Vorwort zur zweiten englischen Ausgabe V
Vorwort zur deutschen Ausgabe VII
Danksagung IX
Die Autoren XIII
Inhalt XV
Abbildungsnachweis XXIII


Teil I Stoffe, Zustände und Reaktionen 1

1 Die Eigenschaften der Materie, Messungen und Maßeinheiten 3
1.1 Stoffe und ihre Eigenschaften 6
1.1.1 Physikalische und chemische Eigenschaften 7
1.1.2 Stoffe und Mischungen 10
1.2 Messungen und Maßeinheiten 17
1.2.1 Das Internationale Einheitensystem 17
Kasten 1.1 Maßeinheiten (J. W. Lyons) 20
1.2.2 Extensive und intensive Eigenschaften 24
1.3 Die Auswertung von Messungen 26
1.3.1 Umrechnungsfaktoren 27
1.3.2 Genauigkeit und Präzision bei Meßwerten und Berechnungen 31
1.3.3 Berechnungen unter Berücksichtigung signifikanter Stellen 34
1.3.4 Prozentualer Massenanteil 37
1.4 Zusammenfassung 38
Exkurs 1.1 Einsatz physikalischer Trennverfahren bei der Erzaufbereitung 41

2 Der Aufbau der Materie 43
2.1 Die chemischen Elemente 46
2.1.1 Namen und Symbole der chemischen Elemente 46
2.1.2 Das Periodensystem 47
2.2 Atome 51
2.2.1 Der Aufbau der Atome 52
Kasten 2.1 Das Raster-Tunnel-Elektronenmikroskop (C. F. Quate) 54
2.2.2 Atommassen 58
2.2.3 Das Mol und die Molmasse 63
2.3 Verbindungen 68
2.3.1 Moleküle und Molekülverbindungen 68
2.3.2 Ionen und ionische Verbindungen 73
2.3.3 Chemische Nomenklatur 78
2.4 Zusammenfassung 88
Exkurs 2.1 Massenspektrometrie 90
Exkurs 2.2 Was verbirgt sich hinter 18-18-5? 91

3 Chemische Reaktionen 93
3.1 Reaktionsgleichungen 96
3.1.1 Symbolische Reaktionsgleichungen 97
3.1.2 Die Bestimmung der stöchiometrischen Koeffizienten 99
3.2 Fällungsreaktionen 102
3.2.1 Reaktionsgleichungen für Reaktionen mit Ionen 102
3.2.2 Die praktische Anwendung der Fällungsreaktionen 104
3.3 Säure-Base-Reaktionen 107
3.3.1 Arrhenius-Säuren und Arrhenius-Basen 107
3.3.2 Neutralisationsreaktionen 109
3.3.3 Br0nsted-Säuren und Bronsted-Basen 110
3.4 Redoxreaktionen 114
3.4.1 Elektronenübertragungen 114
3.4.2 Die Spannungsreihe 123
3.4.3 Das Einrichten von Reaktionsgleichungen unter Zuhilfenahme der Teilgleichungen 124
3.5 Zusammenfassung 130
Exkurs 3.1 Redoxreaktionen beim photographischen Prozeß 132
Exkurs 3.2 Trinkwasseraufbereitung 133

4 Die Stöchiometrie chemischer Reaktionen 135
4.1 Die Bedeutung der stöchiometrischen Koeffizienten 138
4.1.1 Rechnen mit Molzahlen 138
4.1.2 Edukte als begrenzende Faktoren 145
4.1.3 Elementaranalyse 149
4.2 Die Stöchiometrie von Reaktionen in Lösung 153
4.2.1 Molare Konzentrationen 153
4.2.2 Lösungsvolumina bei chemischen Reaktionen 159
4.2.3 Maßanalyse 160
4.3 Zusammenfassung 163
Exkurs 4.1 Von der Magenverstimmung zum Sodbrennen - die Wirkungsweise der Antacida 164

5 Die Eigenschaften der Gase 167
5.1 Die Gasgesetze 172
5.1.1 Druck 172
5.1.2 Das ideale Gas 174
5.1.3 Anwendungen des idealen Gasgesetzes 181
5.2 Die Stöchiometrie bei Gasreaktionen 183
5.2.1 Volumenänderungen im Verlauf chemischer Reaktionen 184
5.2.2 Mischungen von Gasen 186
5.3 Die kinetische Gastheorie 189
5.3.1 Molekülgeschwindigkeiten 190
5.3.2 Reale Gase 195
5.3.3 Die Verflüssigung von Gasen 196
5.4 Zusammenfassung 197
Exkurs 5.1 Die Atmosphäre 199
Exkurs 5.2 Skifahren, Bergsteigen, und was die Gasgesetze damit zu tun haben 201

6 Energie und Wärme - die Grundzüge der Thermodynamik 203
6.1 Enthalpien und die Kalorimetrie 206
6.1.1 Energie und Wärme 206
6.1.2 Enthalpie 214
6.2 Reaktionsenthalpien 220
6.2.1 Anwendungen der Reaktionsenthalpien 221
6.2.2 Bildungsenthalpien 230
6.2.3 Die Enthalpie von Treibstoffen 233
6.2.4 Die Enthalpie der Nahrungsmittel 235
6.3 Zusammenfassung 236
Exkurs 6.1 Raketentreibstoffe 238


Teil II Atome, Moleküle und Ionen 239

7 Der Aufbau der Atome und das Periodensystem der Elemente 241
7.1 Licht und Spektroskopie 243
7.1.1 Die Eigenschaften des Lichts 245
Kasten 7.1 Feuerwerk und Flammenfärbung (J. A. Conkling) 246
7.1.2 Quantelung und Photonen 248
7.2 Der Aufbau des Wasserstoffatoms 250
7.2.1 Das Spektrum des Wasserstoffatoms 251
7.2.2 Teilchen und Wellen 254
7.3 Der Aufbau der Elektronenhülle bei Mehrelektronen-Atomen 261
7.3.1 Orbitalenergien 262
7.3.2 Das Aufbauprinzip 265
7.4 Eine Übersicht zum Periodensystem 272
7.4.1 Perioden, Gruppen und Blöcke 272
7.4.2 Die Periodizität physikalischer Eigenschaften 273
7.4.3 Regelmäßigkeiten chemischer Eigenschaften 283
7.5 Zusammenfassung 287
Exkurs 7.1 Die Rolle des Lichts bei der chemischen Analyse 290

8 Die chemische Bindung 293
8.1 Ionenbindungen 296
8.1.1 Die Energiebilanz bei der Bildung von Ionenbindungen 296
8.1.2 Ionenbindungen und das Periodensystem 301
8.2 Kovalente Bindungen 305
8.2.1 Die Elektronenpaar-Bindung 305
8.2.2 Lewis-Strukturformeln von mehratomigen Molekülen 308
8.2.3 Lewis-Säuren und Lewis-Basen 311
8.2.4 Resonanzstrukturen 313
8.2.5 Ausnahmen von der Lewis-Oktettregel 316
8.3 Die räumliche Struktur der Moleküle 321
8.3.1 Elektronenpaar-Abstoßung 322
8.3.2 Moleküle mit Mehrfachbindungen 327
8.4 Zusammenfassung 329
Exkurs 8.1 Strukturen jenseits des VSEPR-Modells 331

9 Die Struktur der Moleküle 333
9.1 Bindungsparameter 335
9.1.1 Bindungsstärke 336
9.1.2 Bindungslängen 340
9.2 Die Ladungsverteilung in Molekülen 342
9.2.1 Der Vergleich von Ionenbindung und kovalenter Bindung 342
9.2.2 Zuordnung der Ladungsverteilung 349
9.3 Das Valence-Bond-Modell der chemischen Bindung 352
9.3.1 Die Bindung in zweiatomigen Molekülen 352
9.3.2 Hybridisierung 355
9.4 Molekülorbital-Theorie 363
9.4.1 Molekülorbitale 364
9.4.2 Bindungen in zweiatomigen Molekülen der zweiten Periode 367
9.4.3 Orbitale in mehratomigen Molekülen 369
9.5 Zusammenfassung 370
Exkurs 9.1 Die Leitung des elektrischen Stroms durch kovalente Verbindungen 372

10 Flüssigkeiten und Festkörper 375
10.1 Die Kräfte zwischen Atomen, Ionen und Molekülen 378
10.1.1 Ionen- und Dipolkräfte 379
10.1.2 Wasserstoffbrückenbindungen 385
10.2 Die Eigenschaften von Flüssigkeiten 387
10.2.1 Oberflächenspannung 387
10.2.2 Der Dampfdruck 389
10.2.3 Die Erstarrung 394
10.3 Eigenschaften und Strukturen von Festkörpern 397
10.3.1 Metalle und Halbleiter 399
Kasten 10.1 Hochtemperatur-Supraleitfähigkeit (C. W. Chu) 405
10.3.2 Ionische Festkörper 407
10.3.3 Andere Arten von Festkörpern 409
10.4 Zusammenfassung 412
Exkurs 10.1 Röntgenbeugung 414
Exkurs 10.2 Sanftes Gleiten auf Schlittschuhen 415

11 Lösungen 417
11.1 Die Messung der Konzentration 419
11.1.1 Die Konzentration 420
11.1.2 Die Stoffmenge 422
11.2 Die Löslichkeit 426
11.2.1 Sättigung und Löslichkeit 427
11.2.2 Die Druckabhängigkeit der Löslichkeit von Gasen 432
11.2.3 Die Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit 435
11.3 Kolligative Eigenschaften 441
11.3.1 Dampfdruckerniedrigung, Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung 441
11.3.2 Osmose 446
11.4 Mischungen von Flüssigkeiten 449
11.4.1 Das Raoultsche Gesetz für Mischungen von Flüssigkeiten 449
11.4.2 Destillation von Flüssigkeitsmischungen 451
11.5 Zusammenfassung 452
Exkurs 11.1 Chemie in der Flasche 453


Teil III Geschwindigkeiten und Gleichgewichte 455

12 Die Geschwindigkeiten von Reaktionen 457
12.1 Die Beschreibung von Reaktionsgeschwindigkeiten 459
12.1.1 Reaktionsgeschwindigkeiten 460
12.1.2 Geschwindigkeitsgesetze 465
12.2 Beeinflussung von Reaktionsgeschwindigkeiten 478
12.2.1 Die Temperaturabhängigkeit von Reaktionsgeschwindigkeiten 478
12.2.2 Katalyse 484
12.3 Reaktionsmechanismen 488
12.3.1 Elementarreaktionen 488
12.3.2 Kettenreaktionen 496
12.4 Zusammenfassung 498
Exkurs 12.1 Die Entstehung von Smog 500

13 Das chemische Gleichgewicht 503
13.1 Die Beschreibung des chemischen Gleichgewichts 506
13.1.1 Reaktionen im Gleichgewicht 506
13.1.2 Die Gleichgewichtskonstante 507
13.1.3 Heterogene Gleichgewichte 514
13.2 Gleichgewichtsberechnungen 516
13.2.1 Besonders ausgezeichnete Ausgangskonzentrationen 518
13.2.2 Beliebige Anfangskonzentrationen 523
13.3 Die Abhängigkeit der Gleichgewichte von den Reaktionsbedingungen 528
13.3.1 Die Wirkung von Konzentrationsänderungen 528
13.3.2 Die Wirkung von Druckänderungen 529
13.2.3 Die Wirkung von Temperaturänderungen 531
13.4 Zusammenfassung 533
Exkurs 13.1 Stalaktiten und Stalagmiten 535

14 Säuren und Basen 537
14.1 Definitionen von Säuren und Basen 540
14.1.1 Br0nsted-Säuren und Br0nsted-Basen 540
14.1.2 Gleichgewichte von Br0nsted-Säuren und Br0nsted-Basen 541
14.2 Lösungen starker Säuren und Basen 546
14.2.1 Starke Säuren und Basen 547
14.2.2 Konzentration der Wasserstoff-Ionen und der pH-Wert 548
14.2.3 Mischungen starker Säuren und Basen 551
14.2.4 Titrationskurven für die Titration einer starken Säure mit einer starken Base 553
14.3 Gleichgewichte in Lösungen von Säuren und Basen 556
14.3.1 Dissoziationskonstanten 557
14.3.2 Schwache Säuren und Basen 561
14.3.3 Strukturen und Stärken von Säuren 562
14.3.4 Die pH-Werte schwacher Säuren und Basen 567
14.3.5 Mehrwertige Säuren und Basen 572
14.4 Zusammenfassung 576
Exkurs 14.1 Regen ist von Natur aus sauer
Warum also die ganze Aufregung? 578

15 Säuren, Basen und Salze 581
15.1 Salze als Säuren und Basen 584
15.1.1 Ionen als Säuren und Basen 584
15.1.2 Gemischte Lösungen 591
15.2 Titrationen und Titrationskurven 593
15.2.1 Die Veränderung des pH-Wertes während der Titration 594
15.2.2 Indikatoren sind schwache Säuren 598
15.2.3 Pufferlösungen 601
15.3 Lösungsgleichgewichte 607
Kasten 15.1 pH-Wert-Änderungen und Veränderungen des Elektrolytgehalts des Blutes nach Brandverletzungen (B.A. Pruitt, A. D. Mason) 608
15.3.1 Die Löslichkeitskonstante 609
15.3.2 Fällungsreaktionen und qualitative Analyse 614
15.3.3 Die Auflösung von Niederschlägen 617
15.4 Zusammenfassung 621
Exkurs 15.1 Die Chemie des Swimmingpools 623

16 Thermodynamik und Gleichgewicht 625
16.1 Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik 628
16.1.1 Wärme, Arbeit und Energie 628
16.1.2 Enthalpie 632
16.2 Die Richtung eines spontanen Vorgangs 633
16.2.1 Entropie und spontane Vorgänge 633
16.2.2 Die Entropieänderungen in der Umgebung 638
16.2.3 Der Zweite Hauptsatz 642
16.3 Die Freie Enthalpie 643
16.3.1 Das System steht im Mittelpunkt unseres Interesses 643
16.3.2 Spontane Reaktionen 648
16.4 Gleichgewichte 649
16.4.1 Freie Enthalpie und die Zusammensetzung der Reaktionsmischung 650
16.4.2 Die Gleichgewichtskonstante 651
16.5 Zusammenfassung 653
Exkurs 16.1 Kälte- und Wärmepackungen 655

17 Elektrochemie 657
17.1 Elektrochemische Zellen 660
17.1.1 Galvanische Zellen 661
17.1.2 Kommerziell genutzte Zellen 667
Kasten 17.1 Photoelektrochemie (M. Archer) 670
17.2 Elektrochemie und Thermodynamik 672
17.2.1 Zellpotential und Freie Reaktionsenthalpie 672
17.2.2 Die Spannungsreihe 677
17.2.3 Die Konzentrationsabhängigkeit des Zellpotentials 683
17.3 Elektrolyse 688
17.3.1 Die zur Elektrolyse benötigte Spannung 690
17.3.2 Das Ausmaß der Elektrolyse 692
17.3.3 Anwendungen der Elektrolyse 694
17.4 Zusammenfassung 696
Exkurs 17.1 Phototrope Gläser 698


Teil IV Die Elemente 701

18 Wasserstoff und die Elemente des s-Blocks 703
18.1 Wasserstoff 705
18.1.1 Das Element Wasserstoff 706
18.1.2 Wichtige Verbindungen des Wasserstoffs 709
18.2 Die erste Hauptgruppe: Alkalimetalle 712
18.2.1 Die Elemente der ersten Hauptgruppe 712
18.2.2 Wichtige Verbindungen der Elemente der ersten Hauptgruppe 715
18.3 Die zweite Hauptgruppe: Erdalkalimetalle 719
18.3.1 Die Elemente der zweiten Hauptgruppe 719
18.3.2 Wichtige Verbindungen der Elemente der zweiten Hauptgruppe 722
18.4 Zusammenfassung 728
Exkurs 18.1 Leben an Bord des "Space Shuttle" 729

19 Die Elemente des p-Blocks: I 731
19.1 Die dritte Hauptgruppe: Bor und Aluminium 733
19.1.1 Die Elemente der dritten Hauptgruppe 733
19.1.2 Oxide der dritten Hauptgruppe 737
19.1.3 Weitere wichtige Verbindungen der dritten Hauptgruppe 740
19.2 Die vierte Hauptgruppe: Kohlenstoff und Silicium 742
19.2.1 Die Elemente der vierten Hauptgruppe 743
19.2.2 Oxide der vierten Hauptgruppe 745
19.2.3 Weitere wichtige Verbindungen der vierten Hauptgruppe 751
19.3 Die fünfte Hauptgruppe: Stickstoff und Phosphor 753
19.3.1 Die Elemente der fünften Hauptgruppe 753
19.3.2 Verbindungen mit Wasserstoff und den Halogenen 755
19.3.3 Oxide und Oxosäuren der fünften Hauptgruppe 758
19.4 Zusammenfassung 764
Exkurs 19.1 Buckminsterfullerene 765

20 Die Elemente des p-Blocks: II 767
20.1 Die sechste Hauptgruppe: Sauerstoff und Schwefel 769
20.1.1 Die Elemente der sechsten Hauptgruppe 770
20.1.2 Verbindungen der Elemente der sechsten Hauptgruppe mit Wasserstoff 772
20.1.3 Wichtige Verbindungen des Schwefels 776
20.2 Die siebte Hauptgruppe: die Halogene 779
20.2.1 Die Elemente der siebten Hauptgruppe 779
20.2.2 Halogenide 783
20.2.3 Oxide und Oxosäuren der Halogene 785
20.3 Die achte Hauptgruppe: die Edelgase 787
20.3.1 Die Elemente der achten Hauptgruppe 787
Kasten 20.1 Chemie der Edelgase (N. Bartlett) 788
20.3.2 Verbindungen der Edelgase 790
20.4 Zusammenfassung 791
Exkurs 20.1 Auf Platz 1: Schwefelsäure 793

21 Die Elemente des d-Blocks 795
21.1 Die Elemente des d-Blocks und ihre Verbindungen 798
21.1.1 Regelmäßigkeit der Eigenschaften 798
21.1.2 Scandium bis Nickel 801
21.1.3 Kupfer, Zink und ihre Homologen 808
21.2 Komplexe der Elemente des d-Blocks 812
21.2.1 Die Strukturen von Komplexen 813
21.2.2 Isomerie 817
21.3 Kristallfeldtheorie 820
21.3.1 Die Wirkung von Liganden auf d-Elektronen 821
21.3.2 Die elektronische Struktur von Komplexen mit mehreren Elektronen 824
21.4 Zusammenfassung 828
Exkurs 21.1 Die Gewinnung eines Metalls aus einem Erz 829

22 Nuklearchemie 831
22.1 Nukleare Stabilität 834
22.1.1 Kernstruktur und radioaktive Strahlung 834
22.1.2 Die Identität von Tochternukliden 837
22.1.3 Stabilitätskriterien eines Kerns 839
22.1.4 Nukleosynthese 842
22.2 Radioaktivität 844
22.2.1 Messung von Radioaktivität 844
22.2.2 Die Geschwindigkeit des radioaktiven Zerfalls 846
22.3 Kernenergie 851
22.3.1 Masse-Energie-Umwandlung 851
22.3.2 Kernspaltung 853
22.3.3 Kernfusion 855
22.3.4 Chemische Aspekte der Kernenergie 857
22.4 Zusammenfassung 859
Exkurs 22.1 Radon und sein Beitrag zur natürlichen Radioaktivität 861


Teil V Organische Chemie 863

23 Die Kohlenwasserstoffe 865
23.1 Die Alkane 868
23.1.1 Isomerie 869
23.1.2 Nomenklatur der Alkane 870
23.1.3 Die Eigenschaften der Alkane 874
23.2 Die Alkene und die Alkine 876
23.2.1 Nomenklatur der Alkene 877
23.2.2 Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung 878
23.2.3 Polymerisation von Alkenen 880
23.2.4 Alkine 884
23.3 Aromatische Kohlenwasserstoffe 884
23.3.1 Nomenklatur der Arene 886
23.3.2 Reaktionen aromatischer Kohlenwasserstoffe 887
23.4 Zusammenfassung 888
Exkurs 23.1 Benzin oder Methanol? 890

24 Funktionelle Gruppen und Biomoleküle 893
24.1 Die Hydroxy-Gruppe 896
24.1.1 Alkohole und Ether 896
24.1.2 Phenole 901
24.2 Die Carbonyl-Gruppe 902
24.2.1 Aldehyde und Ketone 902
24.2.2 Kohlenhydrate 906
24.3 Die Carboxy-Gruppe 908
24.3.1 Carbonsäuren 908
24.3.2 Ester 910
24.4 Funktionelle Gruppen mit Stickstoff 912
24.4.1 Amine 912
24.4.2 Aminosäuren 915
24.4.3 DNA und RNA 919
Kasten 24.1 Die Strukturen der DNA (J. K. Barton) 922
24.5 Zusammenfassung 923
Exkurs 24.1 Geschmack, Geruch und Aroma 925
Exkurs 24.2 Pestizide 926


Anhang 929

Anhang 1 Experimentell ermittelte Daten 931
Anhang 1.1 Thermodynamische Daten bei 25 °C 931
Anhang 1.1.A Anorganische Verbindungen 931
Anhang 1.1.B Organische Verbindungen 936
Anhang 1.2 Standard-Redoxpotentiale bei 25 °C 938
Anhang 1.2.A Redoxpotentiale nach Werten geordnet 938
Anhang 1.2.B Redoxpotentiale, alphabetisch geordnet 939
Anhang 1.3 Elektronenkonfiguration im Grundzustand 941
Anhang 1.4 Die Elemente 942
Anhang 2 Nomenklatur 946
Anhang 2.1 Nomenklatur mehratomiger Ionen 946
Anhang 2.2 Trivialnamen einiger Stoffe 946
Anhang 3 Glossar 947
Anhang 4 Lösungen der Beispiele 968

Register 973