Allgemeine und Anorganische Chemie

971 Pages·2016·83.935 MB·German

by  Michael Binnewies, Maik Finze, Manfred Jäckel, Peer Schmidt, Helge Willner, Geoff Rayner-Canham (auth.)

Michael Binnewies
Maik Finze
Manfred Jäckel
Peer Schmidt
Helge Willner
Geoff Rayner-Canham
Allgemeine
und Anorganische
Chemie
3. Aufl age
Allgemeine und Anorganische Chemie
Michael Binnewies
Maik Finze
Manfred Jäckel
Peer Schmidt
Helge Willner
Geoff Rayner-Canham
Allgemeine und
Anorganische Chemie
3., vollständig überarbeitete Auflage
Maik Finze Helge Willner
Institut für Anorganische Chemie FG Chemie
Julius-Maximilians-Universität Bergische Universität Wuppertal FB C Mathematik
Würzburg, Deutschland und Naturwissenschaften
Wuppertal, Deutschland
Michael Binnewies, Manfred Jäckel
FB Chemie, Inst. Anorganische Chemie Geoff Rayner-Canham
Leibniz Universität Hannover Sir Wilfred Grenfell College
Hannover, Deutschland Memorial University of Newfoundland
Corner Brook, Kanada
Peer Schmidt
Fakultät 2 – Umwelt und Naturwissenschaften
Brandenburgische Technische Universität
Senftenberg, Deutschland
ISBN 978-3-662-45066-6 ISBN 978-3-662-45067-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-45067-3
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Planung: Frank Wigger
Zeichnungen: Martin Lay, Breisach a. Rh.
Einbandabbildung: (Steinsalzkristall/Kristallstruktur) Rudolf Wölki/Rudolf Wartchow, Jörg Mattik
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
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Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Deutschland
Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany
V
Vorwort zur 3. Auflage
In den 10 Jahren seit Erscheinen der ersten Auflage Verlages danken wir für die erfreulich unkompli-
hat sich das nun in der 3. Auflage vorliegende Buch zierte Zusammenarbeit, allen voran Martina Mech-
einen festen Platz unter den einführenden Lehrbü- ler und Frank Wigger.
chern der Allgemeinen und Anorganischen Che-
mie gesichert. Um dies auch für die kommenden Michael Binnewies, Hannover
Jahre zu gewährleisten, wurde das Autorenteam um Maik Finze, Würzburg
zwei jüngere Kollegen erweitert: Prof. Maik Finze Manfred Jäckel, Hannover
und Prof. Peer Schmidt. Peer Schmidt, Senftenberg
Helge Willner, Wuppertal
Die bewährte Gliederung wurde in der 3. Auflage Mai 2016
erhalten, Veränderungen betreffen insbesondere
eine Aktualisierung des Inhalts. So wurde die Hinweise:
Beschreibung großtechnischer Verfahren an den
heutigen Stand der Technik angepasst. Auch die Die ausführlichen Lösungen zu den Übungsaufga-
zunehmende Bedeutung bestimmter seltener Ele- ben am Ende der Kapitel stehen allen Lesern elekt-
mente wie Gallium und Indium für verschiedene ronisch über die Homepage des Verlages (▶ www.
Hightech-Produkte wird eingehender behandelt. springer.com/978-3-662-45066-6) zur Verfügung.
Beispiele für neue Exkurse sind: Rohstoffe für Zu- Dort finden Sie auch etwa 150 Farbfotos von Ele-
kunftstechnologien, Schweißen und Löten, Mag- menten, Laborchemikalien und Mineralien; siehe
netwerkstoffe, Wärmespeicher. die Übersicht im Anschluss an den Index.
Die aktualisierten Nomenklaturempfehlungen der Für Dozenten ist über die Plattform Dozenten-
IUPAC aus dem Jahre 2005 haben einige Ände- Plus der Download sämtlicher Abbildungen und
rungen in der Nomenklatur anorganischer Verbin- Tabellen der 3. Auflage möglich (zum Einsatz in
dungen notwendig gemacht. So wird das früher als der Lehre).
Hexacyanoferrat bekannte Anion heute als Hexa-
cyanidoferrat bezeichnet. Außerdem ist weiterhin ein „Übungsbuch Allge-
meine Chemie“ für Studierende verfügbar (Auto-
Neu sind auch kurze Zusammenfassungen am ren Binnewies, Jäckel, Willner; ISBN 978-3-8274-
Ende der meisten Kapitel. Diese Zusammenfas- 1828-9).
sungen sollen Prüfungsvorbereitungen erleichtern.
Um den Umfang des Buches nicht immer weiter
wachsen zu lassen, wurden manche Textpassagen
gestrafft und andere – aus heutiger Sicht weniger
wichtige – gestrichen.
Hinweise auf weiterhin bestehende Mängel und
Anregungen zu Verbesserungen erreichen uns zu-
verlässig über das Lektorat von Springer Spektrum
([email protected]). Den Mitarbeitern des
VII
Aus dem Vorwort zur 2. Auflage
Die 2004 erschienene erste Auflage dieses Lehrbu-
ches ist überwiegend freundlich und wohlwollend
aufgenommen worden. Bei der Vorbereitung der
Neuauflage ging es deshalb – neben der Beseitigung
kleiner Fehler und Ungereimtheiten – primär um
Aktualisierungen und Verbesserungen in der Dar-
stellung komplexer Zusammenhänge. Eine wich-
tige Orientierungshilfe bot uns die konstruktive
Kritik aus zahlreichen Zuschriften: Sämtliche An-
regungen wurden sorgfältig geprüft und – soweit
sie nicht in gegenläufige Richtungen wiesen – auch
weitgehend umgesetzt.
Hinzugekommen sind eine Reihe von Exkursen zu
fachübergreifenden Themen wie „Ionische Flüssig-
keiten“, „Einlagerungsverbindungen, Gashydrate
und MOFs“, „Moissanit – ein Diamantersatz“, „Bio-
minerale“, „Chemie im Schwimmbad“. Neu sind
auch ein Abschnitt zur Molekülsymmetrie und ein
Exkurs zur Infrarot- und Raman-Spektroskopie in
▶ Kap. 5.
Die übrigen Ergänzungen betreffen sowohl all-
gemein-chemische Grundlagen (z. B. die Berech-
nung von pH-Werten) als auch wichtige Stoffe und
ihre Verwendung. Die erweiterte Neufassung des
Abschnitts „Einführung in die Chemie metallor-
ganischer Verbindungen“ geht wesentlich auf die
Mitarbeit unseres Wuppertaler Kollegen Fabian
Mohr zurück. Ein herzliches Dankeschön dafür an
dieser Stelle.
Den Anregungen mehrerer Kollegen folgend, ha-
ben wir versucht, auch neuere bindungstheoreti-
sche Konzepte zu berücksichtigen. Das betrifft vor
allem die Interpretation der sogenannten Hyper-
valenz im Sinne einer Hyperkoordination unter Er-
haltung des Oktettprinzips, die Hyperkonjugation
und das Problem der relativistischen Effekte. Aufge-
nommen wurde auch eine zeitgemäße Darstellung
zur Abstufung der Orbitalenergien im Rahmen von
▶ Kap. 2.
IX
Vorwort zur 1. Auflage
Allgemeine und Anorganische Chemie bilden ge- Abschnitte und Exkurse sowie die Mehrzahl der
meinsam den Schwerpunkt der Ausbildung in den Übungsaufgaben ohne wesentliche Änderungen
Anfangssemestern chemiebezogener Studiengänge. übernommen werden konnten (ohne diese Basis
Das gilt sowohl für die Diplom-Studiengänge an wäre es uns kaum möglich gewesen, das für Spek-
Universitäten und Fachhochschulen als auch für trum Akademischer Verlag geplante Lehrbuch in
Bachelor-Studiengänge, das Unterrichtsfach Che- einem vertretbaren Zeitrahmen zu realisieren).
mie in Lehramtsstudiengängen und viele „Neben- Unterschiedliche Vorstellungen über das didakti-
fächler“. Ein Lehrbuch für diesen Bereich muss sche Konzept im Bereich der Allgemeinen Chemie
deshalb zunächst eine Brücke schlagen zwischen erforderten jedoch Kürzungen, Umstellungen oder
Schule und weiterführenden Lehrveranstaltungen. größere Ergänzungen. Völlig neu sind die ▶ Kap. 1,
Neben einer praxisgerechten Vertiefung allgemein- 8, 9, 12, 13 sowie die Anhänge A und B. Erhebli-
chemischer Vorkenntnisse gehört dazu auch ein che Erweiterungen im Bereich der Anorganischen
erster Überblick über die Vielfalt anorganischer Chemie betreffen neben der Stoffsystematik ins-
Stoffe sowie eine Auswahl an ausbaufähigen Kon- besondere Reaktionen, die in den Praktika des
zepten, die ein Verständnis für den Zusammenhang Grundstudiums – z. B. in der Analytischen Che-
zwischen Struktur und Eigenschaften ermöglichen. mie – häufig angewendet werden. Hinzugekom-
men sind auch zahlreiche Abschnitte und Exkurse
Aufgrund der heute kaum noch überschaubaren über anorganische Stoffe in Alltag, Technik und
Anzahl anorganischer Verbindungen kann ein Umwelt. Neben Hilfen zum Verständnis grundle-
einführendes Lehrbuch nur exemplarisch vorge- gender Zusammenhänge und der Vermittlung des
hen. Im Mittelpunkt der Kapitel zur Chemie der Basiswissens geht es damit auch um fachübergrei-
Elemente stehen deshalb praxisnahe Beispiele aus fende Aspekte und Beiträge zu einer „chemischen
Labor und Technik. Besonders berücksichtigt wer- Allgemeinbildung“.
den auch die wichtigsten Laborreagenzien und ihr
Verhalten in wässeriger Lösung. Einblicke in die Wir hoffen, dass sich das Lehrbuch – trotz (oder
Systematik anorganischer Stoffe geben die relativ gerade wegen) der Fülle des Materials – auch dann
kurzen Abschnitte zur Chemie wichtiger Stoffklas- bewährt, wenn enger begrenzte Ziele im Vorder-
sen. Gelegentlich werden auch interessante neuere grund stehen:
-
Forschungsergebnisse aufgenommen.
Verständnis für das Reaktionsverhalten ein-
-
Zahlreiche Exkurse ergänzen die Darstellung zelner Stoffe
grundlegender Inhalte der Allgemeinen und Anor- Sicherung von Basiswissen bzw. Vertiefung im
ganischen Chemie. Sie beziehen sich überwiegend Bereich grundlegender Konzepte der Allge-
auf wichtige Untersuchungsmethoden (z. B. NMR- meinen Chemie (z. B. für die Vorbereitung auf
-
Spektroskopie), Umweltaspekte (z. B. Luftschad- Klausuren)
stoffe), Chemie in Natur, Alltag und Technik (z. B. Überblick über die Chemie einzelner Ele-
Tropfsteinhöhlen, Wasserhärte, Laser, Lichtwel- mente und die praktische Bedeutung der
lenleiter) oder historische Zusammenhänge (z. B. wichtigsten Verbindungen (z. B. für die Vor-
Entdeckung der Fullerene). Zusätzlich gefördert bereitung auf eine Prüfung)
wird der Blick über den Tellerrand hinaus durch
Abschnitte zu Biologischen Aspekten am Ende der Übungsaufgaben am Ende der einzelnen Kapitel
meisten Kapitel. sollen helfen, Sicherheit im Umgang mit Regeln
und Gesetzmäßigkeiten zu erreichen und den Lern-
Der vorliegende Lehrbuchtext ist eine stark erwei- erfolg zu kontrollieren. Die ausführlichen Lösun-
terte Bearbeitung des 2000 in 2. Auflage (bei Free- gen der Aufgaben sind über die Internet-Adresse
man, New York) erschienenen Titels Descriptive ▶ www.spektrum-verlag.de/binnewies abrufbar.
Inorganic Chemistry von Geoff Rayner-Canham.
Das dort realisierte Konzept entsprach in vielen Die Ausbildung im Bereich der Allgemeinen und
Punkten unserer Vorplanung, sodass zahlreiche Anorganischen Chemie ist keineswegs einheitlich
X Vorwort zur 1. Auflage
strukturiert; Unterschiede in Auswahl und Ge- Uwe Lins kritisch durchgesehen. Rudolf Wartchow
wichtung der Themen kommen hinzu. Die Ka- und Jörg Mattik erstellten die überwiegende Mehr-
pitel dieses Buches sind deshalb in der Regel so zahl der Kristallstruktur-Darstellungen. Die Reak-
aufgebaut, dass sie – einige Grundlagenkenntnisse tionsschemata am Ende der Kapitel gestaltete Herr
vorausgesetzt – in nahezu beliebiger Abfolge ver- Dr. Stefan von Ahsen, Universität Duisburg.
wendbar sind (einzelne weiterführende Abschnitte
müssen dabei ggf. übersprungen werden). Eine wichtige Arbeitsgrundlage bildete die von
Saskya Speer, Heiko Strugalla und Peter Ripplinger
Um die Haupttexte zu entlasten, werden Kurztexte im Auftrag des Verlags angefertigte Übersetzung
mit Beispielen, fachlichen Vertiefungen und Zu- von Geoff Rayner-Canhams Descriptive Inorganic
satzinformationen verschiedenster Art häufig in Chemistry. Thomas Burchardt, Sebastian Mros und
der Randspalte platziert. Bei den dort zu findenden Gunnar Söhlke haben dann später die Texterwei-
Kurzbiographien wichtiger Wissenschaftler sind le- terungen und vielfachen Korrekturen elektronisch
bende Forscher nur aufgenommen, wenn sie mit erfasst. Zahlreiche Verbesserungen im Einzelnen
dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden. steuerte Frau Dr. Angela Simeon als Außenlekto-
rin bei. Sie verfasste auch die Randnotizen mit bio-
Die als Anhänge A und B aufgenommenen ergän- graphischen Angaben zu den im Text erwähnten
zenden Kapitel erläutern einige grundlegende Be- Wissenschaftlern.
griffe und elementare Zusammenhänge aus Physik
und Mathematik. Diese kurzen Texte sollen Studi- Allen Beteiligten sagen wir an dieser Stelle ein
enanfängern helfen, Vorkenntnisse aufzufrischen, herzliches Dankeschön. Unser Dank gilt auch den
und ihnen so den Start in die Chemie erleichtern. Mitarbeitern des Verlags für die konstruktive Zu-
sammenarbeit, insbesondere unseren ständigen
Der Anhang C enthält eine umfangreiche, mit Ansprechpartnern Martina Mechler und Frank
Sorgfalt zusammengetragene Datensammlung mit Wigger. Wenn trotz professioneller Hilfe bei der
physikalisch-chemischen Größen zahlreicher Stoffe Einarbeitung der Korrekturen gelegentlich ein Feh-
und Teilchenarten. Weitere Orientierungshilfen ler, eine Unklarheit oder eine allzu grobe Vereinfa-
bieten das Glossar und Hinweise auf weiterfüh- chung übersehen wurde, bleibt die Verantwortung
rende Literatur. bei uns. Hinweise auf wünschenswerte Verbesse-
rungen sind uns jederzeit willkommen.
Ergänzt wird das Lehrbuch durch die beiliegende
CD-ROM. Sie enthält sämtliche Abbildungen und Michael Binnewies
Tabellen des Lehrbuchs (in bearbeitbarer Form). Manfred Jäckel
Zahlreiche Aufnahmen von Mineralien und (farbi- Helge Willner
gen) Chemikalien vermitteln ästhetische Eindrücke Hannover bzw. Wuppertal
und helfen auch, wichtige Lerninhalte aus der Welt September 2003
der Stoffe bildhaft in Erinnerung zu behalten. Die
Fotos der Mineralien (aus der Sammlung des Ins-
tituts für Mineralogie der Universität Hannover)
verdanken wir Rudolf Wölki. Die meisten übrigen
Aufnahmen stammen von Herrn Dr. Zimmer-
mann, Universität Duisburg. Die CD-Applikation
wurde von Alexander Willner entwickelt.
Eine ganze Reihe von Personen haben durch ihr
wohlwollendes Interesse und zahlreiche Hinweise,
Ratschläge und Hilfestellungen die Erarbeitung des
Lehrbuches entscheidend gefördert. So wurden
beispielsweise einzelne Kapitel von den Kollegen
Peter Behrens, Dietrich Feldmann, Hermann Josef
Frohn, Paul Heitjans, Jürgen Janek, Gerhard Holste,
Hartmut Plautz und Werner Urland sowie Herrn
XI
Kurzinhalt
1 Einführung: Regeln und Normen erleichtern die Verständigung .............................1
2 Aufbau der Atome ...............................................................................15
3 Ein Überblick über das Periodensystem .......................................................47
4 Die Ionenbindung ...............................................................................73
5 Die kovalente Bindung ..........................................................................97
6 Die metallische Bindung .......................................................................139
7 Thermodynamik anorganischer Stoffe .......................................................155
8 Reine Stoffe und Zweistoffsysteme ...........................................................181
9 Das chemische Gleichgewicht .................................................................223
10 Säuren und Basen ...............................................................................247
11 Oxidation und Reduktion ......................................................................287
12 Komplexreaktionen ............................................................................323
13 Geschwindigkeit chemischer Reaktionen ....................................................353
14 Wasserstoff ......................................................................................373
15 Die Elemente der Gruppe 1: Die Alkalimetalle ...............................................395
16 Die Elemente der Gruppe 2: Die Erdalkalimetalle ...........................................425
17 Die Elemente der Gruppe 13 ...................................................................451
18 Die Elemente der Gruppe 14: Die Kohlenstoffgruppe (Tetrele) .............................481
19 Die Elemente der Gruppe 15 (Pentele) ........................................................547
20 Die Elemente der Gruppe 16: Die Chalkogene ...............................................615
21 Die Elemente der Gruppe 17: Die Halogene ..................................................663
22 Die Elemente der Gruppe 18: Die Edelgase ...................................................697
23 Einführung in die Chemie der Übergangsmetalle ...........................................709
24 Die Nebengruppenelemente ..................................................................753
XII Kurzinhalt
25 Lanthanoide, Actinoide und verwandte Elemente ..........................................847
26 Anhang A: Einige Grundbegriffe der Physik ..................................................869
27 Anhang B: Mathematische Grundlagen .......................................................891
28 Anhang C: Datensammlung ....................................................................907
Serviceteil .......................................................................................939