Chemie für Ingenieure

Jan Hoinkis

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2015
• ISBN:
  9783527684618
• Auflage: 14
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Chemie

Die 14. Auflage dieses Klassikers bietet eine umfassende praxisorientierte Einführung in die für Ingenieure relevante Chemie. Vollständig überarbeitet und aktualisiert ist das Buch besonders für Ingenieure in Bachelor- und Diplomstudiengängen konzipiert.

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Atombau und Periodensystem

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Das erste Kapitel führt uns zu den kleinsten Bestandteilen der stofflichen Welt, da Grundkenntnisse über deren Aufbau wichtig zum Verständnis vieler stofflicher Eigenschaften und Veränderungen sind. Besonders das wellenmechanische oder quantenmechanische Atommodell trägt dazu bei, später viele chemische Gesetzmäßigkeiten mühelos verstehen zu können. Dabei werden u. a. auch einige erkenntniskritische Überlegungen angestellt, denn die Erkenntnisse der Quantenmechanik haben seit Beginn dieses Jahrhunderts unser Weltbild vollkommen umgestaltet. Ein vertieftes Verständnis dieser Sachverhalte ermöglicht es dann, die uns umgebende Wirklichkeit besser begreifen zu können.

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1.1 Bestandteile des Atoms

Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer Elektronenhülle. Bei chemischen Reaktionen treten Veränderungen in der Elektronenhülle auf.

Atomdurchmesser:	Größenordnung 10^−10m
Atomkerndurchmesser:	Größenordnung 10^−14m

Der Kern enthält die elektrisch positiv geladenen Protonen und die elektrisch neutralen Neutronen. Beide haben etwa die gleiche Masse und werden als Nukleonen bezeichnet (nucleus, lat. = Kern; Nukleonen = Kernbestandteile). Die Atomhülle wird aus den elektrisch negativ geladenen Elektronen gebildet. Nukleonen und Elektronen sind Elementarteilchen und besitzen die in Tab. 1.1 angegebenen Massen bzw. elektrischen Ladungen. Zum Vergleich, um sich die Größenverhältnisse besser vorstellen zu können: Wäre der Atomkern so groß wie ein Stecknadelkopf (ca. 1mm), hätte das Atom die Ausdehnung eines Fußballfelds (ca. 100m).

Die Eigenschaften der Atome werden entscheidend durch die Außenelektronen bestimmt. Die Anzahl der Elektronen in der Hülle hängt aber ihrerseits von der Anzahl der Protonen im Kern ab, sodass letztlich die Protonenzahl das maßgebende Unterscheidungsmerkmal für die verschiedenen Atomarten darstellt. Hinsichtlich der Protonenzahl gibt es 103 verschiedene Atomarten¹⁾.

Tab. 1.1 Elementarteilchen.

Name	Symbol	Ruhemasse	elektrische Ladung	Einheiten
Proton	p^+	1,672 61 · 10^−24 g	+1,6 · 10^−19	As, Ampèresekunden oder C, Coulomb
Neutron	n	1,674 92 · 10^−24 g	–
Elektron	e^−	0,910 96 · 10^−27 g	−1,6 · 10^−19	As, Ampèresekunden oder C, Coulomb

Stoffe, die nur aus einer dieser Atomarten mit jeweils der gleichen Protonenzahl bestehen, nennt man chemische Elemente. Man kennzeichnet die chemischen Elemente durch Symbole; diese sind Abkürzungen des lateinischen Namens, bestehend aus einem oder zwei Buchstaben, z.B. H für Hydrogenium (Wasserstoff); O für Oxygenium (Sauerstoff); N für Nitrogenium (Stickstoff); C für Carbonium (Kohlenstoff); S für Sulfur (Schwefel); Na für Natrium (deutsch ebenfalls Natrium); Fe für Ferrum (Eisen); Cu für Cuprum (Kupfer); Zn für Zincum (Zink); Sn für Stannum (Zinn); Hg für Hydrargyrum (Quecksilber) usw. Die im deutschen Sprachgebrauch üblichen Elementnamen sind mit den Elementsymbolen und der jeweiligen Protonenzahl im Kern (= Ordnungszahl) im Anhang A.4 zu finden.

1.2 Atomkerne

Fast die gesamte Masse eines Atoms ist im Kern vereinigt. Der Kern erfüllt aber nur ca. ein Billionstel des gesamten Atomvolumens. Ein anschaulicher Vergleich: Die Atomkerne eines Eisenwürfels von 10m Kantenlänge ergäben, ohne die Elektronenhüllen dicht zusammengepackt, einen Würfel von weniger als 1mm³ Rauminhalt, aber mit einer Masse von 7900 t!

Die Massenzahl gibt an, wie viele Nukleonen (Protonen + Neutronen) ein Atomkern enthält. Sie wird links oben vor das Elementsymbol oder hinter das Elementsymbol geschrieben, also z.B.: ²³⁵U; ²³⁸U; bzw. U 235; U 238.

Die Kernladungszahl oder Ordnungszahl zeigt die Anzahl der Protonen im Kern und damit das chemische Element an. Sie steht unten links vor dem Elementsymbol. Man schreibt sie jedoch meistens nicht, weil das Elementsymbol indirekt die Protonenanzahl angibt, z.B. ₉₂U bzw. U mit Massenzahl:

Werden aber Reaktionen beschrieben, bei denen sich die Kernladungszahl und damit auch das chemische Element ändert, ist es zweckmäßig, die Ordnungszahl zu schreiben.

Die Neutronenzahl errechnet sich aus der Differenz zwischen Massenzahl und Ordnungszahl. Durch die Neutronen werden die positiv geladenen Protonen im Kern zusammengehalten. Die Elemente bis zur Ordnungszahl 20 haben etwa gleich viele Neutronen wie Protonen, bei den höheren Elementen überwiegen die Neutro...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Table of Contents
• Title
• Copyright
• Vorwort
• 1: Atombau und Periodensystem
• 2: Die chemische Bindun
• 3: Die Aggregatzustände
• 4: Chemische Reaktionen
• 5: Chemische Gleichgewichte
• 6: Die Elemente
• 7: Anorganische Verbindungen
• 8: Organische Verbindungen
• 9: Kunststoffe
• 10: Elektrochemie
• 11: Spektren und ihre Anwendungen
• 12: Biochemie und Biotechnologie
• 13: Umwelttechnik
• Anhang
• Sachverzeichnis
• End User License Agreement