Chemie für Dummies

Stefanie Ortanderl ist Professorin für Technische Chemie an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg. Vorher arbeitete sie zehn Jahre in der Verfahrens- und Produktentwicklung in der chemischen Industrie. Ulf Ritgen ist Dozent an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg mit den Themenschwerpunkten Allgemeine und Analytische Chemie.

• Über die Autoren 7Einführung 29Törichte Annahmen über den Leser 31Zu diesem Buch 31Wie Sie dieses Buch einsetzen 32Symbole in diesem Buch 34Was Sie nicht lesenmüssen 35Wie dieses Buch aufgebaut ist 36Wie es weitergeht 39Teil I Ausrüstung Für die Chemische Expedition 41Kapitel 1 Denken wie die Naturwissenschaftler 43Von der Beobachtung zur Theorie 43Je nach Bedarf – Modelle und ihre Grenzen 49Kapitel 2 Kauderwelsch? – Fachchinesisch gehört dazu 53Grundgrößen 54Alles festgeklopft: die SI-Einheiten 55Normal ist das nicht 57Was ist denn ein Quadratliter? – In welchen Dimensionen denken wir eigentlich? 58Chemiker mögen’s extrem: sehr kleine und sehr große Zahlen 61Kapitel 3 Erkenntnisse über die Materie 65Gesetzmäßigkeiten 67Einteilung der Stoffe 68Die Natur hat ihren eigenen Kopf 70Kapitel 4 Definitionssachen 73Hier geht es um ein Atom 73Hier geht es um viele Atome 79Was ist eine empirische Formel? 84Kapitel 5 Energetische Betrachtungen 89Was ist überhaupt Energie? 89Wie viel Energie ist das? 91Wundersame Verwandlungen 92Prozesse ohne Stoffveränderung – das ist Physik 94Prozesse mit Stoffumwandlung – das ist Chemie 96Kapitel 6 Damit müssen Sie rechnen 101Dreisatz 101Potenzen 103Logarithmus 104Achtung: Signifikanz 106Infinitesimalrechnung 108Nur für Streber: Unlösbares lösbar machen 113Teil II Atome und Periodensystem – das Brot Für Den Chemiker 119Kapitel 7 Das Atom steht Modell 121DEMOKRIT 122DALTON 122THOMSON 123LENARD 124RUTHERFORD 125BOHR 127SOMMERFELD 127SCHRÖDINGER 128KIMBALL 129Kapitel 8 Das BOHR’sche Atommodell 131Moment! Was ist denn überhaupt ein »Quant«? 132Das klassische Atom 132BOHR’sche Postulate 135Das Spektrum des Wasserstoffs 136Kapitel 9 Elektronen beim Wellenreiten 143Was haben Licht, Wasser und Elektronen gemeinsam? 144Wie ist das mit SCHRÖDINGERs Katze? 151Quantenzahlen 154Orbitale 156Kapitel 10 Das Periodensystem der Elemente 163Die sonderbare Ordnung der Elemente 163Wer zuerst kommt, besetzt die besten Plätze 166Was ist denn hier periodisch? 176Teil III Chemische Bindungen – Oder: Was Machen die Atome Den Ganzen Tag? 191Kapitel 11 Ionenbindungen – berührungsfreier Zusammenhalt 193Oktettregel – was wird hier geregelt? 194Die Bausteine 195Bis hierher und nicht weiter 198Die Gitterenergie ist entscheidend 199Gitterwelten 204Kapitel 12 Kovalente Bindung – hier entstehen Moleküle 213Einfach, aber praktisch – die LEWIS-Schreibweise 214So viele Formeln! 2163D-Konstruktionen mithilfe des VSEPR-Modells 217Und die Orbitale? – Das VB-Modellmacht vieles anschaulich 223Warum gibt es überhaupt Moleküle? – die MO-Theorie weiß die Antwort 234Kein Modell kann alles leisten: VB trifft MO 249Nur für Streber: Symmetrie in der Chemie, Teil 1 – Moleküle 249Kapitel 13 Koordinative Bindung – Geschenke werden gerne genommen 261Koordinative Bindungen in einfachen Molekülen 262Hier bekommen Sie Komplexe 262Komplexe Bindungen 268Nicht kaputt zu kriegen? 280Alles so schön bunt hier 284Isomerie 287Kapitel 14 Hart im Nehmen – die Metalle 295Metallische Eigenschaften 296Kristallstrukturen 298Wie hält das eigentlich zusammen? 309Nur für Streber: EINSTEIN ist überall 317Kapitel 15 Intermolekulare Wechselwirkungen – Bedürfnis nach Gesellschaft 323Kräftevergleich 324Teil IV Thermodynamische Grundlagen – Was Geht Überhaupt? 331Kapitel 16 die Grammatik der Thermodynamik 333Thermodynamisches Vokabular 334Die Hauptsätze 346Was treibt die Chemie an? 354Nur für Streber: Woher kommt das Massenwirkungsgesetz? 358Kapitel 17 Hier bekommen Sie (noch mehr) Zustände 363Auf den Unterschied kommt es an 363Wer verursacht einen Zustand? 366Zustandsdiagramme 367Teil V Zustandsformen der Materie 377Kapitel 18 Gase 379Gase machen Druck 380Das ideale Gasgesetz 384Nur für Streber: Gase genauer betrachtet – die kinetische Gastheorie 386Kapitel 19 Flüssigkeiten 389Erkennungsmerkmale 389Kapitel 20 Lösungen 401Eine Lösung wird gesucht 402Lösungswärme 404Die Löslichkeit ist beeinflussbar 406Dies hängt von der Konzentration ab 409Nur für Streber: Immer diese Thermodynamik 415Kapitel 21 Feststoffe 419Sind wir jetzt ordentlich oder nicht? – Kristallin oder amorph 419Gitter für Fortgeschrittene 420Polymorphie – Festkörper-Lego® 430Nur für Streber: Symmetrie in der Chemie, Teil 2 – im Gitter 433Teil VI Chemische Reaktionen und Alles, Was Dazugehört 441Kapitel 22 Stöchiometrie – wie viel reagiert denn da? 443Warum Reaktionsgleichungen? 444Lohnt sich das überhaupt? 448Kapitel 23 die Zeit läuft – wie schnell ist eine Reaktion? 453Was ist überhaupt Reaktionsgeschwindigkeit? 454Erledigung der Formalitäten – Ordnung muss sein 456Geht’s nicht schneller? 459Nur für Streber: Reaktionsgeschwindigkeit mit Quantität 463Kapitel 24 Ein ewiges Hin und Her – das chemische Gleichgewicht 469Von wegen Ruhe – hier ist alles dynamisch 469Der Weg zum Massenwirkungsgesetz (MWG) 472Chemie – keine Kämpfernatur: Rückzug garantiert 476Gesättigte Lösungen – das Löslichkeitsprodukt 481Kapitel 25 Geben und nehmen – Säure/Base-Gleichgewichte 487Für alles gibt es Konzepte 488Wenn Wasser sonst nichts zu tun hat 493Der pH-Wert 495Lebenslang verheiratet – die Säure/Base-Paare 496pH-Wert-Berechnung 504Titrationskurven – alle Facetten 516Kartoffelpuffer können so etwas nicht 524Kapitel 26 Chemie unter Strom – Elektrochemie 533Auch hier im Doppelpack 534Nützliche Oxidationszahlen 535Wie wird eine Redox-Gleichung aufgestellt? 538Hat durchaus Potential 541Was Redox-Paare sonst noch so können 550Batterien? – Kenne ich! 550Wenn Gewalt im Spiel ist – die Elektrolyse 556Was ist denn nun eine Batterie? 560Teil VII Stoffchemie – Jetzt Wird Es Konkret 563Kapitel 27 -id, -it, -at – wie denn nun? 565Das Kind bekommt einen Namen 565Spitznamen – gar nicht trivial 570Kapitel 28 Elemente allein zu Haus 573Allotropie – Polymorphie für Einzelgänger 573Mit uns spielt ja keiner – oder doch? die Edelgase 583Kapitel 29 Wenn Salzbildner keine Salze bilden – die Chemie der Halogene 589Unter Ihresgleichen 590Salzsäure und Co. – die Halogenwasserstoffe HX 592Sauer mit Sauerstoff 593Halogene und der Rest des Periodensystems 596Kapitel 30 Mehr als nur Atemluft – Sauerstoff & Co 599Wasserstoffoxide – H2O und darüber hinaus 599Wenn Sauerstoff mit seinen Geschwistern spielt 601Wenn Stickstoff auf die Chalkogene trifft 606Chalkogene und der Rest der 5. Hauptgruppe 611Chalkogene und die 4. Hauptgruppe 616Wenn Salzbildner auf Erzbildner treffen – Chalkogene und Halogene 618Sie heißen ja nicht umsonst »Erzbildner« 619Kapitel 31 Ammoniak und mehr – die 5. Hauptgruppe 621Was der Stickstoff so alles kann! 622Von niedermolekular zu hochmolekular – geometrisch betrachtet 633Kapitel 32 Unfassbar viele Möglichkeiten mit Kohlenstoff & Co 635Kohlenstoff und was er kann 636Silicium: wirklich der große Bruder vom Kohlenstoff 642Jetzt ist alles glasklar: SiO2 643Und weiter im Periodensystem: Germanium, Zinn und Blei 653Kapitel 33 Hier mangelt’s gewaltig – die 3. Hauptgruppe 655Das hat man davon, wenn’s nicht reicht: Elektronenmangelverbindungen 655Borane – unendliche Vielfalt 666Zwischen den Welten: das Halbmetall Bor 670Kapitel 34 Metalle in Haupt- und Nebengruppen 673Welche Ladung darf ’s denn sein? 673Im Team: Legierungen – und darüber hinaus 684Teil VIII Organische Chemie – Chemie-Lego® Für Fortgeschrittene 693Kapitel 35 Aus altmach neu – aus AC wird OC 695Vielfalt trotz weniger unterschiedlicher Bausteine 698Wie heißt denn das? – Systematische Nomenklatur 704Was für zappelige Dinger! 705Was Sie schon kennen – in neuem Lichte betrachtet 708Eigentlich gar nicht so unübersichtlich! 713Wie schlau sind wir schon? – Eine Zwischenbilanz 714Kapitel 36 Partnertausch in der OC 717Gar nicht politisch: Freie Radikale 717Elektronisches Tauziehen 723Bild und Spiegelbild – Stereochemie 725Partnertausch auf anderem Wege: die Nucleophile Substitution 736Noch ein Wechselspiel der Kräfte – kinetisch versus thermodynamisch 741Kapitel 37 Erst die Scheidung, dann die Unzufriedenheit 745Wenn man sich in der Chemie trennt: die Eliminierung 745Der Anfang einer neuen Beziehung 751Wenn Doppelbindungen einander bemerken 755Jenseits der Doppelbindung 760Kann sich der Wasserstoff bitte mal entscheiden? 762Nur für Streber: MO in der OC? 764Kapitel 38 der Herr der Ringe 771Wenn der Kohlenstoff unter sich bleibt 771Mehr Abwechslung 779Wenn sich Mehrfachbindungen häufen 781Partnertausch am Ring 784Das muss doch auch anders gehen! – Ring-Varianten 789Nur für Streber: Herr HÜCKEL! Sie schon wieder? 800Kapitel 39 Wenn nicht der Kohlenstoff den Ton angibt 809Alkohole – die großen Brüder des Wassers 809Wenn der Alkoholmit der Säure 814Lego® mit Ammoniak – Amine 816Kapitel 40 Wenn der Kohlenstoff langsam sauer wird 819Nicht die jetzt auch noch! – Organische Redox-Reaktionen! 819Empfindliche Burschen & Putzmittel: Aldehyde und Ketone 821Jetzt ist er sauer 832Noch mehr Lego® 840Das Kind bekommt einen Namen – Teil 2: Prioritäten bei der Organischen Nomenklatur 844Kapitel 41 Alles gleichzeitig: Pericyclische Reaktionen 849Erst auf, dann zu: Elektrocyclische Reaktionen 849Aus zweimach eins: Cycloadditionen 855Und wieder zurück: Cycloreversionen 858Und wer kein p-Orbital hat, bleibt draußen? – Sigmatrope Reaktionen 861Kapitel 42 Nur für Streber: Grundlagen der organischen Synthese 869Wundersame Stoffumwandlung? 870Noch einmal: Redox 871Wenn die Kette länger wird 876Wo soll das alles enden? – Veränderungen 888Stereochemie in der Synthese 893Rückwärts gedacht: Retro-Synthese 896Kapitel 43 Nur für Streber: Spiel (fast) ohne Grenzen – Metallorganik/Elementorganik 903Kohlenstoff trifft Metall 903Nicht nur graue Theorie – Metallorganik in der Synthese 913Metall auf Metall – Mehrkernige Komplexe 919C und der Rest des PSE – wo OC auf AC trifft 921Teil IX Chemie – die Wissenschaft Des Lebens 925Kapitel 44 Ach, wie süß! – Traubenzucker und andere Kohlenhydrate 927Zwei große Familien 927Chemie-Lego® mit größeren Bausteinen 939…und wenn sie zusammengefügt warden 943Kapitel 45 Moleküle, die das Leben schreiben – DNA und RNA 949Ein Schritt nach dem anderen 949Der große Bauplan – DNA 952Was die Natur damit macht 954Kapitel 46 Sauer und basisch auf Leben und Tod – Aminosäuren 959Nicht alle Säuren sind einfach nur ätzend! 959Aminosäuren tun sich zusammen 969Proteine: Enzyme und mehr 977Nur für Streber: die Mutanten kommen! 984Kapitel 47 Spüli in der Zellmembran? – Lipide 989So dünn und so wichtig – Lipid-Doppelschichten 990Ständig in Bewegung: die Zellmembran (ein bisschen Biologie) 996Kapitel 48 Essen und Ausscheiden, Wachsen und Verwesen – alles ist Chemie 999Warum atmen wir eigentlich? 999Der Stoffwechsel – ein bunter Strauß eigentlich einfacher Reaktionen 1002Ohne Chemie gäb’s Skorbut: Krankheiten, chemisch betrachtet 1013Leichengifte, Leichenstarre – pure Chemie 1015Was uns Pflanzen voraushaben – die Photosynthese 1019Wie bitte? – Bioanorganische Chemie?! 1020Was die Chemie dem Pharmazeuten beschert – SAR 1025Kapitel 49 Chemie-Lego® mit nur einem Baustein? – Terpene, Terpenoide … und darüber hinaus 1037Kopf an Kopf, Kopf an Schwanz … drei Möglichkeiten 1039Eine große Familie 1041Woher kommt denn das? – die Biosynthese des Isoprens 1055Teil x … und sie spezialisieren sich doch! 1061Kapitel 50 Woher weiß man das alles? – die Analytik macht’s möglich 1063Analytische Chemie im Reagenzglas 1063Was wirdmit Gemischen gemacht? – Wichtige Trennmethoden 1067Mit schwerem Gerät 1070Moleküle im Fleischwolf: Massenspektrometrie 1088Kapitel 51 Chemiker und Ingenieure halten zusammen – Technische Chemie 1093Synthese im Tonnenmaßstab 1095Große Apparate müssen her 1097Der Weg ist das Ziel 1101Hier haben Ingenieure das Sagen 1103Kapitel 52 An der Grenze von Chemie und Physik – Kernchemie 1105Kernumwandlungen 1105Radioaktivität 1112Künstliche Kernumwandlungen 1120Teil XI der Top-Ten-Teil 1125Kapitel 53 Gestatten? – Politchemiker! Zehn Spezialgebiete der Chemie 1127Polymerchemie 1127Umweltchemie 1129Lebensmittelchemie 1132Pharmazeutische Chemie 1134Kolloidchemie 1135Lackchemie 1137Bauchemie 1137Theoretische Chemie 1139Wirtschaftschemie 1139Kosmochemie 1141Kapitel 54 So bitte nicht! – Zehn Fettnäpfchen, denen Sie ausweichen sollten 1143Das Wort »Atom« ist völlig überbewertet! 1143Umdeutungen von Fachtermini 1144Achten Sie auf Ihre Aussprache! 1144Was ist denn CO2?! 1144In Formeln sprechen 1144Die guten alten Polyeder 1145Lithium 1145Die Begriffe »oxidieren« und »reduzieren« 1145Manche Substanzen heißen einfach so! 1145Manche Substanzen heißen eben nicht so! 1145Glossar 1147Lösungen 1157Stichwortverzeichnis 1207