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Fachtheorie nach
Lernfeldern für
Chemielaboranten
Handwerk und Technik • Hamburg
Holland + Josenhans • Stuttgart
Teil 1 1.und 2.Ausbildungsjahr
Dr.Gisela KatzerProf. Dr. Franz Katzer
Konzeption und Ausführung des Buches basierenauf dem Rahmenplan für den AusbildungsberufChemielaborant / Chemielaborantin, der von derKultusministerkonferenz am 13. Januar 2000 be-schlossen wurde, sowie auf der Verordnung überdie Berufsausbildung zum Chemielaborant / zurChemielaborantin vom 22. März 2000. Außerdemwurden die Lehrpläne und Lehrplanrichtlinien fürden fachtheoretischen Unterricht der Bundesländerberücksichtigt. Danach wird die Ausbildung von La-borantinnen und Laboranten bundeseinheitlich nachLernfeldern gefordert, die sich an betrieblichenHandlungsabläufen orientieren. Die Autoren habendas vorliegende Lehrbuch in dem Bemühen erar-beitet, eine Lernhilfe für den fachtheoretischenUnterricht zur Verfügung zu stellen. Im Vorfeld wurden zu unserem Anliegen mehrereGespräche mit Berufsschullehrern geführt, die mitder Ausbildung von Laboranten und Laborantinnenbefasst sind. Es ergab sich Bedarf an einem Buch,das die wissenschaftlichen Grundlagen enthält, dieim Unterricht nach Lernfeldern zu vermitteln sind.Es wurde schnell bewusst, dass das Vorhaben, einen Leitfaden für die Auszubildenden zu verfas-sen, nur erfolgreich sein kann, wenn der Komplexder laborpraktischen Ausbildung ausgeklammertwird und nur das Fachwissen, das Grundlage derberuflichen experimentell-technischen Tätigkeitenist, in das Buch aufgenommen wird. Das ist auchaus Gründen eines Buchumfangs geboten. Im Übri-gen existieren bereits einige Lehrbücher für die be-rufspraktische Unterweisung im Labor wie die vonE. HITZEL und ST. ECKHARDT et al., die eine prozess-und handlungsorientierte Konzeption verfolgen, diesich an Lernfeldern orientiert. Chemisches Arbeiten im Beruf kann nur dann krea-tiv und erfolgreich sein, wenn der Experimentie-
rende grundlegende strukturierte und systematischgeordnete Kenntnisse über den Inhalt des prakti-schen Handelns besitzt, ansonsten werden sichFähigkeiten nicht optimal entwickeln. Fachkompe-tenz verlangt selbstständiges und verantwortungs-bewusstes Denken und Handeln auf der Grundla-ge eines ganzheitlichen und systematischen Fach-wissens. Wer nur nach Versuchsanleitungen ohnegenügende geistige Reflexion Aufgaben erledigenund nicht selbstständig Lösungsstrategien ent-wickeln und verwirklichen kann, erwirkt auch nurgeringe Anerkennung im Arbeitsteam. Es lag somit im Bestreben der Autoren, einerseitsdie fachlichen Grundlagen für die Lernfelder zu berücksichtigen, andererseits diese chemischenSachverhalte und Gesetzmäßigkeiten in dem ge-ordneten Zusammenhang der Fachsystematik dar-zustellen. Es ergab sich bei der Umsetzung diesesZiels, dass die einzelnen Kapitel z.T. unterschied-lich umfangreich ausgefallen sind, da auch die In-halte der Lernfelder verschieden bemessen sind,obwohl sie sich in der Zeitplanung gleichen. Der Teil I enthält die beruflichen Lerninhalte für denfachtheoretischen Unterricht des 1. und 2. Ausbil-dungsjahres. In Kürze wird ein Teil II für die Lern-felder der übrigen Ausbildungszeit von Chemie-laboranten und -laborantinnen vorliegen. Die Reihenfolge der Lernfelder wurde gegenüberdem Rahmenprogramm gering geändert. Die Ka-pitel sind aber in sich abgeschlossen, sodass sie je nach detailliertem Plan der jeweiligen Ausbil-dungseinrichtung vertauscht werden können. Die Autoren danken dem Verlag für die Unterstüt-zung. Sie bitten die Benutzer des Buches um kriti-sche Hinweise.
Die Verfasser
Vorwort
ISBN-10: 3-7782-1600-7 (H+J); 3-582-01600-5 (HT)ISBN-13: 978-3-7782-1600-2 (H+J); 978-3-582-01600-3 (HT)
Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenenFällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages.Hinweis zu § 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt undin ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen.
© Holland+ Josenhans GmbH & Co.,Postfach102352, 70019 Stuttgart, Tel.: 0711/6143920, Fax: 0711/6143922,E-Mail: [email protected], Internet: www.holland-josenhans.de
© Handwerk und Technik GmbH, Postfach 630500, 22331 Hamburg, Tel.: 040 /53808 -134, Fax: 040 /53808 -101,E-Mail: [email protected], Internet: www.handwerk-technik.de
Computersatz: comSet Helmut Ploß, 21031 Hamburg Druck: Boss-Druck, 47574 Goch
Eine Auswahl der verwendeten Formelzeichen finden Sie am Schluss des Buches auf Seite 352.
3
Inhaltsverzeichnis
LERNFELD 1: Vereinigen von Stoffen
1 Chemie und Physik 9
LERNFELD 2: Trennen von Stoffsystemen
3 Trennen von Gemengen und Gemischen 55
2 Stoffe 22
1.1 Chemie – Physik – Stoffe ................ 9
1.2 Physik und physikalischer Vorgang ............................................ 9
1.3 Änderungen des Aggregat-zustandes als Beispiel für physika-lische Vorgänge .............................. 9
1.4 Chemie und chemischer Vorgang . 11
1.5 Chemische Eigenschaften .............. 12
1.6 Änderung von Eigenschaften als Merkmale für chemische Vorgänge .......................................... 13
1.7 Internationales Einheiten-System – SI-Einheiten ..................................... 13
1.8 Masse und Massebestimmung ...... 14
1.9 Volumen und Volumenmessung ... 16
1.10 Dichtebestimmung ......................... 17
1.11 Bestimmung der Schmelz- und Siedetemperatur ............................. 19
2.1 Aggregatzustände von Stoffen ...... 222.1.1 Gase ................................................. 222.1.2 Flüssigkeiten ..................................... 252.1.3 Festkörper ......................................... 262.1.4 Phase – Phasenänderung ................ 28
2.2 Reine Stoffe ..................................... 292.2.1 Merkmale reiner Stoffe –
Elemente und Verbindungen ............ 292.2.2 Formeln ............................................. 312.2.3 Gleichungen ...................................... 322.2.4 Nomenklatur ..................................... 332.2.5 Absolute und relative Atommasse .... 342.2.6 Relative Molekülmasse ..................... 352.2.7 Das Mol als Teilchen- und Stoffmenge 352.2.8 Gehaltsangaben ............................... 362.2.9 Stoffanteile ....................................... 382.2.10 Mischungsregeln – Berechnung von
Mischungsverhältnissen ................... 39
2.3 Stöchiometrie – Chemisches Rechnen .................... 40
2.3.1 Stöchiometrische Gesetze ................ 402.3.2 Beispiel-Berechnungen ..................... 42
2.4 Zusammengesetzte Stoffe – Mischungen ..................................... 45
2.4.1 Einteilung und Charakterisierung der Mischungen ................................ 45
2.4.2 Heterogene Mischungen – Gemenge 462.4.3 Homogene Mischungen –
echte Lösungen ................................ 472.4.4 Wasser als Lösungsmittel und
Löslichkeit von Salzen ...................... 482.4.5 Vorgänge beim Lösen ....................... 492.4.6 Kolloide ............................................. 50
2.5 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 1 und 2 ......................... 54
3.1 Einteilung der Trennverfahren ....... 55
3.2 Komplexität von Trennverfahren am Beispiel des Filtrierens ............ 55
3.3 Trennen von heterogenen Syste-men – Gemenge .............................. 55
3.4 Trennen von homogenen Syste-men – Gemische ............................. 57
3.5 Thermische Trennverfahren für Lösungen und Flüssigkeiten ... 58
3.5.1 Trocknen von Gasen ........................ 583.5.2 Kristallisieren und Trocknen
von Feststoffen ................................. 593.5.3 Adsorption ......................................... 593.5.4 Absorption ......................................... 593.5.5 Destillation ........................................ 593.5.6 Trennen von Stoffen durch
Flüssig-flüssig-Extraktion .................. 62
3.6 Technologien für die tech-nische Trennung homogener Mischungen ..................................... 62
3.6.1 Trinkwasseraufbereitung .................. 623.6.2 Wasserhärte ..................................... 633.6.3 Enthärtung des Wassers .................. 64
Inhaltsverzeichnis
4
LERNFELD 3: Struktur und Eigenschaften von Stoffen
4 Umweltchemie 68
5 Bau der Atome 84
7 Primäre chemische Bindungen 104
6 Periodensystem 91
4.1 Umwelt – Umweltschutz ................. 68
4.2 Umweltrecht – Umweltgesetz-gebung .............................................69
4.3 Gesundheitsschutz und Umgang mit Chemikalien im Labor .............. 69
4.4 Maßnahmen der Guten Labor-praxis ............................................... 73
4.5 Belastung von Wasser und Boden 73
4.6 Wasser- und Bodenverseuchungdurch Mülldeponien ........................ 75
4.7 Abwasserbelastung und Abwasserbehandlung .................... 76
4.8 Luftverunreinigung ......................... 784.8.1 Schädigung der Luft .......................... 784.8.2 Luftschadstoffe und Smogbildung .... 784.8.3 Wirkungen und Reduzierung von
Luftschadstoffen ............................... 814.8.4 Das natürliche CO2–O2–Gleich-
gewicht .............................................. 814.8.5 Kohlenstoffdioxid und Treibhaus-
effekt ................................................. 81
4.9 Wiederholungsaufgaben zu Kapitel 3 und 4 ................................ 83
5.1 Entwicklung von Modellvorstel-lungen .............................................. 84
5.2 Elementarteilchen und Bau des Atomkerns ....................................... 85
5.3 Protonen .......................................... 85
6.1 Periodizität der Eigenschaften ...... 91
6.2 Periodizität des Atombaus ............. 92
6.3 Energiestufen der Elektronen ........ 94
6.4 Periodizität des Atomvolumens .... 95
6.5 Quantenmechanisches Modell der Atomhülle – Erweiterung der Modellvorstellungen über das Atom ......................................... 96
6.5.1 Linienspektren .................................. 966.5.2 Gequantelte Energie ......................... 976.5.3 Quantenzahlen ................................. 976.5.4 Kästchenschreibweise der Elektronen-
konfiguration ..................................... 996.5.5 Orbital-Modell der Atomhülle ............ 101
6.6 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 5 und 6 ......................... 103
7.1 Elektronenpaarbildung durch Spinkopplung .................................. 104
7.2 Wirkung der elektrostatischen Kräfte auf das bindende Elek-tronenpaar ....................................... 104
7.3 Ionenbindung oder Ionenbe-ziehung (heteropolare Bindung) ... 105
7.3.1 Bildung von Ionen ............................. 1057.3.2 Ionenwertigkeit oder Ionenladung ..... 1077.3.3 Redoxvorgang bei der Bildung
von Ionen aus den Atomen ............... 1077.3.4 Elektronegativität 7.3.5 Struktur der Ionenverbindungen im
festen Zustand – Ionengitter ............. 108
7.4 Atombindung (kovalente oder homöopolare Bindung) .................. 110
7.4.1 Bildung gemeinsamer Elektronen-paare ................................................. 110
7.4.2 Unpolare Atombindung ..................... 1117.4.3 Bindigkeit unpolarer Moleküle ........... 1127.4.4 Bindungsenergie und Gitterenergie
unpolarer Stoffe ................................ 112
3.6.4 Entsalzen des Wassers .................... 653.6.5 Luftverflüssigung als Beispiel für die
technische Trennung eines gas-förmigen Gemischs ........................... 65
3.6.6 Fraktionierende Destillation von Erdöl als Beispiel für die technische Trennung eines flüssigen Gemischs .......................................... 66
5.4 Neutronen ........................................ 85
5.5 Elektronen ....................................... 86
5.6 Bau der Atomhülle .......................... 86
Inhaltsverzeichnis
5
9 Einige Elemente des Periodensystems und ihre Verbindungen 129
10 Verbindungen der Nichtmetalle und Metalle 157
9.1 Die langperiodische Form des Periodensystems der Elemente (PSE) ................................................. 129
9.2 Nichtmetalle .................................... 1299.2.1 Stellung der Nichtmetalle im
Periodensystem ................................ 1299.2.2 Allgemeine Eigenschaften der Nicht-
metalle .............................................. 129
9.3 Metalle .............................................. 1319.3.1 Stellung der Metalle im Perioden-
system .............................................. 131
10.1 Anorganische Reaktionen – Reaktionstypen ............................... 157
10.2 Säuren .............................................. 15910.2.1 Definition der Säuren nach
ARRHENIUS und BRÖNSTED .................. 15910.2.2 Indikatoren ........................................ 15910.2.3 Sauerstofffreie Säuren ...................... 16010.2.4 Sauerstoffhaltige Säuren oder
Oxosäuren ........................................ 16210.2.5 Flüchtige und schwerflüchtige
Säuren .............................................. 16410.2.6 Starke und schwache Säuren –
Dissoziation und Hydratation ............ 16510.2.7 Reaktion von verdünnten Säuren mit
Metallen ............................................ 16610.2.8 Redoxreaktionen mit oxidierenden
Säuren .............................................. 16
10.3 Metallhydroxide, Basen, Laugen ... 16810.3.1 Definition der Hydroxide und
Säure-Base-Reaktion ....................... 16810.3.2 Weitere Säure-Base-Paare –
Protolyse ........................................... 169
8 Sekundäre Bindungen 129
8.1 Nahkräfte zwischen den Mole-külen ................................................ 124
8.2 Polare Moleküle – Dipolmoleküle .. 124
8.3 Einteilung der zwischenmole-kularen Kräfte .................................. 125
8.4 Pol-Orientierungskräfte (KEESOM-Kräfte) ............................... 126
8.5 Induktionskräfte (DEBYE-Kräfte) ..... 126
8.6 Dispersionskräfte (LONDON-Kräfte) . 127
8.7 Wasserstoffbrückenbindung ......... 127
8.8 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 8 ................................... 128
7.4.5 Struktur von unpolaren Stoffen im festen Zustand – Molekülgitter .......... 112
7.4.6 Polare Atombindung ......................... 1137.4.7 Bindigkeit polarer Moleküle und
formale Oxidationszahl ..................... 1147.4.8 Gestalt von Molekülen ...................... 1167.4.9 Bindungslänge und Bindungsenergie
in Molekülen ...................................... 1177.4.10 Deutung der Atombindung mithilfe
des Orbitalmodells ............................ 118
7.5 Metallbindung ................................. 119
7.6 Übergänge zwischen den Bindungsarten ................................ 121
7.7 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 7 ................................... 123
9.3.2 Allgemeine Eigenschaften der Metalle .............................................. 132
9.4 Elemente der Hauptgruppen .......... 1349.4.1 Wasserstoff ....................................... 1349.4.2 Elemente der 1. Hauptgruppe –
Alkalimetalle (s1-Elemente) ............... 1379.4.3 Elemente der 2. Hauptgruppe –
Erdalkalimetalle (s2-Elemente) ......... 1399.4.4 Elemente der 3. Hauptgruppe –
Erdmetalle (p1-Elemente) ................. 1409.4.5 Elemente der 4. Hauptgruppe –
Kohlenstoffgruppe (p2-Elemente) ..... 1429.4.6 Elemente der 5. Hauptgruppe –
Stickstoffgruppe (p3-Elemente) ......... 1469.4.7 Elemente der 6. Hauptgruppe –
Chalkogene (p4-Elemente) ............... 1489.4.8 Elemente der 7. Hauptgruppe –
Halogene (p5-Elemente) ................... 1509.4.9 Elemente der 8. Hauptgruppe –
Edelgase (p6-Elemente) .................... 153
9.5 Einige Elemente der Neben-gruppen (d-Elemente)...................... 153
9.6 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 9 ................................... 156
6
10.3.3 Erweiterung des Säure-Base-Begriffs – LEWIS-Säuren und LEWIS-Basen ..... 170
10.3.4 Bildung von Hydroxiden (Basen) ...... 17110.3.5 Löslichkeit und Reaktionen von
Metallhydroxiden (Basen) ................. 17110.3.6 Ammoniumhydroxid .......................... 17310.3.7 Amphotere oder ampholytische
Metalle .............................................. 173
10.4 Salze als Ionenverbindungen zwischen Metallen und Nicht-metallen ............................................ 174
10.5 Komplex- oder Koordinations-verbindungen .................................. 176
10.6 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 9 und 10 ....................... 180
LERNFELD 4: Präparative Arbeiten – Energetik chemischer Vorgänge
11 Energieänderungenbeim Ablauf chemischer Vorgänge 181
11.1 Stoffliche Systeme und Zustands-größen .............................................. 181
11.2 Innere Energie ................................. 183
11.3 Enthalpie .......................................... 184
11.4 HESS’scher Satz ............................... 185
11.5 Standard-BildungsenthaIpie .......... 186
11.6 Aktivierung ...................................... 188
11.7 Exotherme und endotherme Reaktionen ...................................... 190
11.8 Freie (Reaktions-)Enthalpie ........... 191
11.9 Entropie ........................................... 191
11.10 Katalyse – Katalysatoren ............... 194
11.11 Weitere Bedingungen für den Ablauf chemischer Vorgänge ........ 197
11.12 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 11 .................................. 198
LERNFELD 5: Massenwirkungsgesetz
12 Chemisches Gleich-gewicht 199
12.1 Richtung und Umkehrbarkeit einer Reaktion – Prinzip vom kleinsten Zwang .............................. 199
12.2 Gleichgewicht zwischen Hin- undRückreaktion ................................... 199
12.3 Massenwirkungsgesetz .................. 200
12.4 Berechnung der Gleichgewichts-konstante Kc .................................... 201
12.5 Verallgemeinerung des Massen-wirkungsgesetzes ........................... 201
12.6 Beispiel: Bildung von Iodwasser-stoffsäure ........................................ 201
12.7 Stoffumsatz und Ausbeute ............ 201
12.8 Beeinflussung von Gleich-gewichten – Ausbeutesteigerung . 202
12.9 Gleichgewichte in heterogenen Systemen ......................................... 203
12.10 Dissoziationskonstante von Elek-trolyten ............................................. 204
12.11 Ionenprodukt des Wassers und pH-Wert ............................................ 204
12.12 pH-Messung .................................... 205
12.13 Säure- und Basenkonstanten – pKS- und pKB-Werte ....................... 207
12.14 Berechnung des pH-Wertes ........... 209
12.15 Hydrolyse ........................................ 210
12.16 Löslichkeitsprodukt ........................ 211
12.17 Puffer ............................................... 212
12.18 Neutralisation – Säure-Base-Titration ...................... 213
12.19 Fällungstitration .............................. 216
12.20 Redoxtitration ................................. 217
12.21 Gravimetrie ...................................... 218
12.22 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 12 ................................. 219
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
7
LERNFELD 6: Fotometrische Untersuchungen
13 Untersuchung von Stoffen mithilfe dessichtbaren Lichts – UV/VIS-Spektro-skopie 220
13.1 Einige Eigenschaften des Lichts –Wellenlänge, Frequenz, Energie .... 220
13.2 Lichtreflexion und Lichtbrechung . 222
13.3 Messung der Brechzahl – Refraktometrie ................................ 223
13.4 Messung der Licht-Absorption – Fotometrie und Kolorimetrie ......... 224
13.5 Optische Polarisation – Polarimetrie ..................................... 225
13.6 Kalibrieren – Kalibrierkurven ......... 227
13.7 Sensoren und Detektoren .............. 228
13.8 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 13 ................................. 229
LERNFELD 7: Chromatographische Untersuchungen
14 Chromatografische Verfahren 230
LERNFELD 8: Präparative Arbeiten – Organische Verbindungen
15 Allgemeine organische Chemie 256
14.1 Ziel, Prinzip und Grundtypen derChromatografie ............................... 230
14.2 Chromatografie mithilfe von Trennsäulen ..................................... 230
14.2.1 Klassische Flüssigchromatografie .... 23014.2.2 Adsorptionschromatografie ............... 23114.2.3 Verteilungschromatografie ................ 235
14.3 Einteilung der chromatografischen Verfahren ......................................... 236
14.4 Anwendung chromatografischer Verfahren ......................................... 237
14.5 Einige weitere allgemeine Grund-lagen ................................................ 238
14.6 Gaschromatografie GC .................. 240
14.7 Hochleistungsflüssigkeits-chromatgrafie HPLC ....................... 244
15.1 Zum Begriff „Organische Chemie“ 256
15.2 Bindungen des Kohlenstoffs mit einwertigen Elementen ................... 256
15.3 Bindungen zwischen Kohlenstoff-atomen ............................................. 256
15.4 Allgemeine Eigenschaften organischer Stoffe .......................... 260
15.5 Organische Reaktionstypen und -mechanismen ................................. 261
15.6 Bestimmung der Oxidationszahlendes Kohlenstoffs in organischen Verbindungen .................................. 264
15.7 Nomenklaturregeln für alipha-tische Kohlenwasserstoffe und deren Derivate ................................. 265
14.8 Papierchromatografie PC ............... 249
14.9 Dünnschichtchromatografie DC .... 250
14.10 Weitere chromatografische Verfahren im Überblick ................... 252
14.10.1 Gelchromatografie ............................ 25214.10.2 Ionenchromatografie ......................... 25214.10.3 Elektrophorese .................................. 254
14.11 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 14 ................................. 255
16.1 Aliphatische oder alicyclische Kohlenwasserstoffe ........................ 267
16.1.1 Alkane oder Paraffine ....................... 26716.1.2 Isomerie ............................................ 27016.1.3 Alkene oder Olefine .......................... 27216.1.4 Polyene ............................................. 27516.1.5 Alkine oder Acetylene ....................... 27616.1.6 Alicyclische Verbindungen –
Cycloalkane oder Naphthene ........... 278
16 Organische Verbin-dungen 267
Inhaltsverzeichnis
8
16.1.7 Aufgaben zur Wiederholung von Kapitel 15 und Abschnitt 16.1 .... 279
16.2 Derivate aliphatischer Kohlen-wasserstoffe .................................... 280
16.2.1 Halogenverbindungen der Kohlen-wasserstoffe ...................................... 280
16.2.2 Nitroalkane ........................................ 28216.2.3 Amine ................................................ 28316.2.4 Alkanole oder Alkohole ..................... 28416.2.5 Alkanale oder Aldehyde .................... 28716.2.6 Alkanone oder Ketone ...................... 28916.2.7 Ether ................................................. 29016.2.8 Carbonsäuren ................................... 29116.2.9 Substituierte Carbonsäuren .............. 29416.2.10 Derivate der Carbonsäuren .............. 29416.2.11 Natürliche Fette und Öle –
Fetthärtung und Fettspaltung ............ 29616.2.12 Seifen und synthetische Wasch-
mittel – Tenside ................................. 29716.2.13 Kohlenhydrate ................................... 29916.2.14 Optische Isomerie oder Spiegelbild-
Isomerie ............................................ 30316.2.15 a-Aminosäuren und Eiweiße ............ 30516.2.16 Aufgaben zur Wiederholung
der Abschnitte 16.2.1 bis 16.2.16 ..... 308
16.3 Aromatische Kohlenwasserstoffe oder Arene ....................................... 309
16.3.1 Benzen (Benzol) ............................... 30916.3.2 Weitere aromatische Kohlenwasser-
stoffe ................................................. 31016.3.3 Einige Nomenklaturregeln für
aromatische Verbindungen ............... 31116.3.4 Einfachsubstituierung –
elektrophile Substitution .................... 31216.3.5 Mehrfachsubstituierung .................... 313
16.4 Derivate aromatischer Kohlen-wasserstoffe .................................... 315
16.4.1 Halogenderivate der Arene ............... 31516.4.2 Aromatische Sulfonsäuren ................ 31616.4.3 Phenole ............................................. 31616.4.4 Aromatische Alkohole ....................... 31916.4.5 Aromatische Aldehyde ...................... 31916.4.6 Aromatische Ketone ......................... 32016.4.7 Aromatische Carbonsäuren .............. 32016.4.8 Aromatische Nitroverbindungen ....... 32216.4.9 Aromatische Amine ........................... 32216.4.10 Aromatische Diazoverbindungen ...... 32416.4.11 Farbstoffe .......................................... 324
16.5 Terpene und Steroide ..................... 325
16.6 Heterocyclische Verbindungen ..... 326
16.7 Aufgaben zur Wiederholung der Abschnitte 16.3.1 bis 16.6 ....... 328
Anhang
A Einige Grundregeln für den Umgang mit Chemikalien im Labor ........................................... 329
B Verhalten bei Notfällen und erste Hilfe ........................................ 330
C Gefahrenhinweise ........................... 331R-Sätze ............................................. 331S-Sätze ............................................. 332E-Sätze ............................................. 333
D Gesetze und Verordnungen ........... 334
E Gefahrstoffe ..................................... 335
Sachwortverzeichnis ....................... 339
Bildquellenverzeichnis ....................... 351
Verwendete Formelzeichen............. 352
Periodensystem der Elemente(Ausschlagtafel) .............. nach Seite 352
Das vorliegende Werk wurde auf der Grund-lage der neuen amtlichen Rechtschreib-regelung, die am 1. August 2006 in Kraft getreten ist, erstellt.
LF1
Au
fgab
e Beobachten Sie Wetterabläufe, die Bewe-gungen auf einer Straße, Vorgänge im Haus-halt u. a. und nennen Sie Prozesse, die ohne Stoffänderungen vor sich gehen.
9
1 Chemie und Physik
1.1 Chemie – Physik – StoffeChemie und Physik sind exakte Naturwissenschaf-ten, deren Ziele sich auf natürliche Erscheinungenin der Umwelt des Menschen richten. Beide Wis-senschaften untersuchen Gegenstände und Zu-stände der Materie, d. h. Stoffe, Energien und Fel-der (elektrische Felder, magnetische Felder, Gravi-tationsfelder u. a.). Daraus ergibt sich, dass die Arbeitsgebiete beider Wissenschaften nicht scharfvoneinander abgrenzbar sind und eine Definitionder Wissenschaftsgegenstände immer „Unschär-fen“ enthält. Die Physik wendet sich stärker der Erforschung,Messung und mathematischen Beschreibung derMateriefelder zu, die Chemie den Stoffen.
Stoffe bestehen aus Teilchen. Sie besitzen eineMasse, ein Volumen und einen bestimmten Auf-bau, eine Struktur. Zwischen den Teilchen wir-ken Anziehungs- und/oder Abstoßungskräfte.
Physikalische Vorgänge äußern sich in Zu-stands- bzw. Energieänderungen. Dabei tretenkeine bleibenden stofflichen Veränderungen ein.
Es ist dabei zu unterscheiden: • zwischen der Teilchenstruktur (z.B. Atombau, Mo-
lekülaufbau) und dem Stoffaufbau aus vielen Teil-chen (z.B. Kristallaufbau);
• zwischen der Masse eines Teilchens und einerwägbaren Stoffportion mit der Masse m;
• zwischen dem Volumen eines Teilchens (z. B.Atomvolumen) und dem Volumen V einer größe-ren Menge von Teilchen.
1.2 Physik und physikalischer Vorgang
Die Physik beschäftigt sich vorrangig mit Zustands-änderungen von Stoffen, bei denen die Stoffzu-sammensetzung erhalten bleibt. Zustandsände-rungen vollziehen sich unter Einwirkung von Ener-gie. Sie äußern sich beispielsweise in Änderungendes Aggregatzustandes (fest, flüssig, gasförmig).Deshalb wird die Physik auch als Wissenschaft vonder Energie und deren Umwandlungen bezeichnet.
Physik und Chemie untersuchen den Aufbau unddas Verhalten der unbelebten Natur. Die Unter-schiede beider Wissenschaftsgebiete zeigen sich,wenn man den physikalischen und den chemischenVorgang kennzeichnet:
1.3 Änderungen des Aggregat-zustandes als Beispiel fürphysikalische Vorgänge
Für die meisten festen Stoffe gilt, dass sie durchEnergiezufuhr, d. h. durch Erwärmen geschmolzenund verdampft werden können. Dazu muss amSchmelzpunkt (-temperatur) SmT oder Fp. (vonFixpunkt) die Schmelzwärme und am Siedepunkt (-temperatur) SdT oder Kp. (von Kochpunkt) dieVerdampfungswärme aufgebracht werden. DieÄnderungen des Wassers beim Erwärmen lassensich wie folgt formulieren:
Schmelzen:H2O + 0,334 kJ ·g–1 0°C; 101,325kPa H2OEis, Wasser,fest flüssig
Verdampfen:H2O + 2,259 kJ ·g–1 100°C; 101,325kPa H2OWasser, Wasser-flüssig dampf,
gasförmig
→
→
Die zum Schmelzen bzw. zum Verdampfen von je-weils einem Gramm Eis bzw. Wasser benötigtenWärmemengen werden als spezifische Schmelz-bzw. spezifische Verdampfungswärme bezeich-net.
Bei der Abkühlung von Wasserdampf unter dieKondensationstemperatur, die bei gleichemDruck der Siedetemperatur entspricht, kondensierter wieder zu flüssigem Wasser. Ebenso erstarrt dasWasser beim Unterschreiten der Kristallisations-oder Erstarrungstemperatur, die bei gleichemDruck der Schmelztemperatur entspricht. Die zumSchmelzen bzw. Verdampfen notwendigen Wärme-mengen werden bei der Abkühlung wieder als Kon-densations- bzw. als Erstarrungs- oder Kristalli-sationswärme frei. Die Beträge sind gleich groß.Darin äußert sich das Gesetz von der Erhaltungder Energie. Zugeführte Wärmemengen erhaltenein positives (Energiezuwachs), abgegebene Wär-memengen erhalten ein negatives Vorzeichen(Energieverlust).
Au
fgab
e
1 Chemie und Physik
10
LF1Die Gleichungen für die Vorgänge lauten somit:
Kondensieren:H2O – 2,259kJ ·g–1 100°C; 101,325kPa H2ODampf, Wasser,gasförmig flüssig
Kristallisieren, Erstarren:
H2O + 0,334kJ ·g–1 0 °C; 101,325kPa H2OWasser, Eis,flüssig fest
→
→
Die Vorgänge beim Erwärmen und beim Ab-kühlen von Wasser verlaufen unter gleichen Bedingungen reversibel (umkehrbar, ohne blei-bende Veränderung).
Alle Stoffe, die bis über die Schmelz- bzw. Ver-dampfungstemperatur thermisch stabil sind, d. h.sich nicht zersetzen, zeigen solch reversible Ände-rungen des Aggregatzustandes (Abb. 1-1).
flüssig
(geschmolzen)fest
gasförmig
(dampfförmig)
Schmelzen
Subl
imie
ren
Verdampfen
Erstarren(Kristallisieren)
Reife
n(R
esub
limie
ren)
Kondensieren
Abb.1-1Mögliche Übergänge zwischen den Zustandsformeneines Stoffes
Aggregatzustände können auch „übersprungen“werden. Aus Schwefeldampf bildet sich beim Ab-kühlen fester Schwefel („Schwefelblüte“). Bei Tem-peraturen unterhalb des Gefrierpunktes und hoherLuftfeuchtigkeit kann der Übergang von Wasser-dampf in Eis beobachtet werden (Reifen). Bei man-chen Stoffen und bei niedrigem Druck sind auch Änderungen vom festen in den dampfförmigen Zustand möglich (Sublimation, Abb. 1-2).
Beispiele dafür sind das Sublimieren von Eis oderdas zum Verspiegeln genutzte Sublimieren von Alu-minium im Vakuum.
Glasplatte
resublimiertes Iod
dampfförmiges Iod
Iodkristalle
Abb. 1-2Sublimation und Reifen (Resublimieren) von Iod
Versuch
Erwärmen Sie einige Iodkristalle wiein Abb. 1-2 angegeben. BeobachtenSie die Entstehung und Abkühlungdes Ioddampfes. Abzug! R 23, S 23
Xn
Mindergiftig(Gesundheits-
schädlich)
Abb. 1-3, Seite 11, zeigt die Möglichkeiten der Än-derung von Aggregatzuständen am Beispiel desWassers. Der Übersicht 1-1, Seite 11, sind für eini-ge technisch bedeutsame Metalle Schmelz- undSiedetemperaturen sowie die spezifischen Wär-memengen zu entnehmen.
Stellen Sie für die Änderungen der Aggre-gatzustände beim Erwärmen und Abkühlenvon Aluminium Gleichungen auf, wie das fürWasser geschehen ist.
Bei allen genannten Vorgängen ändert sich die Zu-sammensetzung der Stoffe nicht. Wasser ist in al-len Aggregatzuständen die gleiche Verbindung H2O.Der Stoff und seine Eigenschaften bleiben bei phy-sikalischen Vorgängen erhalten. Zu den physikali-schen Eigenschaften (Merkmalen) eines Stoffeszählt man: Schmelz- und Siedetemperatur, Dichte,Aggregatzustände in Abhängigkeit von Druck undTemperatur, elektrische und Wärmeleitfähigkeit,magnetisches Verhalten, Härte und Festigkeit.
1.4 Chemie und chemischer Vorgang
11
LF1
Dampf
Sieden,Verdampfen
Konden-sieren
Schmelzen Erstarren oderKristallisieren
Eis
Reifen Sublimieren
gasförmig (Dampf)
flüssig (Schmelze)
fest
Siede-temperatur
Kondensations-temperatur
Schmelz-temperatur
Erstarrungs- oderKristallisationstemperatur
0
20
40
60
80
100
Bezeichnung der Temperaturen für dieÄnderung der Aggregatzustände
Wasser
Abb. 1-3 Änderungen des Aggregatzustandes am Beispiel von Wasser H2O (bei p = 101,325 kPa)
Physikalische Konstanten von Metallen
Stoff Schmelz-temperatur qm
in °C
spezifische Schmelz- bzw. Kristallisationswärme in kJ · g–1
Siede-temperatur q b
in °C
spezifische Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme in kJ · g–1
Na
Al
Cu
Fe
W
97,7
660,2
1083
1539
3410
0,115
0,418
0,204
0,278
0,192
881
~2330
~2595
~3070
~5700
4,48
10,48
4,87
6,338
4,346
Übersicht 1-1
1.4 Chemie und chemischer Vorgang
Die Chemie ist die Wissenschaft von den Stoffenund den stofflichen Veränderungen, die sich beichemischen Vorgängen einstellen. Sie erforscht denAufbau (Struktur), die Zusammensetzung (Be-standteile), die Eigenschaften und die Darstellung(Herstellung, Erzeugung) von Stoffen. Im Zentrumchemischer Untersuchungen stehen die chemi-schen Vorgänge sowie die Bedingungen und Ge-setzmäßigkeiten, nach denen sich diese Prozessevollziehen.
Chemische Vorgänge können in vielfältiger Formablaufen, wie die folgenden Beispiele zeigen:
a) aus Elementen entstehen Verbindungen, z. B.bei der Verbrennung von Magnesium:2 Mg + O2 → 2 MgOMagnesium Sauerstoff Magnesiumoxid
b) Verbindungen wandeln sich in andere Verbin-dungen um, z. B. beim Abbinden von Kalkmör-tel:Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2OLöschkalk Kohlen- Calcium- Wasser
stoffdioxid carbonat
c) Verbindungen zerfallen in Elemente, z. B. beimErhitzen von Quecksilberoxid:2 HgO → 2 Hg + O2Queck- Queck- Sauerstoffsilberoxid silber
d) Verbindungen gehen in einfachere Verbindun-gen über, z.B. beim Erhitzen von Kalkstein oderAmmoniumchlorid (thermische Zerlegung):CaCO3 r CaO + CO2Calcium- Calciumoxid, Kohlenstoff-carbonat, Branntkalk dioxidKalkstein
NH4Cl r NH3 + HClAmmonium- Ammoniak Chlorwasserstoffchlorid Hydrogenchlorid
Au
fgab
e
1 Chemie und Physik
12
LF1Versuche
O
Brandfördernd
1. Ein kleines Stück Magnesiumbandwird mit der Tiegelzange in die hei-ße Bunsenbrennerflamme gehaltenund entzündet. Beschreiben Sieden Prozess und das Produkt! Vorsicht! (Abb. 1-4)
Mg
Abb. 1-4
C
Ätzend
2. Auf trockenen Löschkalk (Calcium-hydroxid), der sich in einem Rea-genzglas oder Erlenmeyerkolbenbefindet, wird trockenes Kohlen-stoffdioxid geleitet. Beobachtungen? (Abb. 1-5)
CO2
verd. HCl
MarmorCaCO3
CO2LöschkalkCa(OH)2
Abb. 1-5
C
Ätzend
3. Eine Spatelspitze Quecksilberoxidwird in einem Reagenzglas stark er-hitzt. Beobachtung?Halten Sie in die Öffnung des Rea-genzglases einen glühenden Holz-span. Beobachtung? (Das benutzte Reagenzglas istSondermüll!) (Abb. 1-6)
glimmenderHolzspan
HgO
Abb. 1-6
Schutz-brille!
Cobalt-glas!
R 7, S 30
R 34,S 24/26
Lehrer-versuch
Abzug!
R 26/28,S 60
Den Aufbau neuer Verbindungen aus einfachenStoffen bezeichnet man als Synthese (Beispiel a,Seite 11), die Zerlegung einer Verbindung in weni-ger kompliziert zusammengesetzte Stoffe als Ana-lyse (Beispiel c, Seite 11).
Alle Prozesse, bei denen sich ein oder mehre-re Ausgangsstoffe in andere Stoffe (Reaktions-produkte) mit neuen Eigenschaften umwandeln,sind chemische Vorgänge (chemische Reaktio-nen, chemische Prozesse). Die Ausgangsstof-fe nennt man Edukte oder Reaktanden, die End-stoffe Produkte.
chemische ReaktionEdukte → ProdukteEigenschaften Eigenschaftender Edukte der Produkte
Welche Vorgänge im Verbrennungsmotorsind physikalische bzw. chemische Prozes-se?
1.5 Chemische EigenschaftenChemische Eigenschaften sind Reaktions-merkmale, die ein Stoff besitzt und durch die ersich von anderen Stoffen unterscheidet.
Diese Merkmale können äußerlich erkennbar, sinn-lich wahrnehmbar sein (Geruch, Aussehen wie Far-be, Glanz usw.). Weitaus häufiger äußern sich diechemischen Eigenschaften erst beim Ablauf che-mischer Vorgänge, z. B. beim Verbrennen, bei derReaktion mit Säuren oder anderen Stoffen usw.Eigenschaften müssen auch herangezogen wer-den, um Stoffe zu identifizieren. Der salmiakartigeGeruch von Ammoniak charakterisiert den Stoff derZusammensetzung NH3. Der stechend säuerlicheGeruch von Chlorwasserstoff (Salzsäure-Gas) istkennzeichnend für HCl, reicht jedoch allein nicht fürdie Identifizierung aus, da der Geruch des ebenfallsfarblosen Schwefeldioxids sehr ähnlich ist. Erst dieUntersuchung weiterer Eigenschaften, wie z.B. dasVerhalten des Gases in Gegenwart von Wasser-dampf, können die Vermutungen bestätigen. Im Fal-le von Salzsäure-Gas bilden sich auf Grund derwasseranziehenden Eigenschaft oder Hygrosko-pie des Gases so genannte „Salzsäurenebel“. Auchdie Farbe allein genügt als Merkmal nicht für eineIdentifizierung. Beispielsweise zeigen sowohl Gold,einige Messinge (Kupfer-Zink-Legierungen) alsauch Verschleißschutzschichten aus TitannitridGoldfarbe. Erst das Verhalten der Stoffe bei che-
Die Gleichungen zu den Versuchen bringen zumAusdruck, dass sich die Stoff- bzw. Teilchenart injedem Fall ändert.
1.7 Internationales Einheitensystem – SI-Einheiten
13
LF1mischen Vorgängen lässt die Unterscheidung zu:Gold(-legierungen) wird von konzentrierter Salpe-tersäure nicht angegriffen, wohl aber Messing.Titannitrid wird von konzentrierter heißer KalilaugeKOH chemisch zu Ammoniak NH3 umgewandelt.Gold lässt sich nur durch ein Gemisch aus 3 Tei-len konzentrierter Salzsäure und 1 Teil konzen-trierter Salpetersäure (Königswasser) chemisch auf-lösen (Abb. 1-7).
Um welchen Stoff handelt es sich?
a)
b)
c)
+ HNO3, konz.
=keine Reaktion … Gold oder Titannitrid
+ HNO3, konz.
=braune Dämpfe (NO2) und blaue Lösung … Messing
+ heiße KOH, konz.
=NH3-Geruch … Titannitrid
+ 3 Teile HCl, konz. + 1 Teil HNO3, konz.
=braune Lösung … Gold
Abb. 1-7Unterscheidung von gleichartig aussehenden Stoffen(a = Gold, b = Titannitrid, c = Messing) auf Grundunterschiedlicher chemischer Eigenschaften
Chemische Eigenschaften geben somit auch an,wie sich ein Stoff verhält, wenn andere Stoffe oder/
SI-Einheiten – die 7 Basisgrößen des „Systeme International d’Unites“
BasisgrößeSymbol
Basiseinheit Name Zeichen
häufig verwendete dezimale Teile oder Vielfache
Länge l
Masse mZeit telektrische Stromstärke I
thermodynamische Temperatur T
Lichtstärke Iv
Stoffmenge n
Meter m
Kilogramm kg
Sekunde s
Ampere A
Kelvin K
Candela cd
Mol mol
cm, mm, mm, nm
g, mg, mg
ms, min, h
mA
mmol
Übersicht 1-2
und Energie in Form von Wärme, Licht, radioak-tiver Strahlung o. a. auf ihn einwirken. Wenn sichbeispielsweise ein Metall an der Luft mit Sauerstoffverbindet, so ist es oxidierbar bzw. nicht oxida-tionsbeständig (korrodierbar oder nicht korrosions-beständig). Reagiert ein Metall mit einer Säure un-ter Wasserstoffentwicklung, so ist es nicht säure-beständig oder säurelöslich.
1.6 Änderung von Eigen-schaften als Merkmale füreinen chemischen Vorgang
Allgemein ergibt sich aus einer Veränderung vonStoffeigenschaften, dass ein chemischer Vorgangabgelaufen ist. Verschiedene Begleiterscheinungendeuten auf eine Reaktion hin, z.B.– Entstehung eines Niederschlags (Veränderung
der Löslichkeit)– Farbänderung, Änderung des Glanzes (Refle-
xion)– Veränderung von Schmelz- und Siedetempera-
tur (Erstarrungs- und Kondensationstemperatur)– Veränderung der Dichte– Geruchs- und Geschmacksänderung (Vorsicht!)– Entweichen eines Gases– Änderung der Kristallform– Veränderung von Härte, Festigkeit, Sprödigkeit,
Wärmeleitfähigkeit, elektrischer Leitfähigkeit– Freisetzen von Wärmeenergie oder Aufnahme
(Binden) von Wärmeenergie
1.7 Internationales Einheiten-system – SI-Einheiten
In den Naturwissenschaften und in der Technik istdie Verwendung von Größen und Einheiten ge-setzlich vorgeschrieben. Danach unterscheidet man7 Grund- oder Basisgrößen mit deren 7 Basis-einheiten, wie sie in Übersicht 1-2 angegeben sind.
1 Chemie und Physik
14
LF1
Vorsilben für dezimale Vielfache und Teile von Basiseinheiten bzw. Einheiten
Für ein Vielfaches
Name Abkürzung PotenzDeka- da
Hekto- h
Kilo- k
Mega- M
Giga- G
Tera- T
101
102
103
106
109
1012
10–1
10–2
10–3
10–6
10–9
10–12
Für ein Teil
Name AbkürzungDezi- d
Zenti- c
MiIli- m
Mikro- mNano- n
Piko- p
Übersicht 1-3
Basiseinheiten und abgeleitete Einheiten dürfen mitVorsilben als dezimale Vielfache oder dezimale Tei-le angegeben werden (Übersicht 1-3).
Potenz
Abgeleitete SI-Größen (Einheiten)
Abgeleitete Größen Name der Einheit Einheit
Fläche A
Volumen V
Kraft F, Gewichtskraft FG
Druck p
Arbeit W, Energie E, Wärmemenge Q
Leistung P
elektrische Ladung Q
Newton N
Pascal Pa
Joule J
Watt W
Coulomb C
m2
m3
1 N = 1 kg · m · s–2
1 Pa = 1 N · m–2 = 1 kg · m–1 · s–2
1 J = 1 N · m = 1 W · s = 1 kg · m2 · s–2
1 W = 1 J · s–1
1 C = A · s
Übersicht 1-4
Aus den gesetzlich festgelegten Basisgrößen erge-ben sich weitere Größen. Übersicht 1-4 enthält inder Chemie häufig gebrauchte abgeleitete SI-Grö-ßen oder SI-Einheiten, deren Anwendung ebenfallsverbindlich ist.
Von diesen sind alle übrigen Größen und Einheitenabgeleitet (Übersicht 1-4). Eine Basisgröße bzw. davon abgeleitete Größe be-steht aus dem Produkt von Zahlenwert und Basis-einheit: Größe = Zahlenwert · Einheit.
Noch zu finden sind einige veraltete, gesetzlichnicht mehr zugelassene Größen, für die Energie dieKalorie cal (1 cal = 4,19 J) und für den Druck dasbar (1 bar = 105 Pa). Als atomphysikalische SI-Einheit für die Energie darf das Elektronvolt (Syno-nym: Elektronenvolt), Einheit eV, verwendet wer-den: 1 eV = 1,602 · 10–19 J. Extensive physikalische Größen können sich ausTeilgrößen addieren, z.B. Massen, Volumina, Kräf-te: So ergeben sich aus den Massen 100 g + 100 g= 200 g. Intensive physikalische Größen addierensich nicht, z. B. Temperatur, Druck, elektrischeSpannung, Dichte. Beispielsweise entsteht beim
Vereinigen von 2 x 100 ml 50 °C warmem Wassernicht die Temperatur 100 °C!
1.8 Masse und Massebestimmung
Die Masse m eines Stoffes ist eine physikalischeBasisgröße mit der Grundeinheit Kilogramm (Mas-seneinheit: kg).
In der Chemie werden einige Massebegriffe für dasEinzelteilchen und für eine wägbare, makroskopi-sche Teilchenmenge verwendet: • die absolute Atommasse (Masse eines Atoms in
Gramm) liegt zwischen 10–23 und 10–21 g; • die relative Atommasse als Vergleichsmasse
(vgl. Abschnitt 2.2.5); • die absolute Molekülmasse (Masse eines Mole-
küls in Gramm) liegt ebenfalls zwischen 10–23 und10–21 g (ausgenommen die Makromoleküle);
• die relative Molekülmasse als Vergleichsmasse(vgl. Abschnitt 2.2.6);
• die Molmasse (molare Masse, bei Elementenauch atomare Masse), die angibt, in wie vielGramm des Stoffes 6,022 · 1023 Teilchen, also einMol des Stoffes (Einheit g · mol–1) enthalten sind(vgl. Abschnitt 2.2.7).
LF11.8 Masse und Massebestimmung
15
Die Basisgröße Stoffmenge n (veraltet: Molzahloder Anzahl der Mole) ist der Quotient aus der Mas-se m des Stoffes und seiner relativen Atom- oderMolekülmasse M: n = m/M (vgl. Abschnitt 2.2.8).
In der Chemie ist die Verwendung des Begriffs„Gewicht“ als Bezeichnung für eine durch Wägungbestimmte Masse eines Stoffs dem Massebegriffuntergeordnet bzw. kaum üblich, da das Gewicht Geine Gewichtskraft FG = m · g ist. Der Wert der Fall-beschleunigung g ist von der geografischen Lageabhängig, während die Masse m davon unabhän-gig ist.
Die Masse eines Stoffes ist unabhängig von derTemperatur und dem Druck.
Für die Bestimmung der Masse stehen verschie-dene Waagetypen zur Verfügung, die eine unter-schiedliche Wägegenauigkeit zulassen. Die ein-fachsten Präzisionswaagen sind mechanische He-belwaagen, die benutzt werden, wenn es nicht aufhöchste Genauigkeit ankommt, z.B. Substanzen fürprozentuale Lösungen abzuwiegen sind. Sie funk-tionieren nach dem Hebelgesetz:
Kraft x Kraftarm = Last x Lastarm
Bei gleich langen Hebelarmen (Abb. 1-8) ist dieMasse der Massestücke („Gewichtsstücke“) imGleichgewicht gleich der Masse der abzuwägendenSubstanz. Die Massebestimmung durch diese Waa-gen ist somit ein Massevergleich. Dabei ist die aus-gewiesene Belastbarkeit der Hebelarme zu beach-ten, damit es nicht zu deren Verformung kommt!Das mechanische Prinzip dieser Waagen hat denNachteil, dass an gegenseitig bewegten Stellen,z.B. an der Auflage des Wägebalkens oder an derAufhängung der Schalen, Reibungskräfte auftreten,die das Ergebnis leicht verfälschen können. Elektronische Waagen umgehen die Reibung me-chanischer Waagen durch die Auslösung magneti-scher oder elektrischer Kräfte, die durch das Ge-wicht des Wägeguts bewirkt und elektronisch an-gezeigt werden.
Abb.1-8 Hebelwaage
Abb.1-9 Analysenwaage
Analysewaagen sind Feinwaagen hoher Empfind-lichkeit und einer Wägegenauigkeit von ein Zehn-tel Milligramm. Sie sind ebenfalls nach dem Bal-kenprinzip konstruiert und enthalten auf beiden Bal-ken gleiche Massen, sodass der Balken ohne Wä-gegut im Gleichgewicht ist. Die Masse auf demLastarm besteht aus Teilmassen. Nach Auflegendes Wägeguts werden über einen Schaltmecha-nismus so viel Teilmassen abgehoben, bis die Waa-ge wieder im Gleichgewicht ist. Die Masse der ab-genommenen Last (substituierte Teilmassen) istgleich der zu wiegenden Masse. Man bezeichnetdeshalb die Funktionsweise als Substitutionsprin-zip. Abb. 1-9 zeigt eine solche Waage. Mikrowaagen sind ebenfalls elektronische Waagenmit hoher Genauigkeit.
Für das Arbeiten mit Waagen gibt es einige Regeln,die streng eingehalten werden müssen, um eine ho-he Genauigkeit zu erreichen, die z. B. bei der Her-stellung von Lösungen für quantitative Bestimmun-gen oder der Gravimetrie (Gewichtsanalyse) ge-fordert wird: • Waagen müssen in einem besonderen Raum,
dem Wägezimmer, in dem eine gleichmäßigeTemperatur herrschen soll, aufgestellt werden (kei-ne direkte Sonneneinstrahlung).
• Waagen bedürfen einer ständigen Pflege undWartung durch einen Fachbetrieb.
• Die Aufstellung der Waagen wird erschütterungs-frei auf speziellen Wägetischen mit Sandbett undSteinplatte realisiert.
• Die Waagen werden auf dem Wägetisch genauhorizontal justiert (ausgerichtet).
1 Chemie und Physik
16
LF1• Wägeschiffchen/-gläschen werden mit der Pin-
zette in der Mitte des Waagetellers aufgelegt.Waageteile werden nicht mit der Hand berührt,weil Schweiß- und Schmutzteilchen das Ergebnisverfälschen.
• Während der Wägung (und auch während derNichtbenutzung) werden die Gehäusetüren ge-schlossen gehalten, um den Einfluss von Zugluftauszuschalten (bzw. von Staub).
• Das Auflegen und Abnehmen des Wägeguts so-wie der Teilmassen erfolgt ohne Erschütterung imarretierten Zustand.
Elektronische Waagen müssen vor elektrostati-schen und magnetischen Einflüssen geschützt wer-den (z.B. keine elektrischen Geräte oder Magnetein der Nähe der Waage).
Au
fgab
e Verdeutlichen Sie sich, dass es für quan-titative Bestimmungen auf „ein Kristallkorngenau“ ankommt! Wie viele Moleküle sind ineinem winzigen Traubenzuckerkristall derMasse 0,1 mg enthalten? Die Molmasse von Traubenzucker errechnet sich aus derFormel C6H12O6. Welchen Wert aus den voranstehenden Ausführungen benötigenSie für die Berechnung?
1.9 Volumen und Volumenmessung
Das Volumen V ist eine aus der Länge l abgelei-tete Größe: V = l3. Sie gibt an, welchen Raum ei-ne bestimmte Masse eines gasförmigen, flüssigenoder festen Stoffes unter bestimmtem Druck undbestimmter Temperatur einnimmt (Rauminhalt). Eswird als Kubikmeter m3 oder Liter l (auch als L) an-gegeben oder in dezimalen Vielfachen z.B. Hekto-litern hl (bzw. hL) bzw. in dezimalen Teilen z.B. dm3,ml (bzw. mL), vgl. Übersicht 1-3.
Das Volumen gasförmiger, flüssiger und festerStoffe ist abhängig von der Temperatur. Gasvo-lumina sind zusätzlich stark, Flüssigkeitsvolu-mina wenig und Feststoffvolumina praktischnicht vom Druck abhängig.
Stoffe dehnen sich bei Temperaturerhöhung ausund ziehen sich bei sinkender Temperatur wiederzusammen.
Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizienta gibt die Längenänderung Dl von festen Stoffenan, die ein Körper erfährt, wenn seine Temperatursich um DT erhöht. Er liegt in der Größenordnung10– 6/K. In Näherung gilt: Dl/l = a · DT. Je kleiner
der Ausdehnungskoeffizient ist, desto besser ver-trägt ein Stoff schroffe Temperaturänderungen, ohne zerstört zu werden (z.B. Quarzglas; vgl. Über-sicht 1-5).
Der kubische thermische Ausdehnungskoeffi-zient kennzeichnet die Volumenänderung von Ga-sen und Flüssigkeiten. Für ideale Gase beträgt era = 1/273,15 K (vgl. Abschnitt 2-1). Für die meistenStoffe sind die Koeffizienten positiv bei steigenderTemperatur. Einige Stoffe, z.B. Bismut und Gallium,ziehen sich in bestimmten Temperaturbereichen zu-sammen, um sich bei weiterer Erwärmung wiederauszudehnen. Auch flüssiges Wasser verringertnach dem Schmelzen sein Volumen zwischen 0 °Cund 3,98 °C (Dichtemaximum).
Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient aeiniger Stoffe
Aluminium 22,8 · 10–6/K
Eisen 12,3 · 10–6/K
Kupfer 16,5 · 10–6/K
Diamant 1,19 · 10–6/K
Bor 5 · 10–6/K
Quarzglas 4,5 · 10–7/K
Geräteglas 4,8 · 10–6/K
Borsilikatglas (Pyrex® u. a.) 3,2 · 10–6/K
Alumosilikatglas (Supremax) 3,9 · 10–6/K
Übersicht 1-5
Die Volumenmessung wird bei Feststoffen (z.B. füreine Dichtebestimmung) durch Verdrängung einesmessbaren Volumens einer Flüssigkeit, in die derKörper vollständig eintaucht, vorgenommen. Laborgeräte für die Volumenmessung bestehen ausGlas, um Messskalen und Eichstriche erkennen zukönnen. Sie müssen sorgfältig entfettet werden, da-mit die Flüssigkeit gut abfließen kann. Entfettungs-mittel sind Chromschwefelsäure (20 g Kaliumdi-chromat K2Cr3O7 in 80 g konz. H2SO4; rasche oxi-dierende Wirkung auf organische Verunreinigun-gen; stark ätzend!) oder warme 5 %-RBS®-Lösung(alkalisch; längere Einwirkungszeit). Organische Lö-sungsmittel sind weniger geeignet, da ein feinerFettfilm zurückbleiben kann.
Messzylinder und Tropfflaschen sind ungenau inihren Angaben und lassen nur eine gewisse Orien-tierung über Volumina von Flüssigkeiten zu.
Für die exakte Volumenmessung von Flüssigkeitenwerden Pipetten, Büretten und Messkolben be-nutzt. Abb.1-10 zeigt einige oft gebrauchte Geräte.Büretten und Pipetten sind auf Auslauf (Zeichen: Exoder A), Pyknometer und Messkolben auf Einlauf
1.10 Dichtebestimmung
17
LF1
(Zeichen: In oder E) sowie wegen der T-Abhängig-keit des Volumens auf Temperatur, meist 20°C, ge-eicht. Für einen Messkolben von z. B. 100 ml be-deutet das, dass nicht 100 ml entnommen werdenkönnen, weil auch bei guter vorheriger Entfettungdes Kolbens einige Tropfen an der Kolbenwand haf-ten bleiben. Bei einer auf Auslauf geeichten Pipet-te darf der verbleibende Resttropfen nicht ausge-blasen oder abgeschüttelt werden.
Vollpipette25 ml
Messpipette10 ml
Bürettte50 ml
Messkolben250 ml
Bedeutung der Angaben:10 ml NennvolumenAS A: höchste Qualitätsstufe
S: Schnellablauf20 °C JustiertemperaturEx+15s Ex: auf Auslauf geeicht
15s: Wartezeit nach Aus-lauf 15 Sekunden
±0,05 ml Toleranz (maximale Fehlergrenze)
Abb.1-10 Volumenmessgeräte
Au
fgab
e Errechnen Sie, wie viele NaOH-Teilchen ineinem Tropfen enthalten sind, wenn die Lösung 0,1 Mol Natriumhydroxid enthält und20 Tropfen 1 ml ergeben!
Messkolben sind für die Bereitung von Maßlösun-gen für quantitative maßanalytische Arbeiten vor-gesehen (Rauminhalt zwischen 5 ml und 5 l; ge-bräuchlich sind vor allem 50 ml, 100 ml und 1 l).
Abb.1-11 Ablesung der Bürette a) konkaver Meniskus bei benetzender Flüssigkeit b) konvexer Meniskus bei nicht benetzender Flüssig-
keit c) Schellbach-Streifen d) Verhinderung der Parallaxe
Ablesung
Augenhöhe
falscheAblesung
richtigeAblesung
Augenhöhe
Messpipetten gestatten die tropfenweise Entnah-me von kleinen Volumina. Mit der Vollpipette wirdein Gesamtvolumen bereitgestellt. Flüssigkeitenwerden wegen Unfallgefahr niemals mit dem Mundin die Pipetten gesaugt, sondern mithilfe von Pipet-tierhilfen (z. B. mit Gummiball, Peleusball). Mikro-pipetten werden für kleinste Volumina ab 1 ml ver-wendet.
Büretten (manuelle, automatische) gestatten dietropfenweise Entnahme von Flüssigkeiten über einen Hahn bei der Maßanalyse. Die genaue Ab-lesung wird durch den sog. Schellbach-Streifen ander inneren Rückwand des Büretten-Rohres ermög-licht. Er erscheint durch Lichtbrechung im Menis-kus der Flüssigkeit als Spitze. Die Ablesung erfolgtin Augenhöhe, damit kein Parallaxefehler entsteht(Winkelabweichung).
1.10 DichtebestimmungDie Dichte r (rho) ist eine Stoffgröße oder -kon-stante, mit deren Hilfe eine Bestimmung reiner Stof-fe möglich ist. Sie ist als Quotient von Masse durchVolumen mit der Einheit kg ·m–3 bzw. g · cm–3 bzw.bei Gasen g · l–1 definiert:
r = mV
Der Zahlenwert der Dichte ist unabhängig von dergeografischen Lage, aber abhängig von der Tem-peratur, bei Gasen zusätzlich vom Druck. Für Flüs-sigkeiten und feste Stoffe werden die Werte für20 °C angegeben, weil die Geräte für die Bestim-
a) b) c)
d)
1 Chemie und Physik
18
LF1A
ufg
ab
e
Erläutern Sie, wie sich die Dichte der Stoffebei Erhöhung der Temperatur ändert!
Dichten von festen Stoffen und Flüssigkeiten (in g · cm–3 bei 20°C) und Gasen (in g · l–1) unter Normbedingungen
Eis (0 °C) 0,917
Natrium 0,971
Magnesium 1,74
Aluminium 2,702
Eisen 7,87
Quecksilber 13,546
Brom 3,12
Iod 4,93
Wasser (3,98 °C) 1,000
Wasser (20 °C) 0,998
Schwefelsäure, konz. 1,84
Essigsäure, konz. 1,05
Hexan 0,66
Diethylether 0,71
Benzen (-ol) 0,88
Toluen (-ol) 0,866
Wasserstoff 0,089
Helium 0,178
Stickstoff 1,250
Luft 1,293
Sauerstoff 1,429
Kohlenstoffdioxid 1,977
Chlor 3,214
Xenon 5,897
Übersicht 1-6
Daraus ergibt sich die Dichte:
r =mPyk+ Fl – mPyk =
mFl
VPyk VPyk
Aräometer sind auf Dichtebereiche geeicht. Siewerden zur Messung in die Flüssigkeit getaucht unddurch den Auftrieb in Schwebe gehalten. Das Ar-chimedische Prinzip besagt: Ein Körper verliert soviel an Gewicht, wie das von ihm verdrängte Flüs-sigkeitsvolumen wiegt. Die Dichte kann direkt ab-gelesen werden.
Auch bei der MOHR-WESTPHAL’schen Waage wirdder Auftrieb eines geeichten Senkkörpers ausge-nutzt. Zunächst wird die Waage an Luft in dasGleichgewicht gebracht. Nach Eintauchen desSenkkörpers in die zu untersuchende Flüssigkeitstellt sich durch den Auftrieb ein Ungleichgewichtein. Durch Auflegen von Gewichtsreitern auf denLastarm wird wieder ein Gleichgewicht erzeugt. DieDichte kann direkt an der Lage der Reiter auf derSkala des Lastarms abgelesen werden.
Für die Dichtebestimmung fester Stoffe müssenMasse und Volumen gemessen werden. Das Volu-men des Körpers kann durch genaues Ausmessenfestgestellt werden (Messschieber, Mikrometer-Messschraube). Das gelingt nur bei geometrischregelmäßigen Körpern (Würfel usw.). Bei unregel-mäßig geformten Körpern kann das Volumen durchVerdrängen einer Flüssigkeit, die den Stoff nichtlöst, bestimmt werden.
Mit einer hydrostatischen Waage wird die Dichteüber den Auftrieb in Wasser (oder einer anderengeeigneten Flüssigkeit) ermittelt: Zuerst wird durchWägen die Masse des Körpers bestimmt: mStoff. Da-nach wird das Objekt an einem dünnen Faden indas Wasser gehängt (vgl. Abb. 1-12) und erneut dasGleichgewicht zwischen Kraft- und Lastarm herge-stellt. Die Verringerung der Masse zu m Stoff .. istgleich der Masse des verdrängten Wassers mverdr.
Da sich aus r = m/V auch V = m/r ergibt, errech-net sich das Volumen und die Dichte des festenStoffes wie folgt:
VStoff = mStoff – mStoff .. VStoff = m verdr
rWasser rWasser
r Stoff = mStoff · r Wassermverdr.
Das Pyknometer kann ebenfalls für die Dichtebe-stimmung fester Stoffe genutzt werden. Dazu musszunächst das Gefäß (jeweils mit Glasstopfen) leer(mPyk) und danach mit Wasser bekannter Tempe-ratur gefüllt gewogen werden (mPyk +mFl). Die Dif-ferenz ergibt die Masse der Flüssigkeit mFl. Eine
mung auf diese Temperatur geeicht sind. Bei Ga-sen wird die Dichte bei Normbedingungen 0 °Cund 101,325 kPa aufgeführt (vgl. Übersicht 1-6).
Die Dichte von Flüssigkeiten wird durch Wägungund Volumenmessung sowie über den Auftrieb bestimmt. Dafür stehen Pyknometer, Aräometer,Mohr-Westphal’sche Waage und hydrostatischeWaage zur Verfügung.
Das Pyknometer ist eine auf Temperatur und Vo-lumen geeichte Glasflasche mit Glasstopfen, der ei-ne Kapillare besitzt. Es wird bei der Dichtebestim-mung von Flüssigkeiten mit aufgesetztem Stopfenleer (mPyk) und danach mit der zu bestimmendenFlüssigkeit (mPyk+Fl) gewogen. Die Kapillare mussgefüllt sein.
1.11 Bestimmung der Schmelz- und Siedetemperatur
19
LF1
10ml20°C
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,92,0
b) Aräometer
a) Pyknometer
c) Mohr-Westphal’sche Waage
Abb. 1-12 Geräte für die Dichtebestimmung
Auch bei dieser Methode muss die Unlöslichkeit inWasser beachtet werden. Bei anderer geeigneterFlüssigkeit ist entsprechend deren Dichte zu wäh-len.
1.11 Bestimmung der Schmelz-und Siedetemperatur
Ein reiner Stoff besitzt – wenn er nicht thermischzerstört wird – eine konstante SchmelztemperaturSmT (-punkt qm [m für engl. melting = schmelzen],Fixpunkt Fp) und Siedetemperatur SdT (-punktqb [b für engl. boiling = verdampfen], Kochpunktqb) als Stoffkonstanten. Bei diesen Temperaturengeht der feste Stoff in den flüssigen sowie der flüs-sige Stoff in den dampfförmigen Zustand über (wiebereits im Abschnitt 1.2 beschrieben wurde). DieseÄnderungen des Aggregatzustands erfolgen unterEnergieaufnahme (bzw. unter Energieabgabe beider Abkühlung des Stoffes).
Siede- und Schmelztemperatur sind für jedesElement und jede Verbindung charakteristischund können somit zur Stoffidentifizierung die-nen.
Die Schmelztemperatur hängt von den Kräften zwi-schen den Feststoffteilchen (Gitterkräfte) und dieSiedetemperatur von den Kräften zwischen denFlüssigkeitsteilchen ab (häufig Kohäsionskräfte ge-nannt).Durch thermische Analyse eines Stoffes kann dieSchmelz- oder die Siedetemperatur bestimmt wer-den. Hierzu wird eine bestimmte Stoffmenge lang-sam erwärmt und dabei die Temperatur kontinuier-lich alle 30 Sekunden mit einem Temperaturmess-gerät gemessen. Die Temperatur wird über der Zeitin einem Diagramm aufgetragen (T-t-Diagramm).Zunächst wird die Temperatur kontinuierlich stei-gen, um bei der Schmelztemperatur so lange kon-stant zu bleiben, bis der Stoff aufgeschmolzen ist(Abb. 1-13a + b). Danach steigt mit weiterer Er-wärmung wieder die Temperatur der Schmelze. Die thermische Analyse eignet sich vor allem für etwas größere Stoffportionen und z.B. für die Me-talle.
dritte Wägung erfolgt mit dem zu bestimmendenfesten Stoff im leeren, trockenen Pyknometer undergibt: mStoff + Pyk. Danach wird Wasser (oder eineandere geeignete Flüssigkeit) aufgefüllt, der Stop-fen aufgesetzt, sodass die Kapillare genau gefülltist, und erneut gewogen: mStoff +Pyk+Fl... Die Dichtedes festen Stoffes ergibt sich aus der Gleichung:
rStoff = =
mStoff +Pyk – mPyk · rFl(mFl +Pyk – mPyk) – (m Stoff +Pyk+Fl .. – m Stoff +Pyk)
rStoff = mStoff · rFlmFl – m Fl ..
d) Hydro-statischeWaage
Heißlöt-stelle
Tiegel
Ofen
Temperatur-messgerät
Kaltlötstellen
Eiswasser
Dewargefäß
Abb. 1-13a Thermische Analyse
1 Chemie und Physik
20
LF1
Zeit tTe
mp
erat
ur T
qb
qm
f.
fl.
g.
Schmelzen
Sieden
Zeit t
Tem
per
atur T
qm
Zeit t
Tem
per
atur T
qm
DT
Zeit t
Tem
per
atur T
qm
Abb. 1-13b T- t-Diagramm a) beim Erwärmen und Abkühlen b) ohne und c) mit Unterkühlung
Ebenso erhöht sich die Temperatur einer Flüssig-keit beim Erwärmen bis zum Erreichen der Siede-temperatur, bei der die Stoffteilchen bei konstanterTemperatur unter Aufnahme von Wärmeenergie inden Dampfzustand übergehen. Die Siedetempera-tur eines flüssigen Stoffes bestimmt man in einemKochkolben mit einem Thermometer oder beibrennbaren oder sonstigen gefährlichen Stoffen miteiner Destillationsapparatur unter dem Abzug.Für Flüssigkeiten mit niedriger Schmelztempera-tur wird die Erstarrungstemperatur qm (= SmT) ineinem Kühlbad (Kältemischung) unter ständigemRühren gemessen. Beim Abkühlen gehen die Energie- und Zustands-änderungen reversibel vor sich. Dabei kann es beimErreichen der Temperaturkonstanten zu einer kurz-zeitigen Unterkühlung kommen, weil die Keimbil-dung gehemmt ist (vgl. Abschnitt 2.1.4).
Abb. 1-14 Bestimmung der Siedetemperatur und voll-ständiges T- t-Diagramm für das Schmelzen und Sie-den (f: fest, fl: flüssig, g: gasförmig, Dampf)
Für kleine feste Substanzmengen (wenige mg) be-nutzt man z. B. einen Schmelzpunktapparat nachThiele, der zu etwa 2/3 mit Silikonöl (bis ca. 300°Cbrauchbar) oder Paraffinöl (bis ca. 250 °C brauch-bar) gefüllt wird. Der zu untersuchende Stoff wird in
ein einseitig geschlossenes Schmelzröhrchen ge-füllt und direkt neben der Messkugel des Flüssig-keitsthermometers positioniert. Danach wird derSchenkel der Apparatur langsam mit dem Brennererwärmt, mit der Lupe das Aufschmelzen der Sub-stanz beobachtet und die zugehörige Temperaturabgelesen.
Für sehr exakte Messungen werden Schmelz-punktbestimmungsgeräte eingesetzt, die durchMikroprozessoren gesteuert werden und eine Aus-wertung mit PC und Drucker gestatten.
Rührer
Kälte-mischung
Abb. 1-15 Geräte für die Bestimmung der Schmelz-temperatur und Erstarrungstemperatur
Zur Identifizierung des Stoffes, dessen Schmelz-oder Siedetemperatur festgestellt wurde, wird einVergleich mit Tabellenwerten vorgenommen. Da die
a)
b)
c)
