Table Of ContentNorbert Kuhn
Thomas M. Klapötke
Allgemeine und
Anorganische
Chemie
Eine Einführung
Allgemeine und Anorganische Chemie
Norbert Kuhn Thomas M. Klapo¨tke
•
Allgemeine und
Anorganische Chemie
Eine Einfu¨hrung
Unter Mitarbeit von Isabel Walker
NorbertKuhn ThomasM. Klapötke
Institutfür Anorganische Chemie Department Chemie
Universität Tübingen LMU München
Tübingen,Deutschland München,Deutschland
ISBN 978-3-642-36865-3 ISBN 978-3-642-36866-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-36866-0
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PlanungundLektorat:Dr.RainerMünz,BarbaraLühker
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Zur Erinnerung an
Max Schmidt
(1925–2002)
Ehem. o. Professor der Anorganischen
Chemie an den Universitäten Marburg
und Würzburg
Geleitwort
Obwohl die Chemie seit mehr als zwei Jahrhunderten als eine weithin eigen-
ständige Disziplinder Naturwissenschaftenanerkannt ist und an Universitäten als
einer der wichtigsten Studiengänge gelehrt wird, gilt dieses Fach einer breiten
Mehrheit seit geraumer Zeit zunehmend als schwer vermittelbar. Die außeror-
dentliche Komplexität der chemischen Wissenschaftund ihreeigenartige, inihrer
inneren Logik nicht sofort erkennbare Formelsprache und Nomenklatur werden
selbst von den Studienanfängern im Hauptfach, und erst recht von nur peripher
interessierten Nebenfachstudenten, als abschreckende Hürden empfunden. Die
Versuchungistdaher groß, diese Hindernisseirgendwiezuumgehenundsichauf
ein angelerntes Wissen zu beschränken, das lediglich das Examensüberleben
sichert.
Viele große Chemiker haben sich immer wieder darin versucht, ein Lehrbuch
der Chemie oder einer ihrer Teildisziplinen zu verfassen, das es durch neue
KonzepteoderDarstellungsweisenschafft,jungeMenschenmöglichstaufAnhieb
für dieses Fach zu begeistern. So wie es charismatischen Vortragenden gegeben
ist, ein Auditorium in kürzester Zeit in ihren Bann zu ziehen, so gab und gibt es
auch immer wieder Autoren von Lehrbüchern, die selbst dann diesen Zugang zu
ihrenLesernfinden,wenndiesesichnurwiderwilligzueinerLektüreanschicken.
Solche Lehrbücher erleben oft viele Auflagen, bis der Fortschritt ihre Inhalte
überholt hat und den neuen Entwicklungen wieder von Grund auf Raum gegeben
werden muss.
DiesesKommenundGehenerfolgreicherLehrbücherbeobachtetmannichtnur
bei den großen Werken, die heute weit über 1000 Seiten umfassen oder
mehrbändig auftreten, sondern auch bei den Kompendien, die nur für bestimmte
Ausbildungsstufen der Studenten oder interessierte Leser konzipiert sind.
Dies trifft besonders zu für Werke, die speziell für den fachübergreifenden
Anfängerunterricht in verschiedenen Studiengängen bestimmt sind.
Es mag verwundern, ist aber eine mehrfach bestätigte Beobachtung, dass die
Ansprüche an Autoren solcher grundlegender Lehrbücher besonders hoch sind,
dennesbedarfeineshohenEinfühlungsvermögensindiePsychederstudentischen
Zielgruppe. Ihnen möglichst rasch eine Freude an der stofflichen Vielfalt und
den spannenden mannigfaltigen Umwandlungen zu vermitteln ist dabei oberstes
VII
VIII Geleitwort
Gebot. Wenn beim Leser gleichzeitig auch ein erstes Verständnis der Zusam-
menhänge angelegt werden kann, so ist meist schon viel gewonnen.
Solche Lehrbücher waren lange Zeit recht selten. Ein besonders auffallender
Erfolg war dem in den späten 1960er Jahren erstmals erschienenen Lehrbuch
Anorganische Chemie von Max Schmidt beschieden (Bibliographisches Institut
Mannheim,Hochschultaschenbücher86/86aund150/150a).Esentstandauseinem
Vorlesungsmanuskript über Lehrveranstaltungen an den Universitäten Marburg
und Würzburg und kam – als große Novität – als kostengünstiges zweibändiges
Taschenbuch in den Handel, das rasch weite Verbreitung fand. Es wurde oft
darüber spekuliert, was den Erfolg diesesBuches ausmachte, aber man geht wohl
nicht fehl inder Annahme,dass esvor allem das allgemeine didaktische Konzept
war,gepaartmitdersorgfältigenStoffauswahlundderklugenStoffbeschränkung,
das die große Akzeptanz bedingte. Max Schmidt war einer der charismatischen
LehrerseinesFachesunddiesedidaktischeBegabungwirdauchinseinenBüchern
sichtbar.
Der ,,Max Schmidt‘‘ ist in den letzten Jahren aus der langen Reihe aktuell
empfohlener Lehrbücher ganz verschwunden, denn fast ein halbes Jahrhundert
wissenschaftlicherEntwicklungsinddarüberhinweggegangen.Deshalbistessehr
zubegrüßen,dasszweiimakademischenUnterrichtimIn-undAuslanderfahrene
Autoren nun das Konzept neu aufgegriffen haben und versuchen, den inzwischen
starkerweitertenundverändertenFundusderchemischenWissenschaftaufdieser
bewährten Basis neu darzustellen. Es wird vermutlich immer noch mehrerer
Veränderungen oder sogar neuer Auflagen bedürfen, um den aktuell stark im
Wandel befindlichen Lehrmethoden und einem entsprechend abweichenden Stu-
dierverständnis Rechnung tragen zu können. Ein neuer Anfang ist aber gemacht
und sollte wohlwollend begleitet werden.
Hubert Schmidbaur
Vorwort
Die Chemie ist eine anstrengende und deshalb wenig beliebte Wissenschaft. Dies
wird jedem Lehrenden bei der Beschäftigung mit Schülern, Studierenden und
sonstigen Unbeteiligten deutlich. Neben häufig geringen Fachkenntnissen der
Lernenden resultiert hieraus eine bedenkliche Distanz der Öffentlichkeit, insbe-
sondere der Politik und der Medien, zu unserem Fach, das unserem Land im
Verlauf der zurückliegenden einhundertfünfzig Jahre eine blühende Industrie,
verbunden mit sicheren Arbeitsplätzen, materiellem Wohlstand und der Mög-
lichkeitzurSelbstverwirklichungaufvielenEbenenfürHunderttausendebeschert
hat.
Warum haben viele Menschen, bereits als Schüler und Studierende, Probleme
mitderChemie?VermutlichliegtdieszunächstindergroßenStofffüllebegründet;
deren intellektuelle Bewältigung wird erschwert durch eine für den Außenste-
henden und Anfänger weitgehend unverständliche wissenschaftliche Systematik.
Anders als etwa die Physik lebt die Chemie, zur Erklärung ihrer Befunde, von
vielfach willkürlich anmutenden Modellvorstellungen, die im Bedarfsfall gegen
neue, besser geeignet erscheinende, ausgetauscht werden. Gerade Physikern fällt
deshalbdieBeschäftigungmitderals,,unwissenschaftlich‘‘empfundenenChemie
oft schwer. Die Eingemeindung der Chemie in ihre Mutterwissenschaft Physik
liegt in weiter Ferne.
Das Problematische der Wissenschaft Chemie findet seinen Niederschlag in
einer Vielzahl von Lehrbüchern, die den Bedarf abzudecken scheinen. Wozu also
dieses Buch?
Zahlreiche Gespräche mit Studierwilligen und Studienanfängern ergeben als
Motivation ihrer Studienwahl die Freude an der experimentellen Naturwissen-
schaftgepaartmitdemBewusstseindespersönlichenMangelsanmathematischer
Begabung, die für ein Studium der Physik grundlegende Voraussetzung ist. Die
meisten heutigen Lehrbücher zur Einführung in die Anorganische Chemie
beginnen mit einem allgemeinen Teil, in dem auf erstaunlich hohem, die Lehr-
inhalte des klassischen Physikstudiums bisweilen übertreffendem Niveau die
Grundlagen der Atom- und Molekülphysik abgehandelt werden. Hieran schließt
sich, scheinbar losgelöst und für viele ohne direkten Zusammenhang, ein stoff-
chemischer Abschnitt vergleichbaren Umfangs an. Es ist glaubhaft, dass durch
diese wissenschaftlich ,,korrekte‘‘ Anordnung viele an der Chemie Interessierte
IX
X Vorwort
sich zu Beginn ihrer Bemühungen bei der Wahl des Studienfachs im Irrtum
glauben und andere Wege einschlagen.
Das vorliegende Buch möchte bei der Bewältigung dieses Problems helfen,
indem es die physikorientierten Grundlagen der Chemie in möglichst verständli-
cher Form als Einschübe an geeignet erscheinender Stelle des stoffchemischen
Textes platziert. Es verdankt seinen Ursprung dem Manuskript einer Vorlesung
Anorganische Chemie für Studierende der Physik und Geowissenschaften sowie
dem Wunsch der Hörer, es ihnen in gedruckter Form zugänglich zu machen.
Unser Dank gilt Frau Dr. Isabel Walker (Tübingen) für die Anfertigung von
Abbildungen und Zeichnungen sowie Herrn Dr. Rainer Münz und Frau Barbara
Lühker (Verlag Springer Spektrum) für ihre redaktionelle Betreuung. Ohne ihre
sorgfältige und geduldige Mitarbeit wäre uns die Abfassung dieses Buches nicht
möglich gewesen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 Chemische Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1 Phasen und Gemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.2 Trennmethoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4 Atombau I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.1 Aufbau des Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.2 Der Aufbau der Elektronenhülle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
5 Das Periodensystem der Elemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.1 Historisches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.2 Der Aufbau des Periodensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6 Die Elemente der Gruppe 18 (Edelgase) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.2 Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
6.3 Vorkommen, Gewinnung, Verwendung. . . . . . . . . . . . . . . . 26
7 Der Wasserstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.2 Vorkommen, Gewinnung, Eigenschaften, Verwendung . . . . . 29
8 Die chemische Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
8.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
8.2 Der Molbegriff, Mengen und Konzentrationen. . . . . . . . . . . 31
8.3 Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
8.4 Kinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
8.5 Stöchiometrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
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