8 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 6………………………………………… 110

7 Einige Elemente des Periodensystems und ihre Verbindungen …… 111

7.1 Nichtmetalle …………………………………………………………………………… 1117.1.1 Stellung der Nichtmetalle im Periodensystem ……………………………………… 1117.1.2 Allgemeine Eigenschaften der Nichtmetalle ………………………………………… 1127.1.3 Elemente der 7. Hauptgruppe – Halogene …………………………………………… 1127.1.4 Elemente der 6. Hauptgruppe – Chalkogene………………………………………… 1147.1.5 Weitere Nichtmetalle und ihre Verbindungen………………………………………… 1187.2 Metalle …………………………………………………………………………………… 1227.2.1 Stellung der Metalle im Periodensystem ……………………………………………… 1227.2.2 Allgemeine Eigenschaften der Metalle ……………………………………………… 1227.2.3 Kristallstruktur …………………………………………………………………………… 1237.2.4 Elemente der 1. Hauptgruppe – Alkalimetalle ……………………………………… 1257.2.5 Elemente der 2. Hauptgruppe – Erdalkalimetalle …………………………………… 1267.2.6 Oxidation von Metallen ………………………………………………………………… 1277.3 Säuren …………………………………………………………………………………… 1287.3.1 Definition der Säuren …………………………………………………………………… 1287.3.2 Indikatoren ……………………………………………………………………………… 1297.3.3 Sauerstofffreie Säuren…………………………………………………………………… 130

Inhalt

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7.3.4 Sauerstoffhaltige Säuren oder Oxosäuren …………………………………………… 1337.3.5 Flüchtige und schwerflüchtige Säuren………………………………………………… 1367.3.6 Starke und schwache Säuren – Dissoziation und Hydratation …………………… 1387.3.7 Reaktion von verdünnten Säuren mit Metallen ……………………………………… 1407.3.8 Redoxreaktionen mit oxydierenden Säuren ………………………………………… 1417.4 Metallhydroxide, Basen, Laugen …………………………………………………… 1437.4.1 Definition der Hydroxide………………………………………………………………… 1437.4.2 Weitere Säure-Base-Paare – Protolyse ……………………………………………… 1447.4.3 Erweiterung des Säure-Base-Begriffs – LEWIS-Säuren und LEWIS-Basen ……… 1467.4.4 Bildung von Hydroxiden (Basen) ……………………………………………………… 1477.4.5 Löslichkeit und Reaktionen von Metallhydroxiden (Basen) ………………………… 1487.4.6 Ammoniumhydroxid …………………………………………………………………… 1507.4.7 Amphotere oder ampholytische Metalle ……………………………………………… 1517.5 Salze als Ionenverbindungen zwischen Metallen und Nichtmetallen ………… 1527.6 Komplex- oder Koordinationsverbindungen ……………………………………… 1557.7 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 7………………………………………… 160

8 Stöchiometrische Berechnungen……………………………………………… 161

8.1 Grundlegende Gesetze………………………………………………………………… 1618.2 Schrittfolge beim chemischen Rechnen …………………………………………… 1618.3 Rechenbeispiel für teilweisen Umsatz der Ausgangsstoffe …………………… 1638.4 Rechenbeispiel für den Volumenumsatz ………………………………………… 1648.5 Rechenbeispiel für die Metallgewinnung aus Erzen …………………………… 1648.6 Aufgaben zur Stöchiometrie ………………………………………………………… 165

9 Energieänderungen beim Ablauf chemischer Reaktionen …………… 166

9.1 Stoffliche Systeme und Zustandsgrößen ………………………………………… 1669.2 Innere Energie ………………………………………………………………………… 1699.3 Enthalpie ………………………………………………………………………………… 1719.4 HESSscher Satz ………………………………………………………………………… 1729.5 Standard-Bildungsenthalpie ………………………………………………………… 1739.6 Aktivierung ……………………………………………………………………………… 1769.7 Exotherme und endotherme Reaktionen ………………………………………… 1789.8 Freie (Reaktions-)Enthalpie ………………………………………………………… 1799.9 Entropie ………………………………………………………………………………… 1809.10 Katalyse – Katalysatoren……………………………………………………………… 1849.11 Weitere Bedingungen für den Ablauf chemischer Vorgänge ………………… 1889.12 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 9………………………………………… 189

10 Chemisches Gleichgewicht……………………………………………………… 190

10.1 Richtung und Umkehrbarkeit einer Reaktion – Prinzip vom kleinsten Zwang 19010.2 Gleichgewicht zwischen Hin- und Rückreaktion ………………………………… 19110.3 Massenwirkungsgesetz ……………………………………………………………… 19210.4 Berechnung der Gleichgewichtskonstante Kc …………………………………… 19310.5 Verallgemeinerung des Massenwirkungsgesetzes ……………………………… 19310.6 Bildung von Iodwasserstoffsäure…………………………………………………… 19410.7 Beeinflussung von Gleichgewichten – Ausbeutesteigerung ………………… 19410.8 Gleichgewichte in heterogenen Systemen………………………………………… 19610.9 Dissoziationskonstante von Elektrolyten ………………………………………… 19710.10 Ionenprodukt des Wassers und pH-Wert ………………………………………… 19710.11 pH-Messung …………………………………………………………………………… 19910.12 Säure- und Basenkonstanten – pKS- und pKB-Werte …………………………… 20210.13 Berechnung des pH-Wertes ………………………………………………………… 20310.14 Hydrolyse ……………………………………………………………………………… 206

Inhalt

6

10.15 Löslichkeitsprodukt …………………………………………………………………… 20710.16 Puffer……………………………………………………………………………………… 20910.17 Neutralisation – Säure-Base-Titration ……………………………………………… 21110.18 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 10 ……………………………………… 214

11 Chemisch-technische Prozesse –

Erzeugung von Grundchemikalien und Metallen ………………………… 215

11.1 Erzeugung von Schwefelsäure ……………………………………………………… 21511.1.1 Kontaktverfahren ………………………………………………………………………… 21511.1.2 Schwefeldioxid als Umweltgift ………………………………………………………… 21711.2 Erzeugung von Ammoniak aus Luftstickstoff nach dem HABER-BOSCH-

Verfahren ………………………………………………………………………………… 21811.3 Erzeugung von Salpetersäure ……………………………………………………… 22011.3.1 OSTWALD-Verfahren …………………………………………………………………… 22011.3.2 Stickoxide als Umweltgifte ……………………………………………………………… 22211.4 Erzeugung von Soda nach dem Solvay-Verfahren ……………………………… 22211.5 Chlor-Alkali-Elektrolyse ……………………………………………………………… 22511.5.1 Wesen der Elektrolyse ………………………………………………………………… 22511.5.2 Zersetzungsspannung ………………………………………………………………… 22511.5.3 Erzeugung von Chlor und Natriumhydroxid im Diaphragma-Verfahren ………… 22811.5.4 Erzeugung von Chlor und Natriumhydroxid im Amalgam-Verfahren ……………… 23011.5.5 Gefahren bei der Realisierung der Chlor-Alkali-Elektrolyse………………………… 23111.6 BOUDOUARDsches Gleichgewicht ………………………………………………… 23211.7 Gewinnung von Roheisen im Hochofenprozess ………………………………… 23311.7.1 Vorbehandlung der Eisenerze ………………………………………………………… 23311.7.2 Beschickung des Hochofens…………………………………………………………… 23411.7.3 Chemische Vorgänge im Hochofen …………………………………………………… 23511.7.4 Produkte des Hochofens ……………………………………………………………… 23611.7.5 Weiterverarbeitung des Roheisens zu Stahl ………………………………………… 23711.8 Gewinnung von Kupfer ……………………………………………………………… 23911.9 Gewinnung von Aluminium durch Schmelzfluss-Elektrolyse ………………… 24111.10 Überblick über die Gewinnung weiterer Metalle durch Redoxvorgänge …… 24311.11 Nebenprodukte und Produktionsabfälle …………………………………………… 24711.12 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 11 ……………………………………… 248

12 Wasser ………………………………………………………………………………… 249

12.1 Eigenschaften…………………………………………………………………………… 24912.2 Wasser als Lösungsmittel und Löslichkeit von Salzen ………………………… 25112.3 Vorgänge beim Lösen ………………………………………………………………… 25312.4 Vorkommen und Bedeutung des Wassers………………………………………… 25612.5 Trinkwasser……………………………………………………………………………… 25712.6 Aufbereitung des Trinkwassers……………………………………………………… 25812.7 Wasserhärte …………………………………………………………………………… 25912.8 Enthärtung des Wassers ……………………………………………………………… 26012.9 Abwasserbelastung und Abwasserbehandlung ………………………………… 26112.10 Wasser- und Bodenverseuchung durch Mülldeponien ………………………… 26412.11 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 12 ……………………………………… 265

13 Luft ……………………………………………………………………………………… 266

13.1 Bestandteile der Luft ………………………………………………………………… 26613.2 Luftverflüssigung ……………………………………………………………………… 26713.3 Das natürliche CO2–O2-Gleichgewicht …………………………………………… 26713.4 Kohlenstoffdioxid und Treibhauseffekt …………………………………………… 26813.5 Ozon-Gleichgewicht und Ozonabbau ……………………………………………… 269

Inhalt

7

13.6 Luftverunreinigung …………………………………………………………………… 27213.6.1 Schadstoffkonzentrationen – MAK- und MIK-Werte ………………………………… 27213.6.2 Luftschadstoffe und Smogbildung …………………………………………………… 27413.6.3 Wirkungen und Reduzierung von Luftschadstoffen ………………………………… 27513.7 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 13 ……………………………………… 278

14 Allgemeine organische Chemie ……………………………………………… 279

14.1 Zum Begriff „Organische Chemie“ ………………………………………………… 27914.2 Bindungen des Kohlenstoffs mit einwertigen Elementen ……………………… 27914.3 Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen ………………………………………… 28014.4 Allgemeine Eigenschaften organischer Stoffe …………………………………… 28414.5 Organische Reaktionen ……………………………………………………………… 285

15 Organische Verbindungen ……………………………………………………… 289

15.1 Aliphatische oder acyclische Kohlenwasserstoffe ……………………………… 28915.1.1 Alkane oder Paraffine …………………………………………………………………… 28915.1.2 Isomerie…………………………………………………………………………………… 29415.1.3 Alkene oder Olefine……………………………………………………………………… 29715.1.4 Polyene …………………………………………………………………………………… 30215.1.5 Alkine oder Acetylene…………………………………………………………………… 30315.1.6 Cycloalkane oder Naphthene ………………………………………………………… 30715.1.7 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 14 und Abschnitt 15.1 ………………… 29515.2 Derivate aliphatischer Kohlenwasserstoffe ……………………………………… 30915.2.1 Chlorverbindungen der Kohlenwasserstoffe ………………………………………… 30915.2.2 Nitroalkane ……………………………………………………………………………… 31215.2.3 Amine……………………………………………………………………………………… 31315.2.4 Alkanole oder Alkohole ………………………………………………………………… 31415.2.5 Alkanale oder Aldehyde ………………………………………………………………… 31815.2.6 Alkanone oder Ketone ………………………………………………………………… 31915.2.7 Ether ……………………………………………………………………………………… 32015.2.8 Carbonsäuren …………………………………………………………………………… 32115.2.9 Substituierte Carbonsäuren …………………………………………………………… 32515.2.10 Derivate der Carbonsäuren …………………………………………………………… 32615.2.11 Natürliche Fette und Öle – Fetthärtung und Fettspaltung…………………………… 32815.2.12 Seifen und synthetische Waschmittel – Tenside …………………………………… 32915.2.13 Kohlenhydrate …………………………………………………………………………… 33215.2.14 Eiweiße …………………………………………………………………………………… 33515.2.15 Aufgaben zur Wiederholung von Abschnitt 15.2 …………………………………… 33715.3 Aromatische Kohlenwasserstoffe (Arene) ………………………………………… 33815.3.1 Benzen (Benzol) ………………………………………………………………………… 33815.3.2 Weitere aromatische Kohlenwasserstoffe …………………………………………… 33915.3.3 Einige Nomenklaturregeln für aromatische Verbindungen ………………………… 34115.3.4 Einfachsubstituierung – elektrophile Substitution …………………………………… 34115.3.5 Mehrfachsubstitution …………………………………………………………………… 34315.4 Derivate aromatischer Kohlenwasserstoffe ……………………………………… 34615.4.1 Halogenderivate der Arene …………………………………………………………… 34615.4.2 Aromatische Sulfonsäuren ……………………………………………………………… 34715.4.3 Phenole …………………………………………………………………………………… 34815.4.4 Aromatische Alkohole …………………………………………………………………… 35015.4.5 Aromatische Aldehyde ………………………………………………………………… 35115.4.6 Aromatische Ketone …………………………………………………………………… 35115.4.7 Aromatische Carbonsäuren …………………………………………………………… 35215.4.8 Aromatische Nitroverbindungen ……………………………………………………… 35315.4.9 Aromatische Amine ……………………………………………………………………… 354

Inhalt

8

15.4.10 Aromatische Diazoverbindungen ……………………………………………………… 35515.4.11 Farbstoffe ………………………………………………………………………………… 35515.5 Terpene und Steroide ………………………………………………………………… 35615.6 Heterocyclische Verbindungen ……………………………………………………… 35715.7 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 15.3 bis 15.6 ………………………… 361

16 Erdgas, Erdöl und Kohle als Energieträger und Rohstoff …………… 362

16.1 Entstehung ……………………………………………………………………………… 36216.2 Erdgas …………………………………………………………………………………… 36216.3 Erdöl ……………………………………………………………………………………… 36316.4 Gewinnung von Kohlenwasserstoffen durch fraktionierte Destillation

des Erdöls ……………………………………………………………………………… 36316.5 Verunreinigung durch Mineralöle – Umweltprobleme…………………………… 36516.6 Weiterverarbeitung von Erdölfraktionen…………………………………………… 36516.6.1 Raffination ………………………………………………………………………………… 36516.6.2 Erhöhung der Benzinausbeute durch Cracken („Molekülverkleinerung“)………… 36516.6.3 Qualitätsverbesserung der Benzine durch Reforming-Prozesse

(„Molekülumbau“) ……………………………………………………………………… 36616.6.4 Verdichtbarkeit des Benzins – Octanzahl …………………………………………… 36616.7 Kohle……………………………………………………………………………………… 36816.7.1 Kohle als Energieträger und Rohstoff ………………………………………………… 36816.7.2 Entgasung der Kohle (Verkokung) …………………………………………………… 36916.7.3 Vergasen der Kohle zu Synthesegas ………………………………………………… 37016.8 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 16 ……………………………………… 371

17 Kunststoffe …………………………………………………………………………… 372

17.1 Makromolekulare Stoffe – Definition und Einteilung …………………………… 37217.2 Ausgangsstoffe ………………………………………………………………………… 37317.3 Synthesereaktionen und Produkte ………………………………………………… 37317.3.1 Polymerisation und Polymerisate ……………………………………………………… 37317.3.2 Bindungscharakter und sekundäre Bindungen der Polymerisate ………………… 37517.3.3 Struktur der Polymerisate ……………………………………………………………… 37717.3.4 Elastomere (Elaste) ……………………………………………………………………… 37917.3.5 Polykondensation und Polykondensate ……………………………………………… 38017.3.6 Polyaddition und Polyaddukte ………………………………………………………… 38517.4 Allgemeine Eigenschaften der Kunststoffe ……………………………………… 38617.5 Chemiefasern …………………………………………………………………………… 38717.6 Recycling von Kunststoffen ………………………………………………………… 38817.7 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 17 ……………………………………… 390

Anhang ………………………………………………………………………………… 391

A Einige Grundregeln für den Umgang mit Chemikalien im Labor ……………… 391B Verhalten bei Notfällen und erste Hilfe …………………………………………… 391C Gefahrenhinweise ……………………………………………………………………… 392

Standardisierte Risiko-Sätze (R-Sätze) ……………………………………………… 392Sicherheitsratschläge (S-Sätze) ……………………………………………………… 393

D Gesetze und Verordnungen ………………………………………………………… 393E Gefahrstoffe …………………………………………………………………………… 395

Sachwortverzeichnis ……………………………………………………………… 399

Bildquellenverzeichnis………………………………………………………………… 404

Periodensystem der Elemente (Ausschlagtafel) ……………… nach Seite 404

Vorwort für die Lehrenden

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Vorwort für die Lehrenden

Für das vorliegende Lehrbuch fanden die Rahmenlehrpläne für alle Berufe des BerufsfeldesChemie, Physik, Biologie der Bundesländer Berücksichtigung. Der Inhalt ist auf alleAusbildungsjahre abgestimmt. Stoffgruppen der organischen Chemie, die auf diealiphatischen Kohlenwasserstoffe folgen, sind im Überblick aufgenommen worden. Nur wenigeSachverhalte konnten aus Gründen des Umfangs nicht dargestellt werden, beispielsweisemuss für Pharmazeutika auf spezielle Literatur hingewiesen werden. Das Lehrbuch enthältauch die chemischen Grundlagen, die in Fachschulen der Fachrichtungen Chemietechnik undBiotechnik vermittelt werden. Ebenso werden Schüler beruflicher Gymnasien entsprechenderOrientierung in dem Buch ihre Lerninhalte auffinden können.

Es wurde eine Lehrstoffsystematik gewählt, die der Logik der Fachdisziplin folgt. DieseEntscheidung ergab sich schon daraus, dass die Rahmenlehrpläne sowohl, was die einzelnenBundesländer als auch die Ausbildungsberufe des Berufsfeldes betrifft, in Auswahl undAnordnung nicht deckungsgleich sind. Die Autoren haben sich bemüht, die Darstellung so zuwählen, dass die Kapitel aufeinander abgestimmt und in sich geschlossen, aber auch in derAbfolge vertauschbar sind. Dadurch gibt es für den Lehrenden keine Einschränkungen, dieeigene Unterrichtssystematik zu bestimmen. Ein solches Vorgehen war auch vom ökonomischenStandpunkt angeraten, denn es ist kaum vertretbar, für jeden einschlägigen Beruf gesonderteLehrbücher zu schreiben und zu drucken, die zum größten Teil gleiche Inhalte aufweisen. DieseEntscheidung von Autoren und Verlag zieht allerdings nach sich, dass einige Abschnitte derjeweiligen Ausbildungsrichtung nur Ergänzungswissen, aber nicht Unterrichtsstoff enthalten.Diese Inhalte sind so abgefasst, dass keine Verständnislücken entstehen, wenn die Behandlungim Unterricht nicht erfolgt.

Breiter Raum wird den grundlegenden Zusammenhängen eingeräumt, die dem Verständnis vonErscheinungen dienen. Auch die Wiederholungsfragen zu den einzelnen Kapiteln lenken dieSchüler auf Ursache-Wirkungs-Beziehungen. Die im Text enthaltenen Aufgaben sind in diesemZusammenhang zu sehen.

Die Autoren haben es als wichtige Aufgabe angesehen, in angemessener Weise aufUmweltprobleme einzugehen, haben doch gerade Umweltschäden meist chemische Ursachen.

Grundsätzlich sollte die Vermittlung chemischer Sachverhalte zu kritischer Haltung im Umgangmit Substanzen, die Gefahren darstellen, erziehen.

Die Autoren danken dem Verlag für die Unterstützung. Sie sind über kritische Hinweise, die einer Bearbeitung bei einer Neuauflage dienlich wären, erfreut.

Die Verfasser

Vorwort zur 2. Auflage

Autoren und Verlag danken für die Hinweise, die zur Verbesserung der 2. Auflage angeregthaben. Wir verweisen vor allem auf die Erweiterungen der Kapitel „Energieänderungen“ und„Weitere organische Verbindungen“. Beim „Massenwirkungsgesetz“ und bei den „Nicht-metallen“ wurden heterogene Systeme, Ausbeutesteigerungen sowie LEWIS-Säuren und -Basen neu aufgenommen.

Die Autoren

Vorbemerkungen für die Auszubildenden

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Vorbemerkungen für die Auszubildenden

Vorworte von Lehrbüchern sind aus unerfindlichen Gründen meist für die Lehrer geschrieben.Lehrbücher sind jedoch für Sie, die Lernenden, verfasst! Also wollen die Autoren die „Tradi-tion“ brechen und sich auch an Sie wenden.

Im Chemieunterricht wird man leicht von der großen Vielfalt der Einzelheiten überwältigt, wennes nicht gelingt, zu allgemein gültigen, vergleichbaren wiederkehrenden Zusammenhängenvorzudringen. Deshalb sollten Sie sich auf die Gesetzmäßigkeiten konzentrieren und die einzelneErscheinung als speziellen Fall verstehen. Die hervorgehobenen Merksätze sollen Ihnen dabeibehilflich sein. Auch die im Text und am Kapitelende eingefügten Aufgaben orientieren auf dieZusammenhänge von Ursache und Wirkung und weisen auf besonders wichtige Lerninhalte hin.Erst das Erkennen der Ursachen führt zum Verständnis des chemischen Sachverhaltes. FragenSie deshalb immer nach dem Warum!

Die chemischen Prozesse gehen immer am unendlich kleinen Stoffteilchen vor sich. Sie sind unsnicht direkt zugänglich. Deshalb können sich Lernende oft nicht vorstellen, wie sich Atome, Ionen oder Moleküle verändern. Um eine gewisse Anschaulichkeit zu erhalten, stehen IhnenModelle zur Verfügung. Beachten Sie, dass es Denkhilfen sind. Die Wirklichkeit ist vielkomplizierter. Schon aus diesem Grunde braucht man zur Aufklärung besonders komplizierterDinge und Prozesse mehrere Modelle, abgesehen davon, dass man nur modellieren kann, wennman von dem betreffenden Sachverhalt etwas weiß.

Und schließlich noch etwas Wichtiges: So, wie ohne Zahlen keine Berechnungen ausgeführtwerden können, so ist chemisches Denken und Handeln ohne wichtige Formeln undGleichungen nicht möglich.

Autoren und Ihre Lehrer wollen Vermittler, „Katalysator“ zwischen der Wissenschaft Chemie undIhnen sein, damit Sie sich das Wissen aneignen können, das Sie für Ihre spätere Berufstätigkeitbenötigen. Wir wünschen Ihnen Erfolg!

Die Verfasser

Einleitung

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Einleitung

Gegenstand der Wissenschaft Chemie sind die Stoffe. Alle festen Körper, Flüssigkeiten, Gase,auch der menschliche Körper selbst bestehen aus Stoffen. Man kann sagen, dass es derMensch während seines gesamten Lebens – bewusst oder unbewusst – mit Erscheinungen zutun hat, die durch die Wissenschaft Chemie erforscht werden. Die Aufnahme von Nährstoffensichert den Ablauf der körpereigenen Prozesse. Die Menschen gewinnen Rohstoffe ausNaturstoffen und wandeln diese zu neuen Materialien, aus denen schließlich die vielfältigstenGegenstände für alle Bereiche des Lebens (Haushalt, Freizeit, Industrie usw.) hergestelltwerden. Ganz gleich, ob es der zum Faustkeil gestaltete Feuerstein, die Bronzesichel, die„eiserne“ Bahn, das wirksame Medikament, der in raffinierten Strukturen erdachte Mikrochipist, in jedem Fall werden die Eigenschaften bestimmter Stoffe vom Menschen genutzt. DieEntwicklung der menschlichen Zivil isation ist eng verbunden mit der Weiter- undNeuentwicklung von Stoffen. Es darf aber nicht übersehen werden, dass neben vielenpositiven Wirkungen auch negative Einflüsse auf Mensch und Natur mit der Erzeugung unddem Einsatz von Stoffen verbunden sind. Kenntnisse der Chemie sind für den Menschen daherin mehrfacher Hinsicht bedeutungsvoll: Sie versetzen ihn einerseits in die Lage, Stoffe zubewerten, auszuwählen, deren Eigenschaften zweckvoll zu nutzen und zu verändern.Andererseits liefern sie ihm auch das Rüstzeug, um „chemische Sünden“ zu vermeiden, dieunsere Umwelt schädigen. Der letztere Aspekt nimmt mit dem Umfang der genutzten Stoffe anBedeutung zu. Es ist unerlässlich, die Schadstoffbildung einzuschränken, anfallendeSchadstoffe in unschädliche Formen zu überführen und Altstoffe einer Wiederverwertungzugänglich zu machen.

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1.3 Änderungen des Aggregatzustandes als Beispiel für physikalische Vorgänge

Für die meisten festen Stoffe gilt, dass sie durch Energiezufuhr, d. h. durch Erwärmen ge-schmolzen und verdampft werden können. Dazu muss am Schmelzpunkt (-temperatur) dieSchmelzwärme und am Siedepunkt (-temperatur) die Verdampfungswärme aufgebrachtwerden. Die Änderungen des Wassers beim Erwärmen lassen sich wie folgt formulieren:

Schmelzen:H2O + 0,334 kJ · g–1 0 °C; 101,325 kPa H2OEis, fest Wasser, flüssig

Verdampfen:H2O + 2,259 kJ · g–1 100 °C; 101,325 kPa H2OWasser, Wasserdampf, flüssig gasförmig

1 Chemie und Physik

1.2 Physik und physikalischer Vorgang

Die Physik beschäftigt sich vorrangig mit Zustandsänderungen von Stoffen, bei denen die Stoff-zusammensetzung erhalten bleibt. Zustandsänderungen vollziehen sich unter Einwirkung vonEnergie. Sie äußern sich beispielsweise in Änderungen des Aggregatzustandes (fest, flüssig,gasförmig). Deshalb wird die Physik auch als Wissenschaft von der Energie und deren Umwand-lungen bezeichnet.

Physik und Chemie untersuchen den Aufbau und das Verhalten der unbelebten Natur. Die Unter-schiede beider Wissenschaftsgebiete zeigen sich, wenn man den physikalischen und denchemischen Vorgang kennzeichnet:

Physikalische Vorgänge äußern sich in Zustands- bzw. Energieänderungen. Dabeitreten keine bleibenden stofflichen Veränderungen ein.

Aufgabe: Beobachten Sie Wetterabläufe, die Bewegungen auf einer Straße, Vorgänge im Haushalt u. a. und nennen Sie Prozesse, die ohne Stoffänderungen vor sich gehen.

→

→

1.1 Arbeitsgebiete der Chemie und der Physik

Chemie und Physik sind exakte Naturwissenschaften, deren Interessen sich auf gleiche natür-liche Erscheinungen in der Umwelt des Menschen richten. Daraus ergibt sich, dass die Arbeits-gebiete beider Wissenschaften nicht scharf abgrenzbar sind und eine Definition des Wissen-schaftsgegenstandes immer „Unschärfen“ enthält.

1.3 Änderungen des Aggregatzustandes

13

Die zum Schmelzen bzw. zum Verdampfen von jeweils einem Gramm Eis bzw. Wasser be-nötigten Wärmemengen werden als spezifische Schmelz- bzw. spezifische Verdampfungs-wärme bezeichnet.

Bei der Abkühlung von Wasserdampf unter die Kondensationstemperatur, die bei gleichemDruck der Siedetemperatur entspricht, kondensiert er wieder zu flüssigem Wasser. Ebensoerstarrt das Wasser beim Unterschreiten der Kristallisations- oder Erstarrungstemperatur, die bei gleichem Druck der Schmelztemperatur entspricht. Die zum Schmelzen bzw. Verdampfennotwendigen Wärmemengen werden bei der Abkühlung wieder als Kondensations- bzw. alsErstarrungs- oder Kristallisationswärme frei. Die Beträge sind gleich groß. Darin äußert sichdas Gesetz von der Erhaltung der Energie. Zugeführte Wärmemengen erhalten ein positives(Energiezuwachs), abgegebene Wärmemengen erhalten ein negatives Vorzeichen (Energie-verlust).

Die Gleichungen für die Vorgänge lauten somit:

Kondensieren:H2O – 2,259 kJ · g –1 100 °C; 101,325 kPa H2ODampf, gasförmig Wasser, flüssig

Kristallisieren, Erstarren:H2O – 0,334 kJ · g –1 0 °C; 101,325 kPa H2OWasser, flüssig Eis, fest

→

→

Die Vorgänge beim Erwärmen und beim Abkühlen von Wasser verlaufen unter gleichenBedingungen reversibel (umkehrbar, ohne bleibende Veränderung).

Alle Stoffe, die bis über die Schmelz- bzw. Verdampfungstemperatur thermisch stabil sind, d. h.sich nicht zersetzen, zeigen solch reversible Änderungen des Aggregatzustandes (Abb. 1-1).

flüssig

(geschmolzen)fest

gasförmig

(dampfförmig)

Schmelzen

Erstarren(Kristallisieren)

Subl

imie

ren

Reife

n(R

esub

limie

ren)

Kondensieren

Verdampfen

Abb. 1-1Mögliche Übergänge

zwischen denZustandsformen

eines Stoffes

1 Chemie und Physik

14

Aggregatzustände können auch „übersprungen“ werden. Aus Schwefeldampf bildet sich beimAbkühlen fester Schwefel („Schwefelblüte“). Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes undhoher Luftfeuchtigkeit kann der Übergang von Wasserdampf in Eis beobachtet werden (Reifen).Bei manchen Stoffen und bei niedrigem Druck sind auch Änderungen vom festen in den dampf-förmigen Zustand möglich (Sublimation, Abb. 1-2).

Glasplatte

sublimiertes Iod

dampfförmiges Iod

Iodkristalle

Abb. 1-2Sublimation und Reifen(Resublimieren) von Iod

Beispiele dafür sind das Verdampfen von Eisoder das zum Verspiegeln genutzte Ver-dampfen von Aluminium im Vakuum.

Versuch Erwärmen Sie einige Iod-kristalle wie in Abb. 1-2angegeben. BeobachtenSie die Entstehung undAbkühlung des Ioddamp-fes. Abzug! R 23, S 23

Abb. 1-3 zeigt die Möglichkeiten der Änderung von Aggregatzuständen am Beispiel des Was-sers. Der Übersicht 1-1 sind für einige technisch bedeutsame Metalle Schmelz- und Siedetem-peraturen sowie die spezifischen Wärmemengen zu entnehmen.

Dampf

Sieden,Verdampfen Kondensieren

Schmelzen Erstarren oderKristallisieren

Eis

Reifen Sublimieren

gasförmig (Dampf)

flüssig (Schmelze)

fest

Siedetemperatur Kondensationstemperatur

Schmelztemperatur Erstarrungs- oder Kristal-lisationstemperatur

0

20

40

60

80

100

Bezeichnung der Temperaturen für dieÄnderung der Aggregatzustände

Wasser

Abb. 1-3 Änderungen des Aggregatzustandes am Beispiel von Wasserstoffoxid H2O (bei p = 101,325 kPa)

Xn

Mindergiftig(Gesundheits-

schädlich)

1.4 Chemie und chemischer Vorgang

15

Na 97,7 0,115 881 4,48Al 660,2 0,418 ~2330 10,48Cu 1083 0,204 ~2595 4,87Fe 1539 0,278 ~3070 6,338W 3410 0,192 ~5700 4,346

Stoff spezifische Schmelz-bzw.Kristallisationswärme in kJ · g–1

spezifischeVerdampfungs- bzw.Kondensationswärmein kJ · g–1

Schmelz-temperatur

in °C

Siede-temperatur

in °C

Physikalische Konstanten von Metallen

Übersicht 1-1

Aufgabe: Stellen Sie für die Änderungen der Aggregatzustände beim Erwärmen undAbkühlen von Aluminium Gleichungen auf, wie das für Wasser geschehen ist.

Bei allen genannten Vorgängen ändert sich die Zusammensetzung der Stoffe nicht. Wasser istin allen Aggregatzuständen die gleiche Verbindung H2O. Der Stoff und seine Eigenschaftenbleiben bei physikalischen Vorgängen erhalten. Zu den physikalischen Eigenschaften (Merkma-len) eines Stoffes zählt man: Schmelz- und Siedetemperatur, Dichte, Aggregatzustände inAbhängigkeit von Druck und Temperatur, elektrische und Wärmeleitfähigkeit, magnetischesVerhalten, Härte und Festigkeit.

1.4 Chemie und chemischer Vorgang

Die Chemie ist die Wissenschaft von den Stoffen und den stofflichen Veränderungen, die sichbei chemischen Vorgängen einstellen. Sie erforscht den Aufbau (Struktur), die Zusam-mensetzung (Bestandteile), die Eigenschaften und die Darstellung (Herstellung, Erzeugung) von Stoffen. Im Zentrum chemischer Untersuchungen stehen die chemischen Vorgänge sowiedie Bedingungen und Gesetzmäßigkeiten, nach denen sich diese Prozesse vollziehen.

Chemische Vorgänge können in vielfältiger Form ablaufen, wie die folgenden Beispiele zeigen:

a) aus Elementen entstehen Verbindungen, z. B. bei der Verbrennung von Magnesium:2 Mg + O2 r 2 MgOMagnesium Sauerstoff Magnesiumoxid

b) Verbindungen wandeln sich in andere Verbindungen um, z. B. beim Abbinden von Kalkmörtel:Ca(OH)2 + CO2 r CaCO3 + H2OLöschkalk Kohlen- Calcium- Wasser

stoffdioxid carbonat

c) Verbindungen zerfallen in Elemente, z. B. beim Erhitzen von Quecksilberoxid:2 HgO r 2 Hg + O2

Queck- Queck- Sauerstoffsilberoxid silber

1 Chemie und Physik

16

d) Verbindungen gehen in einfachere Verbindungen über, z. B. beim Erhitzen von Kalksteinoder Ammoniumchlorid (thermische Zerlegung):CaCO3 r CaO + CO2

Calcium- Calciumoxid, Kohlenstoff-carbonat, Branntkalk dioxidKalkstein

NH4Cl r NH3 + HClAmmonium- Ammoniak Chlorwasserstoffchlorid Hydrogenchlorid

Versuche 1. Ein kleines Stück Magne-siumband wird mit derTiegelzange in die heißeBunsenbrennerflammegehalten und entzündet.Beschreiben Sie den Pro-zess und das Produkt! Vorsicht! (Abb. 1-4)Schutzbrille! Cobaltglas!

R 7, S 30

2. Auf trockenen Löschkalk(Calciumhydroxid), dersich in einem Reagenz-glas oder Erlenmeyerkol-ben befindet, wird trocke-nes Kohlenstoffdioxid ge-leitet. Beobachtungen?(Abb. 1-5) R 34, S 24/26

3. Eine Spatelspitze Queck-silberoxid wird in einemReagenzglas stark er-hitzt. Beobachtung?Halten Sie in die Öffnungdes Reagenzglases ei-nen glühenden Holzspan.Beobachtung? (Das benutzte Reagenz-glas ist Sondermüll!) (Abb. 1-6) Abzug! R 26/28, S 60

Mg

CO2

verd. HCl

MarmorCaCO3

CO2LöschkalkCa(OH)2

glimmenderHolzspan

HgO

Abb. 1-4

Abb. 1-5

Abb. 1-6

T+

Sehr giftig

C

Ätzend

O

Brandfördernd

Lehrer-versuch

1.5 Chemische Eigenschaften

17

Die Gleichungen zu den Versuchen bringen zum Ausdruck, dass sich die Stoff- bzw. Teilchenartin jedem Fall ändert.Den Aufbau neuer Verbindungen aus einfachen Stoffen bezeichnet man als Synthese (Bei-spiel a), die Zerlegung einer Verbindung in weniger kompliziert zusammengesetzte Stoffe alsAnalyse (Beispiel c).

Aufgabe: Welche Vorgänge im Verbrennungsmotor sind physikalische bzw. chemischeProzesse?

Alle Prozesse, bei denen sich ein oder mehrere Ausgangsstoffe in andere Stoffe (Reaktionsprodukte) mit neuen Eigenschaften umwandeln, sind chemische Vorgänge(chemische Reaktionen, chemische Prozesse). Die Ausgangsstoffe nennt man Edukte,die Endstoffe Produkte.

chemische ReaktionEdukte → ProdukteEigenschaften der Edukte Eigenschaften der Produkte

Chemische Eigenschaften sind Reaktionsmerkmale, die ein Stoff besitzt und durch dieer sich von anderen Stoffen unterscheidet.

Diese Merkmale können äußerlich erkennbar, sinnlich wahrnehmbar sein (Geruch, Aussehen wieFarbe, Glanz usw.). Weitaus häufiger äußern sich die chemischen Eigenschaften erst beimAblauf chemischer Vorgänge, z. B. beim Verbrennen, bei der Reaktion mit Säuren oder anderenStoffen usw.

Eigenschaften müssen auch herangezogen werden, um Stoffe zu identifizieren. Der salmiakarti-ge Geruch von Ammoniak charakterisiert den Stoff der Zusammensetzung NH3. Der stechendsäuerliche Geruch von Chlorwasserstoff (Salzsäure-Gas) ist kennzeichnend für HCl, reichtjedoch allein nicht für die Identifizierung aus, da der Geruch des ebenfalls farblosen Schwefel-dioxids sehr ähnlich ist. Erst die Untersuchung weiterer Eigenschaften, wie z. B. das Verhaltendes Gases in Gegenwart von Wasserdampf, können die Vermutungen bestätigen. Im Falle vonSalzsäure-Gas bilden sich auf Grund der wasseranziehenden Eigenschaft oder Hygroskopiedes Gases sogenannte „Salzsäurenebel“. Auch die Farbe allein genügt als Merkmal nicht für eineIdentifizierung. Beispielsweise zeigen sowohl Gold, einige Messinge (Kupfer-Zink-Legierungen)als auch Verschleißschutzschichten aus Titannitrid Goldfarbe. Erst das Verhalten der Stoffe beichemischen Vorgängen lässt die Unterscheidung zu: Gold (-legierungen) wird von konzentrier-ter Salpetersäure nicht angegriffen, wohl aber Messing. Titannitrid wird von konzentrierter heißerKalilauge KOH chemisch zu Ammoniak NH3 umgewandelt. Gold lässt sich nur durch ein

1.5 Chemische Eigenschaften

1 Chemie und Physik

18

Chemische Eigenschaften geben somit auch an, wie sich ein Stoff verhält, wenn andere Stoffeoder/und Energie in Form von Wärme, Licht, radioaktiver Strahlung o. a. auf ihn einwirken. Wennsich beispielsweise ein Metall an der Luft mit Sauerstoff verbindet, so ist es oxidierbar bzw. nichtoxidationsbeständig (korrodierbar oder nicht korrosionsbeständig). Reagiert ein Metall mit einerSäure unter Wasserstoffentwicklung, so ist es nicht säurebeständig oder säurelöslich.

1.6 Änderung von Eigenschaften als Merkmale eines chemischen Vorgangs

Allgemein ergibt sich aus einer Veränderung von Stoffeigenschaften, dass ein chemischer Vor-gang abgelaufen ist. Verschiedene Begleiterscheinungen deuten auf eine Reaktion hin, z. B.

– Entstehung eines Niederschlags (Veränderung der Löslichkeit)

– Farbänderung, Änderung des Glanzes (Reflexion)

– Veränderung von Schmelz- und Siedetemperatur (Erstarrungs- und Kondensationstempe-ratur)

– Veränderung der Dichte

– Geruchs- und Geschmacksänderung (Vorsicht!)

– Entweichen eines Gases

– Änderung der Kristallform

– Veränderung von Härte, Festigkeit, Sprödigkeit, Wärmeleitfähigkeit, elektrischer Leitfähigkeit

– Freisetzen von Wärmeenergie oder Aufnahme (Binden) von Wärmeenergie

Gemisch aus 3 Teilen konzentrierter Salzsäure und 1 Teil konzentrierter Salpetersäure (Königs-wasser) chemisch auflösen (Abb. 1-7).

Abb. 1-7 Unterscheidung von gleichartig aussehenden Stoffen (a = Gold, b = Titannitrid, c = Messing) aufGrund unterschiedlicher chemischer Eigenschaften

Um welchen Stoff handelt es sich?

+ HNO3, konz.

=keine Reaktion

… Gold oder Titannitrid

+ HNO3, konz.

=braune Dämpfe (NO2) und blaue Lösung

… Messing

+ heiße KOH, konz.

=NH3-Geruch

… Titannitrid

+ 3 Teile HCl, konz. + 1 Teil HNO3, konz.

=braune Lösung

… Gold

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2 Stoffe

2.1 Einteilung der Stoffe nach Vorkommen und Verwendung

In der Natur vorgefundene Stoffe nennt man Naturstoffe. Werden sie vom Menschen für einenbestimmten Zweck gewonnen, bezeichnet man sie als Rohstoffe. Durch die weitere Verarbei-tung erzeugt man aus den Rohstoffen beispielsweise Werkstoffe (Materialien), Lebensmittel(Nahrungs- und Genussmittel), Kosmetika, Pharmazeutika, Betriebsstoffe zur Gewinnung undÜbertragung von Energie und Hilfsstoffe (Übersicht 2-1).

Erz, Rohsalz, Rohöl …

Werkstoffe Betriebsstoffe Hilfsstoffe Lebensmittel

Stahl Benzin Kühlmittel …

Kupfer Diesel Alterungsschutzmittel

Beton Heizöl Frostschutzmittel

Glas Kohle Pigmente

Schnittholz Schmierstoffe …

Kunststoffe Hydrauliköl

… …

Allen gasförmigen, flüssigen und festen Stoffen ist gemeinsam, dass sie aus Teilchenbestehen. Je nach Stoffart sind es Atome, Ionen oder Moleküle. Zwischen den Teilchenbestehen anziehende und abstoßende Kräfte.

Einteilung der Stoffe nach ihrem Vorkommen und ihrer Verwendung

Naturstoffe

Rohstoffe

Übersicht 2-1

2 Stoffe

20

2.2 Aggregatzustände von Stoffen

Raumausfüllung durch Teilchen …Abb. 2-1 Abb. 2-2 Abb. 2-3 Abb. 2-4 … in Gasen … in Gasgemischen … in Flüssigkeiten … in festen Stoffen

2.2.1 Gase

Gasteilchen sind frei beweglich. Ihre Abstände zueinander sind so groß, dass keine oder nurgeringe Anziehungskräfte wirken können. Gase nehmen deshalb ein großes Volumen ein und siesind komprimierbar. Sie füllen ein verfügbares Volumen vollständig aus (Abb. 2-1). Beim Zusam-mentreffen reflektieren die Teilchen elastisch. Stöße auf eine Wand erzeugen den Gasdruck(BROWNsche Molekularbewegung).

Druck und Volumen der Gase ändern sich mit der Temperatur. GAY-LUSSAC (1778–1850) fanddafür folgende zwei Zusammenhänge:

Vq = V0 (1 + aq) = V0 (1 + q ) (p = konst.)273,16

q Temperatur in °C; V0 Volumen bei 0 °C; Vq Volumen bei der Temperatur q;

a thermischer Ausdehnungskoeffizient der Gase a = 1 in K–1 (bzw. bei q in grd –1).273,16

Mit 273,16 + q = T (in K) erhält man bei der absoluten Temperatur T für das Volumen VT

VT = V0 ( 273,16 + q )273,16

VT = V0T

273,16 (p = konst.)

1. Das Volumen eines Gases dehnt sich bei einer Erwärmung um 1 Kelvin um den 212Teil seines Volumens bei 0 °C aus, wenn der Druck konstant (isobar) bleibt: 273,16

Aufgabe: Ein Kubikmeter eines Gases wird von 0 °C auf 200°C isobar erwärmt. WelchesVolumen nimmt das Gas nun ein?

Mit Erhöhung der Temperatur nimmt die Teilchenbewegung (Geschwindigkeit) zu. Bleibt dasGas im gleichen Volumen eingeschlossen (V = konst., isochor), erhöht sich der Druck in analo-ger Weise:

pq = p0 (1 + aq) = p0 (1 + q ) (V = konst.)273,16