Hinweise zum sicheren Experimentieren 9

1 Vom Weltall zur Welt der Atome
1.1 Entstehung der Elemente 12
1.2 Häufigkeit der Elemente auf der Erde 13

2 Atome - Aufbau und Veranschaulichung
2.1 Elementarteilchen und ihre Entdeckung 15
2.2 Das Atom - ein Steckbrief 16
Exkurs: Das Massenspektrometer - die genaueste Waage 17
2.3 Der Atombegriff - von DEMOKRIT bis DALTON 18
2.4 Einfache Atommodelle 19
2.5 Radioaktivität und einfache Kernreaktionen 20
Exkurs: Zwei Wissenschaftlerinnen 20
2.6 Zerfallsreihen und Zerfallsgesetz 22
2.7 Kernreaktionen 24
2.8 Atomkraftwerke und der Brennstoffkreislauf 26
Exkurs: Der Super-GAU von Tschernobyl 27
Exkurs: Die Verantwortung der Wissenschaftler 27
2.9 Atome und Ionen 29
2.10 Die Spektroskopie bringt Licht in den Aufbau der Atomhülle 30
2.11 Die Ordnung der Elemente 32
2.12 Die Atomhülle - ein unfassbares System? 33
Exkurs: Der Doppelspalt-Versuch 33
2.13 Das Wasserstoff-Atom im Orbital-Modell 34
2.14 Aufgaben - Versuche - Probleme 36
Basiswissen 37

3 Ionen und Moleküle - Bausteine der Materie
3.1 Ionenbindung 39
Exkurs: Röntgenstrukturanalyse 40
3.2 Elektronenpaare verknüpfen Atome zu Molekülen 41
3.3 Das Elektronenpaarabstoßungs-Modell 42
3.4 Valenz-Modelle: Chemische Bindungen durch Molekülorbitale 44
3.5 Elektronenverschiebungen bewirken Bindungen zwischen Molekülen 46
3.6 Metallische Bindung 48
Exkurs: Vom Reinstsilicium zum Chip 49
3.7 Aufgaben - Versuche - Probleme 50
Basiswissen 51

4 Chemische Reaktionen - energetisch betrachtet
4.1 Energie - ein Verwandlungskünstler? 53
4.2 Messung von Reaktionsenthalpien 54
Praktikum: Reaktionsenthalpien 55
4.3 Berechnung von Reaktionsenthalpien 56
4.4 Bindungsenthalpien 58
Exkurs: Erdgas oder Heizöl - welches ist der günstigere Energieträger 58
4.5 Energiequelle Nahrung 59
4.6 Warum gibt es freiwillig ablaufende endotherme Reaktionen? 60
4.7 Enthalpien und Entropie im Wechselspiel 62
Exkurs: Was ist Thermodynamik? 63
4.8 Aufgaben - Versuche - Probleme 64
Basiswissen 65

5 Geschwindigkeit chemischer Reaktionen
5.1 Reaktionszeit und Reaktionsgeschwindigkeit 67
5.2 Methode der Anfangsgeschwindigkeit 68
Praktikum: Reaktionsgeschwindigkeit 69
5.3 Von den Messwerten zur Geschwindigkeitsgleichung 70
Praktikum: Reaktionsordnung 71
5.4 Warum steigt die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Temperatur? 72
Exkurs: Arrhenius-Gleichung 73
5.5 Übergangszustand und Aktivierungsenergie 74
Exkurs: Explosion und Detonation 75
5.6 Katalyse 76
Exkurs: Katalysatoren in der Technik 78
Praktikum: Katalyse 79
5.7 Aufgaben - Versuche - Probleme 80
Basiswissen 81

6 Das chemische Gleichgewicht
6.1 Umkehrbare Reaktionen 83
Praktikum: Umkehrbare Reaktionen 84
Exkurs: Geschichte der Erdatmosphäre 85
6.2 Gleichgewichtsverschiebung und das Prinzip von LE CHATELIER 86
Exkurs: Kesselstein 87
Exkurs: Höhenakklimatisierung 89
6.3 Löslichkeitsgleichgewicht und Löslichkeitsprodukte 90
Praktikum: Löslichkeitsgleichgewichte 91
6.4 Von den Messwerten zum Massenwirkungsgesetz 92
6.5 Adsorption und Verteilung 94
Exkurs: Multiplikative Verteilung 95
Praktikum: Untersuchung von Gleichgewichten 96
Exkurs: Aus der Geschichte des Massenwirkungsgesetzes 97
6.6 Gleichgewichtsberechnungen 98
Exkurs: Massenwirkungsgesetz und chemische Energetik 99
6.7 Vom Schwefel zur Schwefelsäure 100
Exkurs: Dünnsäure 101
6.8 Vom Stickstoff zum Ammoniak 102
Exkurs: Ammoniaksynthese ohne Energieaufwand 103
6.9 Aufgaben - Versuche - Probleme 104
Basiswissen 105

7 Säure/Base-Reaktionen
7.1 Die pH-Skala 107
7.2 Die BRÖNSTED-Theorie 108
Exkurs: Ist Natriumhydroxid eine Base? 109
7.3 Autoprotolyse 110
Exkurs: Wasser – ein dynamisches System 111
7.4 Wie stark sind Säuren und Basen? 112
Exkurs: Protolyse der Phosphorsäure 113
7.5 pH-Wert-Berechnung 114
Exkurs: Der Protolysegrad 116
Exkurs: Chemikalien im Haushalt – sauer oder alkalisch? 117
7.6 Indikatoren 118
Exkurs: Säuren und Basen in nichtwässerigen Lösungsmitteln 119
7.7 Säure/Base-Titration – ein chemisches Messverfahren 120
7.8 Titrationskurven 121
Praktikum: Säure/Base-Titrationen 122
Praktikum: pH-Messung mit dem Computer 124
7.9 Puffersysteme 125
7.10 Aufgaben – Versuche – Probleme 126
Basiswissen 127

8 Redoxreaktionen – Konkurrenz um Elektronen
8.1 Herstellung von Eisen 129
8.2 Erweiterung des Redoxbegriffs 130
Exkurs: Leben ohne Sauerstoff? 131
8.3 Einrichten von Reaktionsgleichungen für Redoxreaktionen 132
8.4 Fotografie 134
Praktikum: Fotografie 135
Praktikum: Redoxreaktionen 136
8.5 Redoxreihe der Metalle 137
Exkurs: Aus den Anfängen der Elektrochemie 138
8.6 Redoxreaktionen nutzbar gemacht – galvanische Zellen 139
8.7 Die Spannungsreihe – Redoxreaktionen quantitativ 140
Exkurs: Richtig messen 141
8.8 Elektrodenpotentiale und Reaktionsverhalten 142
8.9 Elektrodenpotentiale und Konzentration – die NERNSTsche Gleichung 143
8.10 Redoxpotentiale: abhängig von pH-Wert und Temperatur 144
Praktikum: Konzentrationszellen 145
Praktikum: Löslichkeitsprodukt und Ionenprodukt 146
Exkurs: Zellspannung, freie Enthalpie und Gleichgewicht bei einer Redoxreaktion 147
8.11 Aufgaben – Versuche – Probleme 148
Basiswissen 149

9 Redoxreaktionen in Labor und Technik
9.1 Messung von pH-Werten 151
9.2 Redoxreaktionen in der Analytik 152
Praktikum: Redoxtitration 153
9.3 Korrosion – Redoxreaktionen auf Abwegen 154
Exkurs: Rostumwandler 155
9.4 Korrosionsschutz 156
Praktikum: Korrosion und Korrosionsschutz 157
9.5 Batterien 158
9.6 Akkumulatoren 161
Praktikum: Die Autobatterie 162
Exkurs: Die Autobatterie 163
9.7 Brennstoffzellen 164
Exkurs: Elektroautos – Autos der Zukunft? 165
Exkurs: Wasserstoff – ein Energieträger mit Zukunft? 166
9.8 Aufgaben – Versuche – Probleme 168
Basiswissen 169

10 Erzwungene Redoxreaktionen – die Elektrolyse
10.1 Herstellung von Aluminium 171
Exkurs: Wertvolles Aluminium 174
Exkurs: Alu-Dosen: ex und hopp? 174
10.2 Eloxal-Verfahren 175
10.3 Elektrolyse wässeriger Lösungen 176
10.4 Abscheidungspotentiale 178
10.5 FARADAYsche Gesetze 179
Praktikum: Elektrolysen 179
10.6 Chloralkali-Elektrolyse 180
Exkurs: Wozu eigentlich Chlor und Natronlauge? 183
Exkurs: Chlor-Chemie in der Diskussion 183
10.7 Galvanotechnik 184
Praktikum: Galvanisieren 185
10.8 Herstellung von Zink 186
10.9 Raffination von Kupfer 187
Exkurs: Edelmetalle 188
Exkurs: Vom Roheisen zum Edelstahl 189
10.10 Aufgaben – Versuche – Probleme 190
Basiswissen 191

11 Komplexreaktionen
11.1 Komplexe: Zentralionen mit Liganden 193
Exkurs: Platinkomplexe in der Krebstherapie 194
Praktikum: Untersuchung von Komplexverbindungen 195
11.2 Ligandenaustausch-Gleichgewichte 196
Praktikum: Komplexstabilität 197
11.3 Chelatkomplexe 198
Praktikum: Chelatkomplexe 199
11.4 Wasserenthärtung 200
Praktikum: Wasserhärte 201
Praktikum: Komplexometrische Titration und Wasseranalyse 202
11.5 Komplexe in der Natur 204
Exkurs: Molekulare Höhlenforschung 205
11.6 Komplexe in der Technik 206
Exkurs: Bindungsmodelle in der Komplexchemie 207
11.7 Aufgaben – Versuche – Probleme 208
Basiswissen 209

12 Grundlagen der organischen Chemie im Überblick
12.1 Nomenklaturregeln für Alkane 211
12.2 Stoffklassen und funktionelle Gruppen 212
Übersicht: Isomerien 213
12.3 Isomerie 214
Exkurs: Spiegelbild – Isomere – ungleiche Zwillinge 215
12.4 Strukturaufklärung organischer Verbindungen 216
12.5 Chromatographie 217
12.6 Chromatographische Verfahren 218
Praktikum: Chromatographie 220
Exkurs: Quantitative Elementaranalyse 221
Exkurs: Die allgemeine Gasgleichung 222
Praktikum: Ermittlung der molaren Masse 223
12.7 Strukturaufklärung durch chemische Methoden 224
12.8 Grundlagen der Spektroskopie 226
12.9 Spektroskopie im sichtbaren und im UV-Bereich 226
12.10 IR-Spektroskopie 227
12.11 NMR-Spektroskopie 228
Exkurs: Kernspintomographie 229
12.12 Aufgaben – Versuche – Probleme 230
Basiswissen 231

13 Gesättigte Kohlenstoffverbindungen
13.1 Petrochemie – aus der Erbschaft von Jahrmillionen 233
13.2 Erdölaufbereitung – ein raffiniertes Verfahren 234
13.3 Erdölveredelung – jeder Tropfen wird genutzt 235
Exkurs: Reines Benzin – schmutzige Ventile 235
Exkurs: Chemie der Kraftstoffe 236
13.4 Alkane – häufig nur Brennstoffe 237
13.5 Vom Alkan zum Halogenalkan – eine radikalische Substitution 238
Exkurs: Reaktionsmechanismus 239
13.6 Struktur und Eigenschaften polarer Kohlenwasserstoffverbindungen 240
Exkurs: Wie entfernt man Flecken? 240
13.7 Halogenalkane – eine Stoffklasse mit vielen Gesichtern 241
Exkurs: Giftigkeit von Halogenalkanen 241
13.8 Vom Halogenalkan zum Alkanol – eine nuclephile Substitution 242
Exkurs: Metallorganische 244
13.9 Alkohole - organische Brüder des Wassers 245
13.10 Verwendung von Alkoholen 246
Exkurs: Physiologische Wirkung von Alkohol 247
13.11 Vom Alkanol zum Alken - eine Eliminierung 248
13.12 Ether oder Alken - der Chemiker stellt die Weichen 249
Praktikum: Eliminierungen 249
13.13 Vom Alkohol zum Aldehyd oder Keton - eine Oxidation 250
Praktikum: Versuche mit Alkoholen 251
13.14 Aufgaben - Versuche - Probleme 252
Basiswissen 253

14 Funktionielle Gruppen mit Mehrfachbindung
Exkurs: Reaktionstypen und reaktive Teilchen 255
14.1 Alkene – Kohlenwasserstoffe mit C=C-Zweifachbindungen 256
14.2 Ethen – der Schlüssel zur Vielfalt 257
14.3 Vom Hexen zum Dibromhexan – eine elektrophile Addition 258
14.4 Ethin – Kohlenstoff-Atome dreifach gebunden 260
Praktikum: Versuche mit Alkenen und Alkinen 261
14.5 Die Carbonyl-Gruppe 262
Exkurs: Formaldehyd – reizende Moleküle 263
14.6 Oxidation und Reduktion der Carbonylgruppe 264
Praktikum: Versuche mit Aldehyden und Ketonen 265
14.7 Die Carboxylgruppe macht Moleküle sauer 266
Exkurs: Salze machen das Leben schwer 267
14.8 Das Carboxylat-Ion – ein mesomeres System 268
Exkurs: Beschreibung mesomerer Teilchen durch Grenzformeln 269
14.9 Veresterung – ein chemisches Gleichgewicht 270
Exkurs: Aromastoffe 271
14.10 Ester anorganischer Säuren 272
14.11 Weitere Derivate der Carbonsäuren 273
Exkurs: Reaktivität von Carbonyl-Verbindungen 273
Praktikum: Versuche mit Carbonsäuren und ihren Derivaten 274
Exkurs: Lebensmittelkonservierung 275
14.12 Aufgaben – Versuche – Probleme 276
Basiswissen 277

15 Aromaten – besondere Kohlenwasserstoffe?
15.1 Benzol – gesättigt oder ungesättigt? 279
15.2 Die Bindungen im Benzol-Molekül 281
15.3 Was heißt aromatisch? 282
15.4 Gewinnung und Verwendung von Benzol 283
Exkurs: Gefährliche Arbeitsstoffe 284
15.5 Die elektrophile Substitution 285
15.6 Phenol – Alkohol oder Säure? 286
Exkurs: Chemie bei Sonnenbad 287
15.7 Anilin – eine organische Base 288
Exkurs: Flüssigkristalle – von Käfern und LCDs 289
15.8 Toluol und andere Alkylderivate des Benzols 290
Exkurs: Explosivstoffe – Energie aus dem Zerfall 291
15.9 Die Zweitsubstitution 292
Praktikum: Eigenschaften und Reaktionen von Aromaten 294
Exkurs: Arzneistoffe – eine hilfreiche Vielfalt 295
15.10 Aufgaben – Versuche – Probleme 296
Basiswissen 297

16 Kunststoffe – Massenprodukte und Spezialwerkstoffe
16.1 Kunststoffe als Werkstoffe 299
Exkurs: Kunststoffe in der Medizin 299
16.2 Klassifizierung von Kunststoffen 300
16.3 Wie Kunststoffe entstehen 301
16.4 Polykondensate 302
Exkurs: Magnetbänder – Polyester für die Musik 305
16.5 Polymerisate 306
Exkurs: Rund um die Polymerisation 309
16.6 Problematischer Kunststoffmüll 310
Exkurs: Kunststoffverwertung in der Diskussion 311
Praktikum: Kunststoffe 312
16.7 Polyaddukte 314
Exkurs: Polyurethane im Skisport 314
16.8 Lacke 315
Exkurs: Warum Autos heute weniger rosten 315
16.9 Klebstoffe 316
16.10 Naturkautschuk und Synthesekautschuk 318
Exkurs: Geschichte und Technologie der Reifenherstellung 319
16.11 Spezialkunststoffe 320
16.12 Verbundwerkstoffe und Polymerlegierungen 322
16.13 Silicone 323
16.14 Aufgaben – Versuche – Probleme 324
Basiswissen 325

17 Tenside – von der Pottasche zum Vollwaschmittel
17.1 Seifen 327
Praktikum: Seifen 327
17.2 Eigenschaften von Tensid-Lösungen 328
Exkurs: Seifenblasen – nicht nur für Kinder 328
Exkurs: Kolloide verursachen den TYNDALL-Effekt 329
17.3 Synthetische Tenside 330
Exkurs: Der Siegeszug der synthetischen Tenside 331
17.4 Vollwaschmittel 332
Exkurs: Waschmittel und Gewässerschutz 333
Praktikum: Waschmittel und Tenside 334
Praktikum: Kosmetika selbst gemacht 335
17.5 Aufgaben – Versuche – Probleme 336
Basiswissen 337

18 Farbstoffe – vom Königspurpur zum Jeansblau
18.1 Warum erscheinen Gegenstände farbig? 339
18.2 Struktur und Lichtabsorption organischer Farbstoffe 340
Exkurs: Chemische Grundlagen des Sehvorgangs 341
18.3 Welche farbigen Stoffe sind Farbstoffe? 342
18.4 Natürliche Farbstoffe 343
18.5 Synthetische Farbstoffe 344
Exkurs: Durchschreibepapier 345
Exkurs: Das Indigo-Patent 346
18.6 Indigo – ein Küpenfarbstoff mit Tradition 347
18.7 Textilfärbung 348
Praktikum: Farbstoffe und Farbstoffvarianten 351
18.8 Indikatorfarbstoffe 352
18.9 Vierfarbendruck 353
18.10 Farbfotografie 354
18.11 Aufgaben – Versuche – Probleme 356
Basiswissen 357

19 Lebenswichtige Stoffe: Kohlenhydrate, Fette und Proteine
19.1 Kohlenhydrate – ein Überblick 359
Exkurs: Fischer und die Struktur der Glucose 359
19.2 Glucose und andere Monosaccharide 360
19.3 Aus zwei mach eins: Disaccharide 362
Exkurs: Vom Halbacetal zum Acetal 362
Exkurs: Geschichte und Technologie der Zuckergewinnung 364
19.4 Stärke und Cellulose – Polysaccharide 366
19.5 Cellulose-Fasern 368
Praktikum: Kohlenhydrate 369
19.6 Fette 370
Praktikum: Fette 371
19.7 Aminosäuren – Bestandteile der Proteine 372
Praktikum: Aminosäuren und Proteine 374
19.8 Die Peptidbindung – von der Aminosäure zum Protein 375
19.9 Die Struktur der Proteine 376
Exkurs: Faserproteine 378
Exkurs: Trennung und Identifizierung von Proteinen 379
19.10 Aufgaben – Versuche – Probleme 380
Basiswissen 381

20 Chemie und Umwelt
Praktikum: Luftuntersuchungen 383
20.1 Wie gut ist die Luft in Deutschland? 384
20.2 Saurer Regen – Entstehung und Folgen 386
Exkurs: Waldsterben – ein komplexes Problem 387
20.3 Besuch im Heizkraftwerk Braunschweig-Mitte 388
Praktikum: Chemie und Atmosphäre 389
20.4. Der Treibhauseffekt – ein interplanetarischer Vergleich 390
20.5 Ozon – Fluch und Segen 392
20.6 Die Trinkwasserversorgung einer Großstadt 394
Exkurs: Moderne Abwasserreinigung 395
Praktikum: Wasseruntersuchungen 396
20.7 Boden – Basis der Ernährung 398
Praktikum: Bodenuntersuchungen 399
Exkurs: Das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz – ein Weg aus der Müllkrise? 400
Exkurs: Der grüne Punkt – eine runde Sache? 401
20.8 Endstation Mensch 402
Exkurs: Beispiel Quecksilber: Wie wirkt ein Gift? 404
Exkurs: Beispiel Dioxin: Wie entsteht Krebs? 405
Praktikum: Lebensmitteluntersuchungen 406
20.9 Arzneimittel – Wirkung auf den Menschen 408
Praktikum: Rund ums Aspirin 409
Exkurs: Ecstasy – das giftige Glück 409
20.10 Aufgaben – Versuche – Probleme 410
Basiswissen 411