1 Chemie - eine Naturwissenschaft 9

1.1 Die Chemie im Kanon der Naturwissenschaften 10

1.2 Denk- und Arbeitsweisen in der Chemie 13
1.2.1 Begriffe und Größen 13
1.2.2 Gesetze, Modelle und Theorien in der Chemie 18
1.2.3 Erkenntnisgewinn in der Chemie 20
1.2.4 Vorbereitung, Duchführung und Auswertung chemischer Experimente 26

1.3 Stöchiometrisches Rechnen 31
1.3.1 Molare und Zusammensetzungsgrößen 31
1.3.2 Berechnung zu chemischen Reaktionen 35

Ergänzungen und Vertiefungen:
Bestimmung von Massen und Volumina 16

Aufgaben zur Stöchiometrie 37


2 Kernchemie 41

2.1 Kernchemie
42
2.1.1 Kernbausteine - Nukleonen 42
2.1.2 Stabilität von Atomkernen und Kernreaktionen 43

2.2 Entstehung der Elemente 54
2.2.1 Kernsynthese der Elemente 54
2.2.2 Häufigkeit der Elemente 56

Ergänzungen und Vertiefungen:
Biologische Effekte der Radioaktivität 46 Geologische Altersbestimmung und Datierung 52

Das Wichtigste im Überblick:
Bau des Atomkerns und Kernumwandlungen 58

Aufgaben zur Kernchemie 59


3 Atombau und Periodensystem 61

3.1 Atombau
62
3.1.1 Historische Entwicklung des Atommodells 62
3.1.2 Das Atommodell nach BOHR und SOMMERFELD 64
3.1.3 Das moderne quantenmechanische Atommodell 69

3.2 Das Periodensystem der Elemente 77
3.2.1 Historie 77
3.2.2 Ordnungsprinzip im Periodensystem 78
3.2.3 Periodizität der Eigenschaften 80

Ergänzungen und Vertiefungen:
Spektralanalyse und Struktur der Atomhülle 66

Das Wichtigste im Überblick:
Atombau und Periodensystem der Elemente 89

Aufgaben und Experimente zum Atombau 90


4 Chemische Bindung 93

4.1 Hauptbindungsarten 94
4.1.1 Überblick 94
4.1.2 Atombindung (kovalente Bindung) 95
4.1.3 Ionenbindung 112

4.2 Besondere Bindungen zwischen Molekülen 121
4.2.1 VAN -DER-WAALS-Kräfte 121
4.2.2 Wasserstoffbrückenbindungen 122

Ergänzungen und Vertiefungen:
Fullerene - Moleküle in kugelform 107 Dichteanomalie des Wassers in der Natur 124

Das Wichtigste im Überblick: Chemische Bindung - Wechselwirkung zwischen Atomen und Ionen 125

Aufgaben und Experimenete zur chemischen Bindung 126


5 Physikalische Chemie 129

5.1 Chemische Thermodynamik 130
5.1.1 Energie und Energieerhaltung 130
5.1.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 134
5.1.3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 139
5.1.4 Die freie Enthalpie 143

5.2 Elektrochemie Prozesse 149
5.2.1 Elektrische Leitung und Elektrolyte 149
5.2.2 Elektroden und Elektrodenpotenziale 150
5.2.3 Elektrochemische Zellen und Zellspannung 156
5.2.4 Elektrolytische Prozesse 168

5.3 Kinetik chemischer Reaktionen 174
5.3.1 Zeitlicher Ablauf chemischer Reaktionen 174
5.3.2 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 180
5.3.3 Mechanismus chemischer Reaktionen 183
5.3.4 Katalysatoren und Katalyse 186

Ergänzungen und Vertiefungen:
Akkumulatoren und Wasserstoff als chemische Energiespeicher 164 Raffination von Kupfer durch Elektrolyse 1, Katalysatoren in Kraftfahrzeugen 189

Das Wichtigste im Überblick:
Energetik chemischer Reaktionen und Hauptsätze der Thermodynamik 148, Elektrochemische Prozesse als sezielle Redoxreaktionen 173, Geschwindigkeit und Mechanismus chemischer Reaktionen 190

Aufgaben und Experimente zur physikalischen Chemie 191


6 Chemisches Gleichgewicht 199

6.1 Das Chemische Gleichgewicht 200
6.1.1 Umkehrbarkeit chemischer Reaktionen 200
6.1.2 Einstellung des chemischen Gleichgewichts 201
6.1.3 Massenwirkungsgesetz und Gleichgewichtskonstante 202
6.1.4 Zusammenhang zwischen Gleichgewichtskonstante und freier Standardreaktionsenthalpie 206

6.2 Beeinflussung des chemischen Gleichgewichts 208
6.2.1 Einfluss der Temperatur und des Drucks 208
6.2.2 Einfluss weiterer Reaktionsbedingungen 210

6.3 Anwendungen des Massenwirkungsgesetzes 212
6.3.1 Das Ammoniakgleichgewicht 212
6.3.2 Löslichkeistsgleichgewichte und Löslichkeitsprodukt 213
6.3.3 Gekoppelte Gleichgewichte 215

Ergänzungen und Vertiefungen:
Gekoppelte Gleichgewichte in der Natur 216

Das Wichtigste im Überblick:
Merkmale und Einflussfaktoren auf das chemische Gleichgewicht 217

Aufgaben und Experimente zur physikalischen Chemie 218


7 Protonen- und Elektronenübertragungsreaktionen 221

7.1 Säuren und Basen 222
7.1.1 Säure-Base-Theorie nach BRÖNSTED 222
7.1.2 Säure-Base-Gleichgewichte 224
7.1.3 Amphoterie 235
7.1.4 Neutralisationsreaktionen 238
7.1.5 Säure-Base-Theorie nach LEWIS 245
7.1.6 Säuren und Basen im Alltag 246

7.2 Redoxreaktionen 249
7.2.1 Redoxreaktionen als Donor-Akzeptor-Reaktion 249
7.2.2 Oxidationszahlen 251
7.2.3 Aufstellen von Redoxgleichungen 253
7.2.4 Redoxpotentiale und Redoxgleichgewichte 254
7.2.5 Anwendungen von Redoxreaktionen 257

Ergänzungen und Vertiefungen:
Feststoffe mit sauren Eigenschaften 236, Puffergleichgewichte im Blut 244, Die Entstehung der suerstoffhaltigen Atmosphäre 260

Das Wichtigste im Überblick:
Säure- und Base-Verhalten von Stoffen 248 Redoxreaktionen und Oxidationszahlen 262

Aufgaben und Experimente 263


8 Komplexchemie 269

8.1 Bau und Stabilität von Komplexverbindungen 270
8.1.1 Aufbau und Nomenklatur von Komplexen 270
8.1.2 Darstellung von Komplexverbindungen 272
8.1.3 Stabilität von Komplexteilchen 274
8.1.4 Bindungsverhältnisse in Komplexen 276

8.2 Eigenschaften und Bedeutungvon Komplexen 280

Ergänzungen und Vertiefungen:
Chemie und Fotografie 284 Wasserhärte - ein "komplexes" Problem? 286

Das Wichtigste im Überblick:
Chemie von Komplexverbindungen 287

Aufgaben und Experimente zur Komplexchemie 288


9 Reaktionen organischer Verbindungen 291

9.1 Allgemeine Grundlagen der Organischen Chemie 292
9.1.1 Namen, Formeln und Strukturen 292
9.1.2 Elektronische Effekte in organischen Verbindungen 294
9.1.3 Der Isomeriebegriff 296
9.1.4 Reagenzien, Substrate, Reaktionen 301
9.1.5 Reaktionstypen in der organischen Chemie 303

9.2 Aliphatische Kohlenwasserstoffe 320
9.2.1 Nomenklatur aliphatischer Kohlenwasserstoffe 320
9.2.2 Gesättigte kettenförmige Kohlenwasserstoffe 323
9.2.3 Ungesättigte kettenförmige Kohlenwasserstoffe 328

9.3 Aromatische Kohlenwasserstoffe 331
9.3.1 Der aromatische Zustand 331
9.3.2 Substituierte Benzene 335
9.3.3 Biologische Aktivität aromatischer Verbindungen 337

9.4 Strukturen und Reaktionen organischer Verbindungen mit funktionellen Gruppen 39
9.4.1 Funktionelle Gruppen 339
9.4.2 Halogenalkane 340
9.4.3 Amine 342
9.4.4 Alkohole und Phenole 344
9.4.5 Ether 350
9.4.6 Carbonylverbindungen 351
9.4.7 Carbonsäuren und Carbonsäurederivate 355

9.5 Naturstoffe 365
9.5.1 Kohlenhydrate 365
9.5.2 Fette 373
9.5.3 Aminosäuren, Peptide und Proteine 376

9.6 Chemie in Biosystemen 389
9.6.1 Stoffwechsel und Biokatalyse 389
9.6.2 Autotrophe Assimilation - Fotosynthese 394
9.6.3 Heterotrophe Assimilation 396
9.6.4 Dissimilation - Atmung 400
9.6.5 Dissimilation - Gärung 403

Ergänzungen und Vertiefungen:
Stereoisomere im Sehprozess 298, Benzin, Diesel und andere Kraftstoffe 326, Essigsäure - die wichtigste Carbonsäure 359, Organische Kampfstoffe 362, Organische Sprengstoffe 363, Fasern aus Eiweißen und Kohlenhydraten 384

Das Wichtigste im Überblick:
Modellhafte Darstellungsformen organischer Moleküle 318 Reaktive Teilchen und Reaktionstypen in der organischen Chemie 319 Typische Reaktionen organischer Verbindungen, mit funktionellen Gruppen 364, Wichtige Stoffklassen in der Natur - Kohlenhydrate, Fette, Proteine 388, Stoffwechsel - chemische Reaktionen in biologischen Systemen

Aufgaben und Experimente zur organischen Chemie 406


10 Anwendungen der Chemie 419

10.1 Werkstoffe 420
10.1.1 Aufbau und Bildung synthetischer organischer Polymere 420
10.1.2 Struktur und Eigenschaften von Kunststoffen 430
10.1.3 Verarbeitung von Kunststoffen 434
10.1.4 Maßgeschneiderte synthetische Polymere 435
10.1.5 Kunststoffverwertung 440
10.1.6 Metallische Werkstoffe 442
10.1.7 Silicone, Silicate und Gläser 446

10.2 Farbstoffe 453
10.2.1 Grundlagen der Farbigkeit 453
10.2.2 Natürliche Farbstoffe 456
10.2.3 Synthetische Farbstoffe 457
10.2.4 Färbeverfahren 460

10.3 Tenside und Waschmittel 462
10.3.1 Tenside als grenzflächenaktive Stoffe 462
10.3.2 Anwendungen von Tensiden 464
10.3.3 Waschmittel 467

10.4 Arzneimittel 471
10.4.1 Entwicklung von Arzneimitteln 471
10.4.2 Wirkungsweise von Arzneistoffen 472
10.4.3 Arzneistoffsynthese 476

10.5 Ausgewählte chemisch-technische Verfahren 477
10.5.1 Besonderheiten chemisch-technischer Prozesse 477
10.5.2 Technische Herstellung von Ammoniak 480
10.5.3 Technische Herstellung von Salpetersäure 482
10.5.4 Technische Herstellung von Schwefelsäure 484
10.5.5 Chloralkali-Elektrolyse nach dem Membranverfahren 486
10.5.6 Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse 488
10.5.7 Erdölverarbeitung - Gewinung von Treibstoffen und
Rohstoffen für die chemische Industrie 490

10.6 Umweltbezogene Chemie 498
10.6.1 Chemikalieneintrag in die Umwelt 498
10.6.2 Stoffkreisläufe 499
10.6.3 Belastungen der Atmosphäre 502
10.6.4 Belastungen der Gewässer 508
10.6.5 Belastungen des Bodens 512

Ergänzungen und Vertiefungen:
Biologisch abbaubare Werkstoffe 438, Faserverstärkte Kunststoffe - stabil wie Stahl, leicht wie Holz 439, Keramische Werkstoffe 450, Farbige Lebensmittel - "Das Auge ist mit" 458, Tenside in Küche und Bad 466, Gifte, Drogen und Arzneistoffe 474, Nachwachsende Rohstoffe für die chemische Industrie 478, Chemieprodukte ohne Umweltbelastung 496, Der Kreislauf des Stickstoffs 500

Das Wichtigste im Überblick:
Systematisierung von Werkstoffen 452, Struktur und Eigenschaften von Farbstoffen und Tensiden 470, Umweltbelastungen durch anthropogene Einflüsse 513

Aufgaben zu Werkstoffen, Farbstoffen, Tensiden, Arzneimitteln, chemisch-technischen Verfahren und zur Umweltchemie: 514


11 Chemische Analytik 525

11.1 Klassische Analyseverfahren 526
11.1.1 Anorganische qualitative Analyse 526
11.1.2 Analyse organischer Verbindungen 530

11.2 Instrumentelle Analyseverfahren 536
11.2.1 Elektrochemische Analyseverfahren 536
11.2.2 Chromatographische Analysemethoden 542
11.2.3 Spektroskopische Methoden 547

Ergänzungen und Vertiefungen:
Moderne Analysemethoden in der Medizin 552

Das Wichtigste im Überblick:
Qualitative und quantitative Analyse von Stoffen 554

Aufgaben und Experimente zur chemischen Analytik 555



A Anhang 559
Periodensystem der Elemente 560, Sicherheit beim chemischen
Experimentieren 561

Register 565