1 ATOMBAU (ATOMMODELLE) – PERIODENSYSTEM 1
1.1 Der Modellcharakter der Vorstellungen vom Atom 2
1.2 Von der Atomhypothese zum differenzierten Atommodell 2
1.2.1 Das Dalton’sche Atommodell 2
1.2.2 Die Bausteine des Atoms 3
1.2.3 Das Planetenmodell von Rutherford 4
1.2.4 Der Atomkern 4
1.2.5 Die Elektronenspektren der Elemente 5
1.2.6 Das Bohr’sche Atommodell 6
1.2.7 Die Heisenberg’sche Unschärferelation 7
1.2.8 Das Schalenmodell 7
1.3 Die Elektronenkonfiguration der Atome 8
1.3.1 Das Prinzip der niedrigsten Energie 8
1.3.2 Unterschalen 9
Infotext: Die Quantenzahlen 10
1.3.3 Hund’sche Regel und Paili-Prinzip 11
1.3.4 Stabilitätsregeln 11
1.3.5 Die energetische Lage der Orbitale 12
1.4 Die periodischen Eigenschaften der Elemente 13
1.4.1 Das Periodensystem 13
1.4.2 Elektronegativität 14
1.4.3 Weitere periodische Eigenschaften 14
1.5 Das wellenmechanische Atommodell 15

2 CHEMISCHE BINDUNGEN 19
2.1 Bindungstypen 20
2.1.1 Die chemische Bindung – eine Vielfalt von Wechselwirkungen 20
2.1.2 Elektronenpaarbindung und Edelgaskonfiguration 20
2.1.3 Die Atombindung 22
2.1.4 Polarisierte Atombindung und Dipolmoleküle 26
2.1.5 Ionenbindung 27
Infotext: Das Metallbindungs-Modell, ein System von Energiebändern 31
2.1.6 Bindungen zwischen den Molekülen 33
2.2 Bindungsmodelle erklären Eigenschaften – Silicium und Silicium-Sauerstoff-Verbindungen 35
2.2.1 Silicate sind natürliche Polymere 35
2.2.2 Silicone – die anorganischen Kunststoffe 37
2.2.3 Silicium – ein Grundstoff moderner Technik 38
Infotext: Fotovoltaik – elektrischer Strom aus Sonnenlicht 40

3 ENERGIEUMSATZ BEI CHEMISCHEN REAKTIONEN 41
3.1 Allgemeine Energiebetrachtungen 42
3.2 Innere Energie 42
3.3 Enthalpie 43
3.3.1 Volumenarbeit 43
Infotext: Ideale Gase 43
3.3.2 Enthalpiedefinition 44
3.4 Messung von Energien und Enthalpien 44
3.5 Enthalpien physikalischer Prozesse und Reaktionsenthalpien 46
3.5.1 Beispiele von Enthalpieänderungen bei physikalischen Prozessen 46
3.5.2 Reaktionsenthalpien 47
3.5.3 Der Satz von Hess 48
3.6 Standartbildungsenthalpie, Bindungsenergie 49
3.7 Enthalpie von Nahrungsmitteln und Brennstoffen 50

4 VERLAUF CHEMISCHER REAKTIONEN 51
4.1 Die Reaktionsgeschwindigkeit 52
4.1.1 Allgemeine Einflüsse 52
4.1.2 Definition und Messung der Reaktionsgeschwindigkeit 53
Infotext: Methoden der Konzentrationsmessung 53
4.2 Einfluss der Konzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit 54
4.2.1 Reaktionen 1. Ordnung 54
Infotext: Herleitung der mathematischen Formeln 55
4.2.2 Reaktionen 2. Ordnung 56
Infotext: Mathematische Behandlung von Reaktionen 2. Ordnung 57
4.3 Modellvorstellungen von chemischen Reaktionen 58
4.3.1 Konzentrationseinfluss 58
4.3.2 Temperatureinfluss 58
4.4 Messung der Aktivierungsenergie 60
4.5 Katalysatoren 62
4.5.1 Allgemeine Wirkung von Katalysatoren 62
4.5.2 Homogene und heterogene Katalyse 63
4.5.3 Der Autoabgas-Katalysator 64

5 DAS CHEMISCHE GLEICHGEWICHT 67
5.1 Umkehrbare Reaktionen 68
5.2 Physikalische Gleichgewichte: Das Prinzip vom Zwang 69
5.3 Chemisches Gleichgewicht: Beschreibung durch das Massenwirkungsgesetz 70
Infotext: Rechenbeispiel 73
5.4 Die Beeinflussung der Gleichgewichtslage 74
5.4.1 Konzentrationseinfluss 74
Infotext: Rechenbeispiel 75
5.4.2 Der Druckeinfluss 76
5.4.3 Der Temperatureinfluss 77
Infotext: Herleitung von G1 79
5.5 Katalysatorwirkung beim Gleichgewicht 79
5.6 Düngemittel aus der Luft – Das Haber-Bosch-Verfahren 79
Infotext: Pflanzenernährung und Düngung – Justus von Liebig und das Problem der Welternährung 79
5.6.1 Ammoniak als Rohstoff 81
Infotext: Vom Ammoniak zur Salpetersäure – das Ostwald-Verfahren 82
5.7 Lösungsgleichgewichte 82
5.7.1 Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit 82
5.7.2 Das Löslichkeitsprodukt 83

6 SÄURE-BASE-GLEICHGEWICHTE 85
6.1 Säure/Base-Definition 86
6.2 Protolysegleichgewichte 87
6.2.1 Das Ionenprodukt des Wassers. Der pH-Wert 87
6.2.2 Starke und schwache Säuren 89
6.2.3 Säurekonstante und Basenkonstante 90
Infotext: Rechenbeispiele für pKs und pKb 92
6.2.4 Berechnung von pH-Werten 92
6.3 Besondere Säure-Base-Gleichgewichte 94
6.3.1 Protolyse von Salzen, Hydrolyse 94
Infotext: Berechnung von pH-Werten für Salzlösungen 94
6.3.2 Pufferlösungen 95
6.4 Titration 96
6.4.1 Säure-Base-Titrationen 96
6.4.2 Indikatoren 98
Infotext: Natürliche/synthetische Indikatoren 100

7 REDOXREAKTIONEN/ELEKTROCHEMIE 101
7.1 Redoxreaktionen als Elektronenübergänge 102
7.2 Oxidationszahlen und Redoxgleichungen 104
7.3 Die Redoxreihe 104
7.4 Galvanische Elemente 105
7.5 Die Erzeugung der Spannung in galvanischen Zellen 107
7.6 Konzentrationszellen 108
7.7 Die elektrochemische Spannungsreihe 108
7.8 Die Nernst´sche Gleichung 111
Infotext: Messung des pH–Werts 113
Infotext: Mit der Nernst’schen Gleichung kann man Gleichgewichtskonstanten berechnen 114
7.9 Korrosion 114
7.10 Elektrolysen 117
7.10 1 Elektrolysen sind erzwungene Redoxreaktionen 117
7.10.2 Zersetzungsspannung und Abscheidungspotentiale 118
Infotext: Metalle werden elektrolytisch veredelt 120
7.10.3 Faraday’sche Gesetze 121
7.11 Anwendung der Redoxreaktionen zur elektrochemischen stromerzeugung: Batterien, Akkumulatoren, Brennstoffzellen 122
7.11.1 Batterien (Primärelemente) 122
7.11.2 Akkumulatoren (Sekundärelemente) 124
Info-Text: Wohin mit verbrauchten Batterien und Akkumulatoren? 126
7.11.3 Brennstoffzellen 127
Infotext: Galvanische Zellen können Arbeit Leisten 128
7.12 Die Alkalichlorid-Elektrolyse – ein bedeutender Wirtschaftsfaktor 128
Infotext: Wozu braucht man Natronlauge und Chlor? 130
7.13 Redoxreaktionen liefern Metalle 130
7.13.1 Vom Erz zum Stahl: Eisen in Geschichte und Technik 130
7.13.2 Das Aluminium – ein Leichtgewicht mit großer Bedeutung 135
Infotext: Aluminium-Recycling - Schonung der Umwelt oder geschickter Schachzug der Industrie? 138
7.14 Redoxprozesse als Grundlage des Lebens 140

8 TRIEBKRAFT CHEMISCHER REAKTIONEN 141
8.1 Bedeutung der Reaktionsenthalpie 142
8.2 Entropie 142
Infotext: Modellvorstellungen zur Entropie 143
Infotext: Osmose 143
Infotext: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 145
8.3 Die Freie Enthalpie 145
8.3.1 Definition und Berechnung der Freien Enthalpie 145
8.3.2 Anwendung der Gibbs-Helmholtz-Gleichung 146
8.3.3 Freie Reaktions-Enthalpie und Nutzarbeit 148
8.3.4 Freie Enthalpie bei Gleichgewichten 149

9 KOHLENWASSERSTOFFE UND HALOGENDERIVATE 151
Infotext: Organische Chemie – die Chemie der Kohlenstoffverbindungen 152
Infotext: So kann man die Elemente in organischen Verbindungen qualitativ nachweisen 152
9.1 Gesättigte Kohlenwasserstoffe 153
9.1.1 Das Methan; Zusammensetzung und Vorkommen 154
9.1.2 Molekülgeometrie und Molekülmodelle 155
9.1.3 Bindungsverhältnisse im Methanmolekül 156
9.1.4 Homologe Reihe der Alkane 156
9.1.5 Isomerie bei Alkanen 158
9.1.6 Nomenklatur der Alkane 160
9.1.7 Energie durch Verbrennung von Alkanen 160
Infotext: Wie gefährlich sind brennbare Stoffe? 161
Infotext: Der Treibhauseffekt zwei Seiten einer Medaille 163
9.1.8 Cycloalkane - Kohlenwasserstoffe mit Ringstruktur 166
9.2 Halogenalkane – Abkömmlinge gesättigter Kohlenwasserstoffe 167
9.2.1 Halogene reagieren mit gesättigten Kohlenwasserstoffen durch Substitution 167
9.2.2 Reaktionsmechanismus der Chlorierung von Methan 168
Infotext: Eigenschaften und Verwendung halogensubstituierter Alkane 169
Infotext: "FCKW - die Ozonkiller“ 170
9.2.3 Reaktionsverhalten der Halogenalkane; Induktiver Effekt; Dipolmoleküle 173
9.3 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe 175
9.3.1 Ethen und die homologe Reihe der Alkene 175
9.3.2 Die C=C Doppelbindung; σ-π-Modell 177
9.3.3 Reaktionsverhalten von Alkenen; Additionsreaktion 178
9.3.4 Ethin und die homologe Reihe der Alkine 179
9.3.5 Die CC-Dreifachbindung; Bau des Ethinmoleküls 181
9.4 Kohle Erdöl und Erdgas als Energieträger und Rohstoffquelle 182
9.4.1 Die Entstehung der Kohle 182
9.4.2 Die Kohleveredelung 182
9.4.3 Entstehung, Vorkommen und Gewinnung von Erdöl und Erdgas 184
9.4.4 Verarbeitung des Erdöls durch fraktionierte Destillation 185
Infotext: Die Octanzahl – ein Maß für die Klopffestigkeit 186
9.4.5 Die Anwendung des Crackprozesses auf Erdöldestillate 187
Infotext: Regenerative Energiequellen - Energiequellen der Zukunft? 188

10 ALKANOLE UND IHRE REAKTIONSPRODUKTE; FUNKTIONELLE GRUPPEN 191
10.1 Alkanole und Ether 192
Infotext: Die Bundesrepublik Deutschland – ein Land der Alkoholiker? 192
10.1.1 Alkohol durch Gärung 193
Infotext: Der Alkohol und die Promille 194
Infotext: Blutalkoholgehalt und Wirkung auf den Organismus 195
10.1.2 Ermittlung der Summenformel des Ethanolmoleküls 195
10.1.3 Ermittlung der Strukturformel des Ethanmoleküls 197
10.1.4 Homologe Reihe einwertiger Alkohole; Nomenklatur 198
10.1.5 Mehrwertige Alkohole 200
Infotext: Alfred Nobel – ein Mann, der durch Sprengstoff reich wurde 200
10.1.6 Zusammenhang von Struktur und Eigenschaften bei Alkanolen 201
10.1.7 Mechanismus der nucleophilen Substitution zur Herstellung von Alkanolen 203
10.1.8 Ether; Herstellung und Eigenschaften 204
10.2 Alkanale und Alkanone; C=O-Doppelbindung 206
10.2.1 Alkanale als Oxidationsprodukte primärer Alkanole 206
Infotext: Alkohol im Blut – nicht nur ein Fall für die Polizei 208
10.2.2 Reaktionsverhalten der Alkanale 210
Infotext: Silberspiegel lösen die giftigen Quecksilberspiegel ab 212
10.2.3 Alkanone als Oxidationsprodukte sekundärer Alkohole 212
10.3 Carbonsäuren; Substitutionsprodukte und Derivate 214
10.3.1 Monocarbonsäuren (Alkansäuren); Homologe Reihe 214
10.3.2 Physikalisches Verhalten, Acidität und Salze der Monocarbonsäuren 216
10.3.3 Dicarbonsäuren (Alkandisäuren) 219
10.3.4 Halogencarbonsäuren 220
10.3.5 Aliphatische Hydroxycarbonsäuren 221
10.3.6 Amine und Aminocarbonsäuren 222
10.3.7 Optische Aktivität 223
Infotext: Optische Aktivität der Weinsäure 225
10.3.8 Carbonsäureester 226
10.3.9 Carbonsäureamide 228
Infotext: Harnstoff – das Diamid der Kohlensäure 228

11 AROMATISCHE VERBINDUNGEN; REAKTIONSMECHANISMEN 229
Infotext: Benzol – ein giftiger Stoff mit krebserzeugender Wirkung 230
11.1 Aromatische Kohlenwasserstoffe; Halogenderivate 231
11.1.1 Benzol; Eigenschaften, Verwendung, Summenformel 231
11.1.2 Halogenierung von Benzol 231
11.1.3 Zur Entwicklung der Strukturformel des Benzolmoleküls 232
11.1.4 Hydrierungsenergie und Geometrie des Benzolmoleküls 233
11.1.5 Bindungsverhältnisse im Benzolmolekül, Mesomerie und aromatischer Zustand 234
11.1.6 Elektrophile Substitution und radikalische Addition am Benzolmolekül 236
Infotext: DDT und Dioxin – zwei weit verbreitete gefährliche Umweltgifte 238
Infotext: Kondensierte aromatische Kohlenwasserstoffe 238
11.2 Weitere Derivate aromatischer Kohlenwasserstoffe 239
11.2.1 Direkte Einführung von Substituenten in das Benzolmolekül 240
11.2.2 Reduktion der Nitrogruppe: Anilin 242
11.2.3 Nucleophile Substitution am Benzolmolekül; Phenol und Dihydroxybenzole 243
11.2.4 Bromierung von Methylbenzol 245
11.2.5 Benzylalkohol und seine Oxidationsprodukte; aromatische Carbonsäuren 246
11.2.6 Zweitsubstitution am Benzolmolekül; Einfluss von Erstsubstituenten 248

12 NATURSTOFFE 251
12.1 Kohlenhydrate 252
12.1.1 Zucker sind Kohlenhydrate 252
12.1.2 Über den Bau des Glucosemoleküls 253
12.1.3 Die Struktur des Fructosemoleküls 258
Infotext: Wahlverwandtschaft: Glucose – Sorbit – Ascorbinsäure 259
12.1.4 Saccharose (= Rohr- oder Rübenzucker) 259
12.1.5 Zucker in Malz und in der Milch 260
Infotext: Nicht nur Zucker ist süß – über Zuckeraustauschstoffe und Süßstoffe 261
12.1.6 Makromolekulare Kohlenhydrate 263
Infotext: Stärke ist mehr als ein Nahrungsmittel 265
Infotext: Papier: Herstellung und Recycling 267
Infotext: Cellulose – nachwachsender Rohstoff für hochwertige Kunstseide und Membranen 269
12.2 Aminosäuren – Peptide – Proteine 270
12.2.1 Aminosäuren – Aufbau und Eigenschaften 271
Infotext: Cystein – ein Rohstoff mit vielen Anwendungen 274
12.2.2 Aufbau und Analyse von Peptiden 275
Infotext: Insulin – 10 Jahre für die Aufklärung des Molekülaufbaus 277
Infotext: Elektrophorese – eine Trenntechnik der Bioanalytik 278
12.2.3 Die Struktur der Proteine 278
Infotext: Milch – Proteinlieferant für die gesunde Ernährung 282
Infotext: Nucleinsäuren – Informationsträger des Lebens 282
12.3 Fette 284
12.3.1 Aufbau der Fette 285
Infotext: Fettsäuremethylester – Rohstoffe für viele Zwecke 286
12.3.2 Die Fettsäurekomponente in Fetten 287
Infotext: Jedes Fett ist anders 288
12.3.3 Charakterisierung von Fetten 289
Infotext: Die Iodzahl und ihre Ermittlung 290

13 WASCHAKTIVE STOFFE 291
13.1 Am Anfang war die Seife 292
13.1.1 Herstellung von Seife 292
Infotext: Waschaktive Stoffe – gesucht und gefunden 293
13.1.2 Die Eigenschaften einer Seifenlösung 294
13.1.3 Die waschaktive Wirkung der Seife 295
13.1.4 Seife – Waschmittel mit begrenzter Wirkung 296
Infotext: Tenside – grenzflächenaktive Stoffe für gute Kontakte 297
13.2 Wasserhärte und waschaktive Gerüststoffe 298
13.2.1 Die zwei Gesichter der Phosphate 298
13.2.2 Ersatz für Phosphat 299
Infotext: Silicate – umweltverträgliche Enthärter 300
13.3 Synthetische waschaktive Stoffe 301
13.3.1 Anionische Tenside 301
Infotext: Tenside sind unerwünscht als Abfallstoffe 302
13.3.2 Weitere Tensidklassen 303
Infotext: Plantaren® - Sauberkeit mit Hilfe von Fett und Zucker 304
13.4 Waschmittel 305
13.4.1 Waschgut und Waschmittel 306
13.4.2 Zusammensetzung von Waschmitteln 306
13.4.3 Untersuchung von Inhaltsstoffen in Waschmitteln308
Infotext: Ökobilanz –Geschäftsbericht für den Umweltschutz 309

14 FARBSTOFFE 311
14.1 Grundlagen 312
14.2 Synthese einiger Farbstoffe 313
14.3 Zusammenhang zwischen Konstitution und Farbe 315
Infotext: Erklärung der Farbigkeit mit dem MO-Modell 315
14.3.1 Die Polymethinstruktur als Grundmuster aller wichtigen Farbstoffe 316
14.4 Farbmittel und ihre Vielfalt 318
14.5 Technisch wichtige Farbstoffklassen 318
14.5.1 Azofarbstoffe 319
14.5.2 Azofarbstoffe und Gesundheitsrisiken 320
14.6 Verbindung des Farbstoffes mit der Textilfaser 321
Info-Text: Indigo - bewährt seit Jahrtausenden 322

15 ARZNEIMITTEL 323
Info-Text: Aspirin - ein Arzneimittel von Weltruf 324
15.1 Leitsubstanzen 325
15.2 Mechanismen der Arzneimittelwirkung 325
15.2.1 Aspirin® ist ein Enzym-Hemmstoff 325
15.2.2 Sulfonamide und Penicillin stören Biosynthesen in Bakterienzellen 326
Infotext: Die Entdeckung des Penicillins setzt neue Maßstäbe in der Medizin 328
15.2.3 Zell-Rezeptoren und Liganden regeln lebenswichtige Vorgänge 328
15.2.4 Beruhigungsmittel (Tranquilizer) öffnen Ionenkanäle 329

16 KUNSTSTOFFE 331
16.1 Makromolekulare Stoffe - Makromoleküle 332
16.2 Synthese von Kunststoffen 333
16.2.1 Radikalische Polymerisation 333
16.2.2 Ionische Polymerisation 335
16.2.3 Polykondensation 336
Infotext: Nylon und Perlon – wichtige Kondensationsprodukte 337
16.2.4 Polyaddition 338
Infotext: Kunststoffe erleichtern das Leben 338
16.3 Eigenschaften, Struktur und Verwendung 339
16.3.1 Thermoplaste 339
Infotext: Was sind Schrumpffolien? 340
16.3.2 Elastomere 342
Infotext: Zusatzstoffe sind der I-Punkt beim Gummi 344
16.3.3 Duroplaste 344
16.4 Verarbeitung von Kunststoffen 345
16.4.1 Chemiefasern 345
Infotext: Die Baumwolle – eine Naturfaser 346
16.4.2 Schaumstoffe 347
16.5 Variation von Struktur und Eigenschaften 348
16.6 Kunstoffrecycling 350
Infotext: Biologisch abbaubare Kunststoffe 352
Infotext: Kunststoffe haben Zukunft? 352

17 KERNCHEMIE 353
17.1 Atomkerne 354
17.2 Natürliche Radioaktivität 354
17.2.1 Radioaktive Strahlung 355
17.2.2 Chemische Wirkung radioaktiver Strahlen 356
17.2.3 Der radioaktive Zerfall 358
17.3 Die künstliche Kernumwandlung 359
17.3.1 Die Kernreaktion 359
17.4 Die Nutzung der Kernenergie 360
17.4.1 Kernspaltung 360
17.4.2 Gewinnung von Kernenergie durch Kernspaltung 360
17.4.3 Kernreaktoren 361
Infotext: Kernkraftwerke in der Welt 361
Infotext: Uran in der Natur 361
17.4.4 Probleme des Reaktorbetriebes 362
17.4.5 Kernfusion 363
Infotext: Tschernobyl und seine Folgen 364

18 ANALYTISCHE CHEMIE UND IHRE ANWENDUNG IM UMWELTSCHUTZ 365
Infotext: Grundlegende Fragen der Analytischen Chemie 366
18.1 Wichtige analytische Methoden 366
18.1.1 Erkennungsreaktionen 366
18.1.2 Chromatografie 367
18.1.3 Elektrochemische Methoden 370
18.1.4 Spektroskopische Methoden 372
Infotext: 1 Preuße in München gleich 1ppm 376
18.1.5 Qualitative und quantitative Analysen ausgewählter Kationen und Anionen 378
18.1.6 Bestimmung der molaren Masse 383
Infotext: Alle werden mit Vitamin C! Wir prüfen nach 384
Infotext: Den Spuren auf der Spur 384
18.2 Der Umweltschutz – ein Anwendungsgebiet der Analytischen Chemie 386
18.2.1 Das Wasser - Lebensmittel, Lösungsmittel, kostbarstes Gut 386
Infotext: Untersuchung eines Gewässers 392
18.2.2 Luft und Luftverschmutzung - wie kleine Schadstoffmengen große Probleme schaffen 394
Infotext: Unsere Atmosphäre – eine Müllhalde für Autoabgase? 397
18.2.3 Lebensraum Boden - und wie wir damit umgehen 402

19 KOMPLEXVERBINDUNGEN 407
19.1 Liganden verändern Kationen 408
Infotext: Über die Bezeichnung von Komplexverbindungen 410
19.2 Aufbau der Komplexverbindungen 411
19.3 Das H2O-Molekül als Komplexbildner 412
Infotext: Komplexometrische Bestimmung von „Kupfer“ in Wein und Wasser 414
19.4 Stabilität von Komplexen 415
Infotext: Bestimmung der Wasserhärte mit EDTA 417
Infotext: Metallkomplexe mit organischen Verbindungen – Stoffe mit anderen Möglichkeiten 418

20 ANHANG 421
Sicherheit beim Experimentieren 422
Tabellen und Übersichten 432
Namen und Sachverzeichnis 437
Periodensystem der Elemente 446