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German Pages 303
Peter Kurzwei l Chemie
I Paul Scheipers
Peter Kurzweil
I Paul Scheipers
Chemie Grundl agen, Aufb auwis sen, Anwendungen und Experimente 8., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit zahlreichen Abbildungen STUDIUM
11 VIEWEG+ TEUBNER
Bibliografische Information der Deutschen Nat ionalbibliothe k Die Deutsche Nationalb ibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detail lierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.
Das Buch erschien zum ersten Mal 1981 unter der Herausgeberschaft von Wolfgang Weißbach.
1. AUflage 1988 2., verbesserte und erweiterte Auflage 1990 Nachdruck 1991 3., verbesserte Auflage 1993 4., verbesserte Auflage 1999 5., überarbe ite te AUflage 2000 6., überarbe itete und erweiterte AUflage 2002 7., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 2005 8., überarbe itete und erweiterte Auf lage 2010 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg+Teubner I GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 20 10 Lektorat: Thomas Zipsner I Imke Zander Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Selence-Business Media. www .viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrecht lich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheber rechtsgese tzes ist ohne Zustimmung des Verlags un zulässig und stra fba r. Das gilt insbesondere für Vervielfä ltigungen, Übersetzu ngen, Mikroverfilmungen und die Einspeiche rung und Verarbeitung in elektron ischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Hanoelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrach ten wären und daher von jede rmann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Künketl.op ka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbindensehe Verarbeitung: Mercedespruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-8348-{)341-2
v
Vorwort
.l Ultl rl'IIg ei.f / l'tr nri lll' l l lI'i ssen
beso nders gern 01., l.eckerbissen. Dus I onm,., gilt dann - "'ie es heißt als I\QmI'CUS für des Lesers Geist. P" UL SCt tHI'l-1I.S
:D ie Neugestaltung dieses stra ffen Lehrwerks w urde unter Studierenden und Lehrenden an Fachhochschulen und Universitäten. aber auch im beru flichen Umfeld. mit großem Zuspruch aufgenommen. Als gehaltvolles Kompend ium flir Prüfungen im Nebenfach Chemie und um fassendes Repet itoriu m der Schulchemie zur Angleicheng des unterschiedlichen Eing angsn iveaus der Studierenden im ersten Semester hat sich das Konze pt der 7. Aufl age bewährt. Der einprägsame Duktus soll die effektive Prüfungsvorbereitung er leichtern und durch schlagwortartige Verlnüpfung des W issen s zu r aktiven Be-
schäftigung mit den Fakten ermutigen.
Die aktuali sierte. achte Auflage berücksichtigt zahlreiche Detailverbesserungen und Erweiterungsvorschläge unserer aufmerksamen Lese r. Neu sind die Kapitel Polymerc hemie und Nachhaltige Che mie. sowie das Globat-Harmonische-Systern im Teil 111 . Dichte Informat ionen zum Umweltschutz und über Leben sm ittel zusa tzsto ffe sind in den Kapiteln 4 und 7 bi s I I zu finden . da di ese Themat ik in en gem Zusammenhang mit den chemi schen G ru nd lagen d isk ut iert werd en muss. Dem Ver lag vieweg + Teubne r. voran Herrn ZI PSNER und Frau ZANl>ER danken wi r für di e Unte rstützung, dass d ieses Buch zweifarbig zu e ine m ersch w ing lich en Pre is erscheinen kann . Im Okt ober 200 9
PROF. DR. PETER K URLWU L Hochschule Arnberg-Weidcn p.kurzwcil 't t ha\\ -aw .dc
PAUl. SCI1U l'ERS Studiendirektor l. R. paul.schci pers"1!\ crsanct.dc
Aus dem Vorwort zur 7. Aufla e Dieses Lehrbuch be fasst s ich in der neu bearbeitete n 7. Auflage mit Tei len de r ••Sc h ulch emie'' und m it der ••Augewandt en Chernie'', w ie s ie an Fach hoc hschulen und Un iver sitäten in den ersten Semestern erfo rderlich ist. Je de s Kap itel enthäl t Grundlagen- und A t4ha /lwi.Hen . damit das Buch im Sc hul- und Hoch schulb er eich g le icherm aßen erfolg re ich ein gese tzt werde n kan n. Der auf un tersc hied liche n N ivea ustufen darges tel lte Sto ff ve rschm ilzt zu einer Einhe it und kann so viel se itige r. d urch lässiger. ve rnet ztet und kom p lexer ge nutzt werden. Im Hochschulbere ich bringen di e Studienanfä nger im Neben fach Chem ie in der Regel ei n se hr unterschiedl iches Eingan gsn iveau mit. Dieses Buch hilft auch. LOcken im Grund lage nw isse n relativ ein fac h zu sch ließe n. da der Inhalt in enge r Beziehung zur Anwe ndung steht. Das Verständni s fü r aktue lle Themen - wie Brenn stoffzell en. Batterien , Korrosionsschutz. Ab ga snach be han d lung in Kraftfah rzeu gen. Umwe ltsch utz und Arbeirssichemeit - wi rd durch entspreche nde Chemiekenn tnisse erst mög lich! Das Fachgebiet der Ch em ie beg leit et die tiefe Durc hdringung andere r Diszip linen und bild et so ein wichtiges Bindegl ied zw isc hen w erkstofftechnik. Ver fahren stechnik. Elek trotech n ik. Maschin enbau und anderen Ber eich en.
VI
Als Lehrbuch und Nachsc hlagewerk in Fachschulen fUT Tech nik. Fachobersch ulen. Hö heren Tech nischen Lehransta lten. Gymnasie n. Fachhochschulen und Univers itäten sow ie für Weiterbild ungskurse, Fe rnstudien. Praktiker im Beruf und besonder s zum Se lbststudium setzt die neue Au llagc auf die bewährte Konzept ion - z. ß . die spez ielle Form der Zwe ispaltig kelt. In der linken Spalte (Lehr. spalte) steht im Wesentlichen der eige ntliche Lehrtext. Die rechte Spa lte (ErKün=ulIg \".\ptllte) bleibt vor a llem Be ispielen. Bildern . Tabellen. Hinwe isen. Verti efun gen. Versuc hen und Anmerkungen vorbehalten. Diese bewä hrte Trennung der Spalten führt zu e iner übers ichtlichen Systematik und erleichtert die Lerntätigkeit . In der Lehrspalte zeige n •.Rezepte" anhand e iner erlernbaren Vorgeheusweise Lösungswege auf. Beispiele und Reche nbeisp iele erläutern die prakt ische ode r rechn er ische Umsetzu ng von Fakten und Formeln . Am Schluss eine s jeden Kapitels stehen AU/ Kaben (lin ke Spalte) mit untersch iedlichen Schwierigkeitsg raden. Die in der rechten Spa lte direkt zugeord neten Antworten ersparen eine mühe volle Suche. Übersichten und Exkurse stellen wic htige Zusa mmenhänge und Methoden in übersc haubarer Forrn zusa mmen. Damit könne n Leser innen und Leser einen Blick auf Anwendu ngen des Gelernten werfen und beim Studieren oder in der Betriebspraxis einen schnellen Zugriff auf Formeln und Daten erhalten. Natürlich fehlen Sxperimeme nicht - ja Chemie soll auch Spaß machen ! In dieser Auflage wird an wenigen Ste llen eine im Lehrbuchbereich bisher kaum ge nutzte Möglichkeit ge testet. Es geht dabei um die zwanglose Einbeziehung gei st- und humorvo ller Gedichte. die in bescheidener Form die von strenger Sachbezogenh eit geprägten Erkenn tnisse de r Chemie au flockern so llen. In diesem Sinne können die Leserinnen und Leser an einigen Stellen sogar Emotionen für Lernprozesse nutzen. Für den Versuch. in einem Fachbuch eine solche Neueru ng zu wagen. sprechen vor allem zwei Argumente: Nach mode men Erkenntni ssen der Himfo rschung sind für Denkprozesse im Gehirn Gefühle unerlässlich. Und: Die Bezieh ungen zwischen Kultur und Wissenschaft sind zuweilen dürft ig. ob wohl beide Bereiche zusam mengehören. Die Naturwissenschaft Chemie darf im erv..eiterten Sinne als Kulturgu t verstanden werde n. Kulturelle Vorste llungen und Werte dürfe n sich auch in de n Naturwissenschaften heimi sch fühlen! Zu Beginn eines jeden Kap itels oder wichtiger Abschn itte wird in den Ergänzungsspalten dieses Anliegen a uch du rch historische Anmerkungen zur Entsteh ung de r Begriffswe lt von der Alc hem ie bis in unser quantenc hemisches Ze italter unterstützt. Die verwendeten historischen und literarischen Mögl ich ke iten können in de r Fülle des Wissen s nur e inige Farbtupfer se in. die zeigen so llen. dass auc h im Fachbuch bereic h ge wisse Verrietzungen zwisch en Naturwissenschaft und Kultur denk- und machbar s ind. Ein kritisches Echo der l eserinnen und Leser auf diesen Versuch wäre für uns sehr wertvo ll. [... 1
Aus dem Vorwort zur 6. Autla e Dieses Lehrbuch wurde auf der Grundlage von WEIßIIACIl. Chemie. völlig neu bearbeitet und für die Schulformen des beruflichen Schulwesens (Ausbildungsrichtung Technik) konzipiert: Berufsfachschulen. Berufsaufbauschule. Fachschule für Technik. Fachoberschulen. Das Buch eig net sich außerdem für Kurse. zur Unterstützung von Fernstudien und zum Selbststudium. Ziel des Buches ist es. chemisches Grundw issen in enger Beziehung zu Erfahrungen in der Alltagsund Berufswelt und zu Erkenntnissen in der Wissenschaft anschaulich und verständl ich zu vermitteln .
[...J
Wies baden. im Februar 2002
II[ RAUSG EBI:R UND AUTOIU, N
VII
Inhaltsverzeichnis Allgeme ine und Anorga nische C hemie
I
C hemit' in Tr
5.3)
I
," ich 11' r~ enmetalte
Eisenwerkstoffe
C Schwermetalle C Leich tme talle
:"iirhtmrla llr i
( t> 3.6)
i
I
.-I"o rg'Jl/isd w ~QjJe Orgwli.R"iw SlOffi c Glas. "' era mil o "'unststolTc ' ·C'rhun d.. r ri..\ to fTC'
( t>
5.10 )
Kunststoffe. Beton. Ilarunctalle , sonstige Komposite F". "'''r.\tnlToder SaucrslolTin f\.klallcn nassig Echt#! J.ibuflg : Essig, alkobolische Getränke, mit Wasscr verd ünnte saure
gasförmig
I
(; (miSl'h c mit unterschiedlich en .\ ltltl'cltllll us tä mlcn (Bei spiele)
•\ lt ll,reIt IlIlU'liln d c
fest
1
ga-sft'onnig
("~ kblgaJ:
ga~förmi g
OOLT Sauo..'ßIolTim Wasser C;a"'llr.chunl:o L R. Luft.
Kohlend io\id
Kunststo ff-Scilllumc mit Gescjnschmsscn Em u"'io n: Femröpfcbcn in der Milch. Bohrw asser ~ ha u m :
Seifenschaum. Spra) S
Trübes Wasser RlIU..-h und Stauh. po röse f cstSlolTc. Himr-slCin Fetttropfen im wasscr
:'rro t h.:l: Was.s..'rtri'ipfchcn in der Luft
1.6.2 Legter ungen Erhitzt man ein Gemisch verschiedener Meta lle. erstarren aus der Schmelze Legierungstypen mit neuen w erkstoffeigeusehaften und großer techni scher Bedeutung .
I . • Ein ,\ 1iun:hm..'S S\.'f. I ')(l~ A, F1 N'in-:IN(1879-- 1955) erkl:lrt die Ilnm n ' sehe Tcilcbcnbc...w gung mit der Alnmtht.'l,Irie, 1'111 E. RtITI U'RFORD(1871-1937): Al.. Hllmodcll auf Basis Hili Sucuvcrsuchcn mit u-Strahlen. Atomkern aus Pnaoncn (postulicrt 19 13) und Ncurroncn (postuliert 192U). R. A. ~tl l llKAN misst die El el1l~l1lar1adunl:t tÖnröpfchcnvcrsuch). I'J t3 Atlll1l1ll0dell von N. HOIlR ( 1885-11)(,2). 1')16 Atommodell von A. SCJMMERF EI.D. t'J24 l..·V . lJE neocus ( 18l)2-]9&7): Materiewcllcu. Welle-Teilchen-Dualismus. Bestätigung durch EIe/.:/r(Jl/I'nh;,'IIK'IIIK an Kristall..'11 ( 1926). 1 92 ~ Entdeckung dl'S Elektmnc nspins. W, l' AlIU posluliert Kernspin lind Pauli-l'rinzip. F. IluND: I'rillt ip lkr grillltcn Multiplizitäl. 1926 E. SC! IRrII,.'11 im Attlffikl'Tfl 1 9~ R.IlC ..ST....rrrre : Q UClrb , t ~ A nti-Neutri no und Sl'Ulrino (1959).
16
[ A llgcn~ inc lind Alx'rganischc Chemie
2.2 Aufbau der Atome aus Elementarteilchen Mit Hilfe der Raster-Tunne i-Mikroskapie gela ng es, Ato me sichtbar zu machen und ihre Abstände an e lektr isch leitende n Oberflächen zu vermes sen (Physiknobe lpreis 1986).
"'(11d.o r;rQ/k baraduet lind dann 1/I1,·II.m· o lleh die DlC'hle heachls
Bonus Korrespondenzprinzip fordert. dass für große
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M AX PLANe ..:
. C;n ·n, ... n
NI El.S BO HR
d~' r "' lll "i ~('h ('n
El...kcrutl ,n llmik
1- oder Phlrncn.
Das WasscmloJ...i..ol ist uuf Grund der Ahsttlllung Sauerstoffatom tctn...xfr isch und nicht linear gebaut.
lI..T tidl.'Tl U ek tn M1L'Tl[li li U'C 11m
Hybridorbuale Benachbarte- Elektronenwolken stoßen sich auf Grund der negat iven Ladungen gegenseitig ab.
, nicht: 11 - 0 - 11
Elektronenwolken suchen den größ/lllöglichen Abstand voneinander, Das Orbitalmodell erklärt - anders als das Bortn-Mcdell die räumliche Anordnung der Atome in Molekülen und Git tern durch die Art der Bindungen und Bindungswin kel. Durch Hybr idisierung der Atomorbitale entstehen Miseh örbitale. wobei die individuellen S- , p- und d· Zustände aufgehoben werde n ( .. 5.2.3, 10.2). " Kohlem f(1T( l s22s22p2) hat in der äuße rsten Schale vier Elektrone n. Durch Anregung (äußere Energiez ufuhr) springt ein zs-Elekrron in das freie 2p;-ürbital und es b ilden sich dara ufhin vier energiegleiche .\pJ-Hy bridorbitale. Sie bilden auf G rund der Abstoßu rig der Elektro nenwo lken einen Tetraeder, wie er in Kohlenwasserstoffen vorkommt.
... Das JPl-h~ bridis ic:T1.e Kohk'flstofTatnm. ' Ile es im Methan CI " \ Ilrl;tlffiml
z
•
2 Aulhml der Materie(Atllmlchrel
2.8
Elektronenkonli uration
Jedes Elektron in der Atomhülle besitzt kinetische und potentielle Energle. Je kernn äher sich ein Elektron aufhält. umso schneller bewegt es sich auf der gedachten BoHR· Bahn; die potentielle Energie ist jedoch bei den äußeren Elektronen größer. Weil der Zuwachs der potentiellen Energie größer ist als die Abnahme der kinetischen Energie. steigt die Gesamtene rgie der Elektronen. j e weiter sie vom Atomkern entfernt sind. Elektronen suchen möglichst energiearme Zustände. damit das Atom eine geringe Gesamtenergie erreicht. Die Verteilung der Elektronen auf die Atomorbitale - die sogenannte Elektronenkonfiguration der Elemente - erm ögficht erst ein tieferes Verständnis für den Aufbau der Atomhülle. das Periodensystem der Elemente ( Il- Kap. 3) und die chemischen Bindungsarten ( Il- Kap. 5).
Das [ nt'f"2 ie ni\t'a u~ ht' ma zeigt die Energiezustände der Elektronen in der Atomhülle.
.... Die kin etische Energie häng. von der EIe"· Imllf.',rhe'M 'f.'KUIIK ah, d ie pote ntiel le Energie vorn Kernahstond d~"S F1d,lrw ls ( .. 2.6 ).
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....Ve rtci lunl!- der 92 r k klro nt..'11 des Uranao rns auf die Orbi tak . Zur Reiben folge de r Orbilalauffilllunl!- .. 3.5. ~l an schreib!; kur/ ; I Rn l5t~ nd l 7s". IRnl bedeu tet die abgeschlossene Schale des l:ddga"4'S Radon.
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[ A llgcn~ inc lind Alx'rg anischc Chemie
2.9 Auf aben mit Lösun en l um C'!>m ulli!'"l'lihr? (in LI und kg). e ] Was wiegt e in Al umini umatnm bei gen euerer Rechnung ? Waru m stimmt ..i l:f \\'1.'f1 nic ht C\akt mit der im PSE tabellierten Atommasse (26.98) Obcrcin ?
n Wie groß ist die "' cm tlindung.:'4'm~ie?
Wie gn16 ist s ie je l'\oclcon? g} WiL...iek Isotope hat Aluminium?
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o E =M! r11 =0.2"'u ·I.66 ·IO·17 k~ ·( 3 · lo"mls )" =
3.59 ' 10. J 00...'1" E- 0.24 u · 9 3 1.5 MeV = 22... ~leV EA = 224 Me V ' 27 = 8.3 MeV fNucl. :on . gl ein l>t>tuf' (Reind~"ßlcrI t) 1000 01 : 0. 1 nm _ lOB AI.1!1lt:
3. Wie groB \ \ln: im
V~-rglt: imsm3 &tab dt.'I" Atomdurch1l'K.'SStIl'lflS.. 1994-'}(' Ge.•eflschttji )Ur Schwerioneoforschun8 1( iSI). I)armstadt Elemente 108 bis 112 200 4 Dubna: Ekmellle 113 lind 115.
32
I Allgemeine uml Allllrltalli",hc C hemie
3.2 Elementnamen und -s mbole
" Anl cil der t:lemt nte Mn der E nJk ru~tt (g/tJ
Br:RZEl.J US ( 18 14) begründete die einheitliche Zeichensprache aus zwei latein ischen Buchstaben. von denen der erst e groß und der zweite klein geschriebe n wird .
Das chemische .~rmhol beze ichnet zugleich ein Element und ein Atom dieses Element es. Elemente. die sc hon im Altertum bekannt waren, tragen lateinische Kürzel. Statt älterer deutscher Schre ibweisen wird seit IIJKj d ie Angtercnung an die internationale Schreibweise empfoh len: Cer statt Zer. Ceesium statt Zäsium. Calcium statt Kalzium. Act inium statt Aktin ium. Verp flichtend : Bismut statt Wismut. Iod statt Jod . Die Vo rsilbe Eka oder ein Zahlwort bezeichnet die künstlich erzeugten Trcmsfermiumeiememe, die noch kein en internationa l festgelegten IUPAC·Namen tragen: • Eke-Ouecksilber für Eleme nt 112. Ummhium (Uub) • Eka-Bismut für Element 115. UIl UII[lg!1!.ium (Uup). " 11
N S Fe Pb
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" T ran~rtrmium t1tmtDlt
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C.
CCf. ~"'U'" Chlor. chlorlnt! Chrom. chrom ,um
C,
Cobal l CurIUm· l>armslallllum · l>ut>mum· Dvs o.;.ium I-m'lemlUm· Eisen , /,. 00 I-LacL"ll>(r· I La-ltlal hum· I La-Illc i· I-La-li.,mul· Erbium [ur ium I'Cfl1l1u m· Fluor. 1/l>r,tIe l rancmm'" G adolinium G allium ( Icr manium ( iold " arnium 11""s ium· I lch um Ilolllliu'll Indium Iod . iodülll' Iridium Kalium. " .o.'r!!ium· Selen. .eh ( L IJ. MnC!:1. \ 1n(IVI amphotl,.'I" (L B. MnO:). • \ 1n(VIII sllurehikk'Od (/_ 11. KMn() . als Silll d..'I" P..'tlllal1{!.all-o;3un: ).
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• ,~lUer.ftf}1f i>1 immer zweiwe rtig (- 11).
nur in den Peroxidc-n einwertig (- I) , Ftu6 sind der M a.~~'1lde fek t und die Kernbindungsenergie von '~ A g mit der tabellierten Atomma....sc _~, = IOX.9O?
al Berechnung in atomaren Einheiten m = -I7-(mp +m, )+( 109--47)-m. -1 7-( 1.007276 + 0.OOO5-1X6t+llO'J-I7H JMIXM 5 = 109.9(1 U Iln / = 109.90 u - IOlt 9() u = 1.0 u ER" 6111 - '13 1.-19 MeV · 93 1.-19 MeV EI/A = 93 1.-19 MeV/[ W '" X.5 MeVlNuclo.'o n b ) Be rechnung in Sl-Einhcitcn 11/ = -1 7 '(I/I p+/11,_)+( J()'1--47)-/II• ., -1 7-( 1.67.1 - ]( )"11 kg + 9. [09-rr r" kg ] + 62· 1.675· lO'27kg .. J .X25· tu" kg Am = 1.825-10.1' kg - [08.90 · 1.6('()-]{r 17 kg = 1.7' 10.17 kg f R" toll/ -e> '" 1.7' 10-21 kg - (2'1h klieren der MasS(.-n/ a hl dureh vie r ergibt: 23 1 : ~. 5 7 R~'Sl 3 ~ ( ~tr+3"Reihe.
(uP) ~'tkutct eine
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4.6 Radioaktives Zerfalls esetz Radionuklide zerfallen spontan und unabhängig voneinander nach ei nem Ze itgesetz I. Ordnung. Der Ze rfallsze itpunkt für e in einzelnes Atom lässt sich nicht vorhersagen. wohl aber die Wah rscheinlichkeit e"lI. das s e in instabiler Kern das Alter t erreicht . Pro Ze ite inhe it zerfallen stets gleic he Bruchteile ). der vorh andenen Kern e. Die Aktivität A besc hreibt . wie viele Kern e jV pro Sekunde zerfallen. Durch Integrat ion d iese r Gesch wind igkeitsgle ichung mit der Rand bedin gu ng. dass am Anfa ng f = 0 die Au sgangsmen ge 1\'0 ist. folgt das rad ioaktive Zerfallsge setz.
Aktivität,
Gesc hwind lgkeh sg lelchung:
Radloaknvcs Z er fa lls· gt'setJ:; Teilc henzahl zur Zeit I :
A = dN = - A N
dt
I"" =
N O' , - I.t
( S· I)
= N O' 2- l / t
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.. Expon entielles A['k lingcn dcr Nuklidmenge Ak li\i läl mu z uuchm..-ndcr Ze it (hier als Vielfaches der lI a ltl\\ c-ns/ e il T) in linearer und logarithmisc her Derstellu ng. Nach der 113[bwc rtszcit s ind 50'l{' des Nuklid s verfallen. nach zwei Halbwertszeiten 75'%.. nach d rei 87.5%. nach Itlnf 97'% II.S.\\'. [,/W.
Beuchte: HIt)% - J und [% "0.01.
Zel! ullskoJ/Sfullle, Kehrwert der mittleren Lebensdauer:
fk i.ll'id . Wie lan ge dau ert es. his 50 kg ['(>·2 10 (T = [311.-1 d) 1 11 t)()~,.. in [' t>-2(J(l / erla [lcn s ind?
Hal bwertszeit. in der 50% der Kerne zerfallen sind:
"::" =e-1,I : 0.1 .v,
~
I
X Xo
I : - - [n -
mit : -
I.. : ~: 0.69 3 t 138.-1 d J
I n O.l = ~ (>O d
Bruchtei l Restsubstanz zur Ze it I : Ze rfa llener A nte il zur Zeit t:
- X : e - l 'I Xo
-xo- x- -_ ' 00(1/,(I - X- -_ e1.1 .v, Xo
Nach ~60 Tagen s ind lJO" o von 50 kg = ~5 kg zerfallen. Es sind 10" .. = 5 kg Polonium übrig.
Restma sse zur Ze it I:
m = N '~
... SI-t :inht it t1 t r Radiollklkiliil
x"
A V{lG AI)R~ Konsl.anIC
x" = 6.022 I n · ld'~ mor '
Molare Masse
.\1 ll!l'moll
(kg)
I.
OJ)()Sd · '
I Bq (IWCQUf.REI.) = I l.crfalVSekuooe = 1 S- I Vera ltct! I Ci (CURIE) = 3.7· 10 "' Bq
4 Ker nchemie und Kernenergie
51
T Radionuklide ;o..uklid
Il a lh" crtsll"il
Zl"rrall
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C- 14 C a-4 1
Ca-45 Ca-47
ca-tos Cd - 115m Ce- 139 Ce- 14 1 Ce- IH Cf·}6
Co -58 Co -60 0 -51 es- 1.1 4 Cs- l 37 Cu-M Dy - 159 Er_169 Es-2 53 Es-2 54 Eu- 154 I:u- 155
F-IIJ !'c-55 Ee--5'1 I'1n-2 57
n-rn
(; 3-6 7
Ca·6IJ
( id - 153 ( ;.....71 11-" 11I: 175 1 11~ 181 11g- I'I7 11g-20 3 11 0- 166 1- 125 1- 131 1- 132 ln- 114 m Ir- l 92 "-41! K-42 Kr-85 La-I 40 b l -256 Lu- In
h Slundcn. m Minuten 2 1,77 a 249,9 d ?,4S d 7,16' IO'a 26,4 h
38.8 h
8.3h
183d 2.1)'1 d 3.14 d 11,5 d 10.5 a 53.29 d 5.01 d 35.34 h
5730a I.OHO' a 163 d 4.54 d 4 53 d 4-1. 8 d 137.6 d 32.5 d 2S4.8 d 3'10' a 70.78 d 5.27 a 27,7 d 2.06a 30.173 12.7 h 144,4 d 9,4 d 20,4 d 275 ,7 d 8.8 a 4,\I6a 109,7 m 2.7 a 45,1 d 100.5 d 21.8 m 78,3h 6 8.3 m 241.6 d 11.2 d 12,323 70 d 42,4 d 64 ,1 h 46.59 d 26.8 h 60.14 d 8.02 d 2.3 h 49 .5 d 74 d 1.28'10 " e 12.36 h 10,763 40 .2 7 h 25.9 s 6.71 d
SFS nlar", ß·lq
hUri '
ß. Y(K. 1
V4&
W-1 85
1
X~""133
Y-S8 V-9(I
Yt>- 169 /n-65 Zn-l 13 Zr-Q5
t'/
2. 14010'"
Co-6O Na-24
3.36' 10' "
.4 ,\ k!h lt:tl der Probe. r Ab stand. , Besirahlungsdeucr, x Rclaxatio llsl3nge . I' Dosislcisnm gskonstame (_Gam maslr.lhlenl ons tante- ). fl Sch\ \ llchungsl.ocffi,iL'll t
4.72'10-"
4 Kerneherme und Kernenergie
4.8.3 Dosis- und Stra hlen messgeräte {;a,ioni....tiu n'det ekt er-
100 i,at jo nsde te k to re 0 Durch ein Glimmerfenster in einen Hoc hspannungskondensator fallende Tei lehen io nisieren da s Füllgas (Argon. Lu H). nie hc l~itf,.'1l Elcktro nc n fliegen zum AIH),j endrah l (Wo lfram) und löse n du rch Sto ßiun i· sation des tüngeses ein e Io"-faehe Sekundanonenla wine aus - uie de n Slilt igu ng.sstrum ru r "'ath{),je (äuße rer Metall J) ,lind er 1 steue rt. Wllh· rend dc.... Tot=eil (E ntla,Jung und Spannungsaulba u) w erden keine Teilchcn rcgistricrt . Pcrsonenoostmcrc.... Zä htrate: I Cf'S - I S· I
I_
1
1
111IJI -
1
I.
Il1"1l- Jf 1
I
1-
• .\ u,Iö'C'/ ihln.h r (Gf.IGf.R-M Ül l Ell.-Zähk...): Nach .... cisddektor ohne _ UOrcTsChci dung : lskt'I' ie
n:s
ICI' \ IIP
.\ .\ S
"0
irnfuklh gckt'l' pell\'S Plasma miknl\\ cIlcninJuz icrt...-s l' lasma Alomal:>sorp tiIMls.spektfosknp it:
•••
~
~
•"
~ ::
Verbindungsnachweis .1eV). Beispiele : -
( 18 · )QF
"I 0 . 'I 11 kurz: ' ~ N(a. p )' 70
"u AI + '~ l i e -
~ I ~ p' + on
kurz: 17A I(oJl i lOp
'~1 N + 1~ H e
~ p
,~
'~ 8 e +
~ S·
- ,~
o .
1+ le
,
iue - "c + on ' ~
A Gcrn äldcu mersuchung mit J ,:r Nc utroeenak ti\ jerungsanaly so.: C11.\11 Ik.Tlinl. llurch knn~tl i ehe K""fTlum" aOO lung l'l1l"tehc:n radioal.l i\c lsot opc . ,I.:1\.'I1 1-Slrah lung genH....SO'T1 "im.
"
kurz: Be(o.n) ·C
6
• Neutrollen werden vom Atomke rn nicht abgest oßen . so
dass thermische (langsame) Neutrone n (::::: I eV ) zur Umwand lung genü gen. Be ispie l ..Radiofluor-': 19 F + In _ ( 20F" ) _ ro Ne . oe' kurz: 19F(n e)~~e 9
0
'J
10
.1
"
.A. I' rin/ ip der Ncutnmcustrcmmg ( IIMI Ik rlin )
• Deuteronen (schwere w asscrsto ffkem e): Das Target nimmt e in Nucleon auf und lässt das Neutron weiterfliege n. Beispiel : : B e + ~ H -.. ' ~ B +~ n
kurz:.
9B
lO
e(d.n) B
Kem foteeüekt . Ein Gammaquant wird absorbiert. ein Neutron (seltener Proton) emittiert. Nicht mit dem Fotoeffekt in der Elektro nenhü lle verwechseln ( " 4.9). ~ H rt - : 1I + ~ n : Be + y - 2 ~ He + ~ n
kurz:. D(y.n)' H kurz: 9Be(y.n)2 ~ He
Elnrangrea ktlcn. Das Gescho ß (z. B. e in Neutron) verb leibt im Kern. v-Strahlung wird frei. Kurz: (n. y). Bei der Teilchcnslreuu n2 findet kei ne Kernumwandlu ng statt. sondern der Zielkern wird angeregt; z. B. A(n .n)A· .
,~~:~~~J~;"
... 1.) L1otron ( 11 \ \1 H...Thnl
__""::!
[ AIll:tclllcim: lind mlllrganischc Chemie
60
I
T Rad loeh enn sche Ana lvsc und Ion ensi rah la nalv t ik zcrslörun isfrc l
KUrtcl Method e \ .\ .\
i.Jlll:h"el~ Prinzip lind Anwe ndung
Neutronen-
MuhiclcmCIlI-U llras pun:nanal) til.: ( I' . 11. in Ila]olcilcm J A, Sall,gungs.aktm \.i'I.l. wenn ~so ,'id mit de n charakteri stischen v- Rcsonanzlin icn der H e men Nuklid X' Mrllllil \\ie IC. Nach mchrsr ünd iger Bes trabhm g der Probe mi t Neunachgdli1dl.1 \\ird troncn . ein er Wart ezeh und C\ t1. chcmuscbcr j'wllCn\'ur· h ret lI auflgh " t im natl\:n: ilung w ird die Sättigungsaktivität mi t Ge -Halbleiterrart. Istltopcngemisch dctck toren und Vielkanalanalysatoren gcmessen. Kon - m Masse In &..1' ProbS + n
(lJe rncnl 108) ,n..'fTIl,.'TI1 1(9)
t1:k:ment 11 0 )
ie
Be i de r Kernzertrümm eru ng (Spalla tion) ze rre ißen energ iereiche Projekt ile (> 100 MeV) da s Target in Protone n. Neutrone n und einen leic hten Restkern. 2J· U + u - 1l7 W + 20 p + 35 n Bei der KernSJlallun2 zerbricht e in schwerer Atomkern (.-I > 130) nach dem Teilchen besch uss in mittelsch were Trü mme rkerne . EiniEe Kerne lassen sich mit schnellen Neutronen spalten ( -'lpa. 2J7 Np. 232Th ). andere nur mit gebrcrnsrcn « thermischen Neutro nen (mU. 2-''lPu). Bei der spontanen Kernspa ltung ze rplatzen ex trem schwere Kerne ohne vorherige Absorpt ion von Teilchen. Bei der angeregten Kernspaltung fangt der Kern ei n Neutro n ein. de r gebildete Compoundkern zerfallt. Uru n· 235 w ird von schnellen und langsamen Neutronen gespa lten (6,5 MeV). Die asymmetrische Spaltung liefen Spaltprodukte mit den bevorzugten Massenza hlen 90 ... 100 und 133 .. . 143, sow ie durchsch nittlich 2,5 Ne utronen. Die freigesetzten Neutronen spalten weitere Keme in einer Kettenreaktion, d ie bei de r Ato mbombe schlagart ig und im Atomreaktor gest euert abläuft. Ein Te il der Uranmasse wande lt sich in Energie um. Die Spaltprod ukte sind instabil und zerfallen unter Aussendun g rad ioaktiver Stra hlen bis zur Bildu ng stabiler Nuklide. Ura n· 238 abso rbiert mittel sch nelle Neu tronen (Spaltenerg ie 7.0 MeV ) und ist daher als Spa ltsto ff ungeeignet.
~ U +~ n ~ (1.J~ U .)---.!:4 2~~ Np.~ 2~ pu. In Urane rzlagerst än en läuft ke ine Kettenreaktion ab. D ie kr itisch e Masse w ird nicht erreic ht. wei l Natururan aus 99.2745% lJ'U. 0.72% m U und 0.00 55% 2J.IU beste ht.
'" .h~ OI01c lri-.fhc l' n
uChni U Ci. ~ · Ci " n Im")
iI !o
1
[ Allbemeim,: lind mlllrganisehe C hemie
Ura nanreicher un und Brennstoffkrei slauf
I
Natürliches Uran besteht hauptsächlich aus m U und
23SU. Die Erzaufbereitung findet nahe der Uranminen statt. Für . htwasserreaktorcn I. " • henmg d es " '''uLetc Isl eme Anreic Anteils von 0.72 % auf etwa 3 % erforderlich. Für die Isotopentrennung in der Gaszentrifuge (" 4.3) muss gasförmig es Uranhexafluorkl UF6' vorliegen. Das giftige UF6wird in Druckbehältern transportiert und in festes Uran dioxid UOl übergeführt. Daraus werden Brennstäbe geringer Radioaktivität hergestellt. Ein Rohr (AI-Zr-leg ierung) von I crn Durchmesser und 3.90 m Höhe erhält eine Füllung aus gepressten und gesinterten Urandioxidtabletten. Im Reaktorkern befinden sich beispielsweise 19 Brennelemente (aus 236 Brennstäben) mit einer Grundfläche von 23 cm )( 23 cm und einer Höhe von 5 m.
AfJxebrwlllle Brennst äbe werden nach etwa sieben Jahren Gebrauch aus dem Reaktor entfernt und zum Abklingen in einem Wasserbecken zwischengelagert . Ab I % U-235 bzw, Pu-239 erlahmt die Geschwindigkeit der Kernspaltung und eine Wiederaufbereitung ist erforderlich.
" Ulml7emrifu[!e 7Uf Trennung unl.·~h icdlich schwerer StofTedorch gC\\altigc Flichlrafte.
Uran-Plutonium-Tt'..nnu ng bet d..T Wkdo.:raufbcreinmg \on " "'IT1hrcnnslo tT...'1l. I . 7.erkleifwm tJ..s HI\.'1lnsto fTs 2. Lösen in h", . 0 u) ist. et A/""Ag) = " 7 nie + -1 7 m, + (109 - -1 7) mn = -17 · ,0.000 5-1 Kb + 1.007276) + 62 · 1.00 8665 . 109.90 Differenz .....iscbcn berechneter und gemessener Al.'lflma....sc : .1m = 109.90 u - 1011.90 u = 1.0 U ER = &r7 ; = 1.66,1O·n kg . (299792-15& 111/s) 1 = 1.5· IO· IDJ tw.•. ER= 1.0 u · 931.5 Me V " 931.5 \le V. g) [WA = 93J.5 MeVJl09 " 8.5 ~ I..: V
2. Ik'f>."Chn..'tl Sie d ie im I\:riodt:ns~stem IiIbdlicne nlll l iu~ .\ lllffima \ W \on Argon . Iso illp 1I11ulip.eil h l'Ouklidma.o;:sc A • 0.3 3 7\~ ~ 35.967 5463 Ar· 36 Ar- )8 0.063\~';' 37.962 733 Ar.40 99.600\~. 39.962 3&3 12
Im PSE tabellierte Atomm assen lkr EIcIT1 1 -- Inhr- ln h1 ' - - I In2 12
Mit I == 5.9' 10" Jahrc n übcrtrtm das Erd uran das heule v Y:Io.'Schllt7te Aher der I'rde t4.6 · IO a). Dus Ve rhllitnis "u : )" U m uss bei Erdcnts t.... hung ctwu I : 3 betrugen habe n.
(,. Wie\'icl llr liumga'i e11lslehl beim radioakth cn ZIo.'flall v on a llen Uranarome n l-crHlIlt prn Jahr der Urud uei l in der nalllrlich lo.'f1 Zerfa llsreihe nach al:ht «·Ze rtallcn aus ). = In 2JI = J.55· IO·w a· l • VOll I m,,1= 23Kg Ur.m i'er l"al1en IU einem h:ilo gr-Jm m lJrJn-2 3X: folg lich 1.5 5·10 - mol im Jah r und liefe rn IUr jeden uZerfa1122,-1 Liter lI e liumgas. I nml Unm er/-cugt somit K·22." ';. Liter Helium . IU I g Uran er/eugt g'22A-}J23& - 1.1 7· IO. 1 lIc1a. I kg Ur.l.Il l.'w:ugt 0.1 17 ",I Iie/a. 7. Welehe l:kmrnl.u1rilr hr n sind unteilbar?
IA:ptoncn ( L B. Uektruoen) uotl Quark s
M. Wie " irlen slart.r Krrnl. ri rtr ?
lIall~'TI die Nueleunen im Atoml..Io.'1lllUsammcn; \\ irlen au f sehr kurLe Entflo.'1llunglo.'TI und stärker a ls elektri sche Krafle.
a
[ All be lnCIIlC
68
9. Wie sind Alphu-. Be la- und Gammastrahlen aufgebaut?
111. Was versteht mim unter der
Iblh'\l~rhzti t?
Ull d
anorgamschCh C cnnc
(I-Strah len si nd Ik liumkc mc.ll-Slmhlcn Elektrone n. r -
Strahlen Photonen (c1cktl'o l1lagnctisl;hc Wdkll ). Die Zeit. in der die I!lUlle einer An/ilhl \'I1Il radjou kuvcn Atomk erne n zer fallen ist.
11. Was bed euten die Ik gri lTc a) I:: nC'rJ:il.'d nsi...
a) ET/f!rxieJosis : \ 011 einer Masse a ufgenommene Strah-
b) .\ q uiu lennl.., is und
b)
cl .\ q u iu lc'n ld O"oislr is tu ns:?
Energiedosis
lungsenergje
Aquil'alenttlo sis: mit dem Q Uillil:ils f3ktor be w ertet e
c) Aq uil'(/lentJoIis /t'isluIIX: auf eine besiimnuc Zeit bezo-
gcnc )\ quhal..'tlldo.lsis 12. W ie Mc:llt m.ull.(ln""lidlC Iot ad io nul. lid ", her?
~;nd. kön nen durch Teilchenbeschuss in Real..toren oder Tci lch~T1t>cschleun igem kllnstlio.:h radioal..th gemacht werden. so.) dass sie radioaktiv e S trah l ~T1 aussen den .
13. I\tl"ll'p..1tunl=: al Warum wird Fncrgie freig~"S(.'lIt'.' bl Weshalh kllmml ~'S zur t\ ellenreal..llon'.'
al Ein gering...'T ~las~nanlci l m \\ inJ bei Kcm spahungcn in EIK.'T'J:!.ie E ~ m t? umgewandelt.
AIOIll l.cmc: ,nn Sto ffen. die ni..ht r.wiu.lkth
bl Bei der Spaltung so.:tmen.'T,\ tornkeme mit einem Ncut-
ron \\ ~·rdl..n 2 bis 3 N ~'U1I'\1oI1~T1 frei. die weitere K~'l'TlC spal-
ten können . Die kritische M.......sc ßIILSS IIb...Tso.:hri ll~'J1 sein.
I" . J.: trnrtllL.tulTn a) Welche Aufptbe hat das Was.'cn (Jc~' k - llder \\ ur/ elseilig ). llinJcfeh1cr. Oocrh/\hungen. VerslIlIe. unl ol1knmfllene Durchschll cillung II S\\ . Sehllieri g sind AusSilgen über die Tiefenlage unJ Ausdchnuilg der I'ehkr. be ~...ndeß parallel lu r I>urchsl.....hlung.srichlung.
Literatur zur Radiochemie und instrumentellen Ana h Hk [I) [2) [3)
H. HROCl'.ER. d" ..,~ ll erd. 1811 J. J. BERZEl IUS ( 1779- 18-18): Ek mcntc zeigc'11 gegen über WiK'iCl'Sk. tf positi> c 00..... n..'g athe ..elektrische Polari tllt- ( Werti~ci t ). 1x.J.1 1.rEß lG und Pl:XiGENllORFF Ilihrcn ticfge-
setzte Indices ein. 1.. n. 11;0 fOr wesscr. 1H5H A . S. O .lUPF.R ( ISJI -IlN2 ): Bindungsstriehe und Viind igl..cil dc-s Kohlenstoffs 1861 A . I\ lrrU ROW ( 1828 - 1866): _S·/rulaur . 187-1 Tetraedermodell d..-s KohlcnSlt>fTs,--_ .. 189 J 1\ . W ERNER(IKf>6"!" 1',l19 . Nobelpreis 19I J ): Koordinananstehr e t1Ir um 1850 ge funde ne verbindun gcn " i.; '\IF, ·J KF und ('0('1 1'6 NIl.. IM93 J. W. Sl Rl!IT und W. RAMSAY: Edelgase . I9IJO DRUDE und 11. 1.0RI':NTZ (185J - 19211.. Nobelpreis 19( 2 ): Efd /rlJlII'nKilSlI/od"'!. 191 ~ KOSSFI.: Th eorie de r !m/11'1I
"
5 Cbcmiscbc Ilintlung und Struktur
5.1.3
.
Beim Zusammentritt der Ionen zum Ioneng itter wird d ie Gitt ere nergie (Gif/erenl"alpie ) frei. S ie ist in der Natur d ie Triebkraft für d ie Bildung von Sal zen! Bevor festes Natriumm etall und Chlorgas ei nen Koch sa lzkristall forme n. gehen drei energiezehrende (enJollwrme) Schritte voraus. I . Festes Natrium verdampft oh ne Umweg über d ie flüssige Phase in den Ga szu stand. Dazu w ird d ie SublimaliOIlW'nlhtllp it' ben ötigt : + I09 kJ /mol.
2. Chlormoleküle spa lten in zwe i C hlorato me auf. unter Au fwand de r Dissoziaüonsembatpie: + 127 kJ/mol (CI) .
3. Atomarer Natriumdampf bildet Natriumionen. wenn die kmisieru ngsenthaipie zugefü hrt wird: +49-1 kJI mol. -t. Das gasförmige Chloratom fängt das freigesetzte Elektron ein und w ird zum Ch loridion. Dabei w ird die EJelarOtJf.'llaffinilii1 frei: - 365 kJ/mo!. 5. Natrium - und C hlorionen treten zum Kochsa lzkrista ll zusammen: die Gittere nthalp ie wird frei : - 768 kJ /mo l. Insgesa mt wird d ie mula re Blldungsenthafple von -103 Kiloj ou le j e Mo l ( I mo l = 6.023 '10 23 NaC l-Moleküle} frei. 2 Na + Ch _
2 NaC I
MI:
= ---t03 kJ/mol
(k r 100.:\ f bede utet _Hi]J ung- (eng!. j or mtl/iOl/). die hoch gestellte Null Standard bedingun gen (25 °C = 298.15 K und 1013.15 rnbar),
5.1.4
.
.nOR' IhHfR k:n .ls l, roLt"S!>
Cittl'rener~il'
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Berechnung \tlll fi illcrenc rgicn
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..,'f • tt _+ ..... + ·1- t:-~- ...... " ar
,
Die Summe de r Enthalpieänderungen in einem Kreisprozess ist null.
Hydrutatiun
Triebkraft der guten Wasserlöslich keit vieler Sa lze ist d ie Hydratation: d ie Umhüllu ng von Ionen durch Wassermoleküle, wobei die Hydratarionsenthalpie frei wird. Im lnnem ei nes Ionengitters sind d ie Anz iehungsk räfte ausgeg lichen: an den Auß enzonen strahlen sie gerichtet in den Rau m. Wasserdipole werden angezogen: deren Sa uerstoffatome lagern sich an d ie Kationen des Salz kristalls an. d ie w asscrsto ffa rom c an d ie Anionen. Gelrieben VOll der Wärmebewegu ng fliehen d ie Ionen aus dem Git terverband : das Sa lz dissoziiert (zerfallt). Im fre ien Wasser werden Anionen und Kationen dan n vollständ ig von Wasserdipo len umhü llt. a lso hydratisiert ( .. 5.5.2). Man schreibt aq ..aq uorisic rr' für ..von einer Wasserhü lle um geben".
NaCI _ Na;oql + CI;oq) Übersteigt d ie l(rJralaliom e/flhalp ie d ie Gitterenerg ie. erwärmt sich d ie Lösung. Andernfalls kühlt die Lösung ab und ein Energieeintrag d urch Rühren w irkt förderlic h. In anderen Lösu ngsmitteln al s Wasser sp rich t man allgemei n von So ls a ta t le n und Sotvatauonsenthalpie. Hyd ratis ierte Wasserm o lek üle. die ins Ionengitter eingebaut werden. nennt man Kristauwasser {Hydratwasser).
l.ü s ungscnth alpie
>0 - 0 Ol
NlI 19I · (Ilg1
I)
Q
,
I
~'"''JI''' 3 10000isltl'ungsEnthalpie
! 236
• •
) .~- . Cll
S II.C1 in 11:0
11) tlralalitllls"'ß thalpie
(filterenthalp je
76
I AII\:clncinc und Anurganische Chemie
5.2 Atombindun
kovalente Hindun )
Mol eküle sind Verbind ungen von mind estens zwe i Nic htmerallatomen. die sich e in oder mehrer e Bindungsele ktronenpaare teilen. Zum Aufbau eines Kristallgitters fehlen fre ie Bindungen. sodass Molek üle meist flüchtig sind. also niedrige Sc hmelz- und S iedepunkte aufwe isen.
Ik ispic1c lllr Alomhindungl.-n • wasser II ~O. ..lm",flni(l~' NI h . ,'ircifachbindung.
no•
==='-"'= ='---'1
f.infacbbintlungt.T1 sinti o-Hindengcn, l)oppclbintlungt.TI bC'sld lt.'ll aus etrer 0 ' und eiOt.'f II. Bindung. l>rcifa.:hhindungt.-n bc...lehcn aus einer 0und zwei li-Bindungen. SaucrstolT i~
ein lJir.to.lil al:
Oie U" ppclbintlung ist fal.....h:
p-p-o- Ei n fac hbi nd u ng
f. i nfac h bi nd U"2
"''''', )- (~';bi""''''') (Hbücktruoen Uel tron..'ll
.\ -p- 6 -
Q+Q Q- Q
F.in fac h bind u n 2
Chlor
Dbcrleppung , on s-Orhitalcn
Obt.'Tlappung von p-Orbilalcn (in Bindungsri ch tung}
Jed es II-Alom erreicht dic He- Schale.
Jedes Cl-Atom mit der Ekktnlllt.'llkonfigu- 11 erreicht die He-Schale. nnion Isl 2s12p' erreicht die Argonschale. F tlic Ne-Schale.
0 -0--0 H'
•
'H
H;H
Ob.:rlappung \ ' 1fI s- und pOrbitalen
-
ICI - + ' C1 1 ..... IQ- ClI Bindun gsordnung HO
MOindigkcit d es Koh k nstolTs nie ht l-rLlärOOr. ~ 2.1. 10.1.
1I)'br idisicru ng und Mehrfac hb ind unge n hei m Kohle n..toffatnm o-Bindung
\
Gru ndtuslund
JpJ.Orb itule
v / -Orbita le
Ir-Wol ke
\
dJfr:iliJ
C C- DopJlclbind ung Reine ('--C- lind ('- I I-n-llinJ ung in
Alkuncn: Ethllll ll ,('--{' I h
o- Hindung
\
V'-( )rb italc
Ir-Wo lken
\.
~ r r 'r' "t' L.ll..!....l..!
C =C· l) r{"i f'll." h b ind UII •
Alkcucn : Et hen I b('=C II)
Eine 0 - und zwei a-Hind ungcn in A lkine n: Eth in H('..CIl [Acetylen)
('· Atom: Wi nkel : Atome: Ikispiel e;
('-Atom ; Winkel : Atume; Ikisp ielo:;
Kombinierte o-x-Bindung in
",. I,
(,·Atom : Wi nlc1: Atome: Bei spie le;
tetra go na l rcrrecd risch (109" 28' ) (' m it 11. C . Halog cn C I ~, CC4. ~ 1I .. lhO
trigonal planar ( 120") C mi tC. O.S ('O~, Keto ne
d iago nal linear ( I Sir) C mit C, N N:. II(,~ , Nitrile
5 Cbcmiscbc Ilinllung und Struktur
S.2A Hyb r ulurbital e mi t fl-F.kkl ro nen Die Elemente ab der 3. Periode befolgen die Oktettregel nicht mehr streng und nehmen zusätzlich Bindungsele ktronen in die freien d-O rbitale auf. Jeder Ligand am Zemralatom steuert ein Bind ungselektron bei. Für jede Hybridisie nmgsfonn bilden sich typische Molekülstrukturen aus. ßt'iw ie/ I : Wd che Struktur haben die Molckllle Ph_S F~ und SF/ ' Die fünf hzw . S4~IL'i valcwclckmmcn des Phosph or- bzw . Schwefelaiom s \ endkn \\ ir auf die .~ •• ~ und d.( )rt,il.lle der äußersten Schal e. ktJcr Fluo rl igand hingt ein Uektnlfl t in die kovelcmc Bindung e in. Ab zählen de- 1l) brii tak l eigl uns die lI ) brid is ieru ng. 3s J 3d
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Große Energiebarrie rc ror den Elck-
sehr klein. sleigl mu zußChn-.'l"':r Ternpcn nur
sehr hoch
tl'rbitalc (a..- ' auf. Die I~.()rb i tale sind nichtbindend (d,,). B..'S'" < Rc t < < "1' < Absorption : IR Farbe: Sd l\\ arl
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orange
gelb blau
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90
I AII\:clncinc und Anurganische Chemie ~ Anwendtmgsbeisplet:
O ktaedrischer Kom plex
Liegt das grünfarbcnc Eisen(ll) in wässr iger Lösu ng als HS- oder LS- Komp lex vor? Die A ufspaltungsenerg ie für Aqua liganden beträgt l1Ea = 124 kl , die Spin paaru ngsene rgie E'f' '' 2 10 kJ. lI i ~h
Spin- Ko mplex (An lagerungskomplex)
VB-T heo rie : Im {Fe(H!O h,f' hat Fe( II) e ine d 6'- Kon liguration . In Komple xen liefe n jeder H!O-ligand ein Ele ktronenpaar ans Zentralatom (.... 5.2.3. SA.I ).
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~~ Fe 1
Nt\ ): 10 Basenpaare bild en eine Schrauhcm\ indung (0.3-1 nm lIueh. 2 nm Durchmesser ).
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Ahie
rege llos angcordneten "rist31litc ....:.1' Probe crvcugen bei llJ(.nllchromati scber R(lntgenstrablung Hragg'scbc Beugungsrin ~.... auf cmcm ~ h nlkrfbr· mig um d ie rn....... gelegte n Eilm. AnwendungIl1Ichs~ mmctrisclle Strul turcn MineraJienanal~ sc. FCj,tl(lrp,:real.lil_'11 (ll l:i/rönl~nspcllJ'O!, lopio: 1_
11
98
I AII\:clncinc und Anurganische Chemie
5.7
Reale Kristalle, Gef'ü e und Materialkenn röDen
5.7.1 Gilt•-rdcfcktc und Metullografle Fehler freie Idea lkristalle kennt die Natur nicht! Die techno logischen und physikal isch-che misc hen Eigenschaften sind Fo lge de-s po lykristallinen Aufbau s der Stoffe. Ein Metallst ück erscheint makroskopisch a ls g le ichmäßig zusa mmengesetzter Körper mit •.phäromenologlscben- Materialkenngrö ßcn wie Elastiz itätsmodul. Härte und Leitfähigkeit. Unter dem Mikrosk op sieht man das Ge füg e a ls An sammlung. von kristallinert oder amorphen Bereichen und dazwischen befindlichen G renzflächen. Es zeigt : • Einphasige Mikrobereiche Körner (Kristallite ). Einschlüsse (Veru nre inigungen), Au sscheidungen. Poren. • Strukturelle Bau fehler: Korngrenzen. Fehlstellen. Versetzurigen. Seigerungen (Entmisc hungen in ers tarrend en Schmelzen und G ussteilen), Zwillingsbildung {unterschied liehe Kristallorient ierungen ). Durch d ie Materialbearbeitung entste ht d ie Text ur - die Gleichrichtung der Kristallachsen be im Gießen. Walzen. Z iehen. Rekri srallisieren : sie erklärt anisotrope' Stoffeigeusehaften. Eine ••Schmiedefaser- ernsteht. wenn sich Schlacketeilchen in Verarbeitungsrichtung anordnen .
lo .. Udl\m iln~lopi sclk.-s Schli nhi ld von Gusseisen GG I. 25 in 65.fach..:rVCfltrößerung : pc'rlil M hn C; l'rIi: 1' mil l .amelkngrafk und eingelegenen Tnancarbidcn. n ie Oh.:rf1khe \\UNo: I um ti.:fm it einem Excimcrtescr in ein ferritiscbes Gdlll!-c umgcschmolzcn . GejUge : Mil m slllpi o;c:h ..pot.e-, inhomogene Teilchcn-, Fase r- od..-r Sint~'I"\c:rbärKIc mit
Phasen,
Kom1!J\.'I1/~'I1,
Tevtur
f 'einslrtha-"ig-horno{!cn. ehemischen Verbindung..'Tl ähnlich; kompli/ i ~"'e Kristallgitto.rr, ionische und k'l\ ak'Tlte Bindungsenteile • Inl t rm c:I. J1Nhc: Phll\l'n H. Cu,As.. A I:!.2 I1 ~.. l'eC r. Nb-Oe. TiJNi.. Zr~I. I.iAJ. SmCo.. TiAI I .
• Intt f'll ilic:lle Pha\l' n •.Einlagcrungsmischkristallc", sttlchiornetrisch zusarnmcngersctzt, ohne m~'ta11ische Ejgcnschaflen. L. H. Carbide. Nitride. Hmide dc... Übcfl!uog."nlClulle
• t:ulc:L.toid EUlektikum-ähnlich...-s 1\1 ciphascngcmisch. da... durch Zerfall eines Misch- FeIe WC vc TiC ZrC TaC ) kristalls ..-rustcht, z. H. Perlit (Ferrit + ztlllChmcntler Schmelzpunkt ZenwnJit)durch Austenitzerfall
(i lHtl, ' sche l'h " ' C:llrel:d F - A - p + I nntl Z u\ta nd\\f hauh ild (f"!-relhcllsgrddc. j..' Komponenten, f' Phasen]
Zwei \'(j/liK mischbare Komponenten Zwei nicht mischbare Komponenten im testen (ode r llUssigen) Zustand im Drcip hascnsystcm : f · = 2- 3+ 1 - 0 haben F - 2- 1+I - 2 Freiheitsgrade. Freiheitsgrude. d. h. die Temperatur d. h. Temperatur l.IillI Kon/ cntnuion muss solange konstant bleiben [llultckönnen sich 1Illahhängil!- voneinander punktj . bis sich die Zahl der Phuscn ändern. Es gilu ein Schmdzi!ill:.n:iill verringen hat: Bildung eines EUII,ktiim lmscnförmigcn Zweiphasengebiet kUIIII mit einem Schmclztll!!!11. wo ..lest + flüssig" zwischen SI,lidus- lind Soliduslinie (llnrilOntale) und l.iquil.iquiduskurvc. duslinic (V) zusammenstoßen.
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cium ein fcrruischcs Gefüge. Magn~'Sium und Cer fördern die IJildung \tlfl Kugelgrafi t. Ireifks Gus sd'4!n mit ca. 1 '!';' Silicium enthält - wie SlahlKuss - Zem entit, der heim mchrtägigen Glühen (Tempern ) in Gmlit "'-...fälh.
St ähl e
T
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9 l1'C
Gu s s ei s en 114 1 ' C
Auste nit y
Austenit ... Zementit
0.02 %
Perlit + Zementit
unter- C 0.8% ): übereule kto id
~ Austenit ... Zementit + l ede burit Perl it + Zementit + Ledeburil
2.1%
.
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123"(,
: Ferrit ... Perlit
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Sekundär- oder Senatenzernennt
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4.3% KohlenstoHgehalt- +
.. EMn- l..: ohlc-n~t"lT-UillJ: ... mm (nicht ma&1lihlidter Ausschnitt). ZCllll.....tit ist cm.'fi.kf\:ich~... als C,mlil. Man unk-rsclk:i·
oc't das ml.'la.fltlhile Fe-Fc.C-S 723 "C
in de n Austenit zusta nd. Beim Absch recken der Sc hmelze entsteh t sehr harter und spröder Manensir. .... 5.8.2 I Durch Anlassen (Glü hen c 650 "C) w ird die gewünschte Gebrauchshärte und Zäh igke it erzielt (Martensit zerfä llt). • Verxlilen: Beim Il ärten mit Anlassen oberhalb 723 °C ge ht die Härte verloren. die Zä higkei t aber ste igt.
Ni.l"r; 0.4 % l"u. l'b:
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In
An~changtc
ZUSlll.r.s)mbule:
GOlcgruprc
.1 K cr hscb l ag7~ higkcit \ 1 mcrmomc chanisch g~\\alrt , llurm.-tl~c~l lIht (l-"cinLllmsta hll \\ wencr fest
I.
L I!. l. UlI37 .. S235JRG2 \\'cr\;.slllllllilupl grIlPrc I .. Stahl
Oll Gruppennummer J 7 Zählnummer
werkstoffe. • Bei härtbarem Stah l wird die Randschicht erhitzt und abgeschreckt [Fla mm-, tnduktions-. Tauch- und Laserhärren). I Ist der Stahl nicht härtbar (z u geringer Kohlensto ffanreil), erfo lgt vor dem Härten eine Aufkohlung der Randsch ich t. Beim Ei ll.wt:lulrlell (Aufkohlen + Härten + Anlassen) dienen Hol zkohle. Cyanmsc hmelzen oder Propangas als Aufk ohlungsm iuel. I Zum Nitrieren werd en Ammoniak. Stick stoffi onen oder C)·an~sch m elzen ge nutzt . Sticksto ff d iffund iert in d ie Oberfläche des Nitriersta hls und bilde t dort verzerrte Gitter ohne Gleitebenen. Abschrec ken ist nic ht er forderlich.
GS G.l t. G.IS G.I \l 1I G.I \ I\\
Slahlg uss: < 2~;" C Lamelle n-Grafit ...G rauguss·· IGGL.) Kugclg reflt. Sphar,'l;u_s (GGG l S~h"auc r Tempc rgu's (GTS) We ißer Te:mpcrgu_s (GTW)
We i";n: Vcrfahn.'TI: Carb""itriercn. Borieren. Chromiere'n. Alili..'I"I.'fI
11
104
I AII\:cmcinc und Anorgenischc Chemie
i
., Übersicht: Lcgicrungself: mente im Stah l
er, V. Mo l lüslich in Ferrit). Gleit\\ idcrstand, Zugfestigkeit und Streckgrenze. Stahl mit 10 ~-~ Cr ist bei 0.3 % C bereits l.egienmgselemente schieben den Pcriitpunkt (723 0('. 0.8 perluisch. mit Mo. V. W bei noch geringe% Cl und Sckundärscmenthpunkt ( 1147 "C. 2 % C) nach rem ("-Gehalt! links; behindern die C·D illusio n aus dem abkühlenden Au.l/t'n i/hildllt'r : ~1n . Co. Ni (löslich in Aust enit) AusteniL so dass \\ f.:nig Fe rri t und viel Perlit c ntstd ll. C arbidhi ld nc-r Carflidc von Ti. Zr: V. Nb. Ta: er. Mo. W (PSE: -lb-6b ) v macht daue rfes t. hart. warmfest. anlasserhöhen die hildl.'f1 intermetallische Phasen . die härter als Zementit lx"Stlindig. Wann ti:st igkcit sind! Sie \er"ög...'1'11 die Koagulation von Ausscheidungen \ h und Ja \ ...-rhindcm J ic Aus..'iChciJ ung (die Hindernisse rur Vcrst.'VlIngshewegungl."Jl sind I. &ifiil:.c-r{"hromcart>ide beim Schweißen, gerenneren Schwcißcfgneng, Schuv \ ur • TiC (3200). v r' . :-.;hC (2800). WC (2-100). Cr-,Cl (2 150). Mo:C (1500): in Klamm...' l1l VlCKERs. l1l1ne inrc-rMistallin...T KUlTos ion in der Wannc· • Mischcart>ide: (Fe.MnhC. IFe.Cr)-,C einOu-"""OIlC. • Doppdcarbidc: I'c l Fe.\lo:C ("r mad1t han. ;, 0.3 %). Ju ngen gelangen qualilülslllindt'm de EII'IIIt'll/e ins Stahl- schk'1:ht schweiß. und schm....'t.lbilr. schk'1:h[ i!clllge: I>hosphur. S,h\\efe l. Sau...-rstotT. Sticksto lT. Was· kahfonn· und /f,.1'Sl"aubar (h·menti\). st:rstulT. S macht sl"riltJe. n.[hrtlchig (1Ieißhruch); Suflide. l>htlSphide. (hiJ e us .w. liegen als spröde Schla- bei Auttlll1menstahl gute Zerspanharkeil. ckenlcilch...'fI \ur ut.kr \\ crden bei der Wann um fonnung I' macht / ugfest. \, ann fest. kumlSitmsf...-st: kalthrllchig. spr/'ode. 1USchlacken/eilen g...'Stn.-ckt (Schmi..'t.Iefascrl. NlIt/lieh in klcin...'fI Anteikn sind Mangan lUld Silicium. :'\ maioL:eit. .'1 i'>(' hl..rislll ll - .1 fi.~chl.:risl{//"w:fi·SliKlIIIJ{: Durch Gincrvcrvcrrung steigen f'erril hifd",'r:
hildn c- r erhöhen die Festigkeit
W..c.
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5 Cbcmiscbc Bindung und Struktur
105
5.8.-1 Nichteisenmeta lle Stahl ist wegen setocr I Iärtbarkeit der wichtigste Werk sto ff für hochbeanspruchte w crkzeuge. Nichteisenmetalle und ihre Legie rungen erm öglic hen Spez ialanwendungen.
t ~ir
run!=.
• l.eichlhcl/l: MilgJ"Il:s ium ( 1.75 glcm\ Alum inium (2.7). Tita n (4 .5)
(-no
• Gun fl'gi I.'TUIJKe,r: Zinn (232 0(' ). Blei (3 27 CC). l ink oe ). Magne-;ium (650 0(' ). A lumini um (660 °0 · I.,(lKenl' f tclffl.': Pb, Sn. Cu. Al-Legierungen Igutc Glcucigcnsch a üc n ) • A:.onvsio nm :hur=: Nickel (a llalihc:s ländig ). Titan [säurebeständig },
Al uminium (t..~I:ind ig gegen l ntlu~tric l u fi ). Kupfer • ElelilfVfIit : Ag. Cu. Al (hohc L.c itfllhigl eitl • Reatlorhou: Zr [geringe), Cd. llfC hohc Neulnlftl."tlabsorpl:ion l
Reine Metalle schmel zen bei höherer Temperatur a ls Legierungen und sind korrosionsstabiler. Leg iere n erhö ht jedoch Härte. Festigkeit und Spanbarkelt. wäh rend Dehnbarkeit und e lektrische Leitfäh igke it abnehmen .
+ Gehall (in %l B. " ~ \II.tSil \ 8P /. Mg " 1 4 ~. AI + 1·;' Si.) [] cmcn ls~ mhol
I.
l.eichllllt'll1id.·:
Erle",...'tl durch ~ k..scn! 16-12 J. JUNG IUS (1587- 1657) erkennt d ie Bedeutung der Waage filr die C1l. Fe ,Q •.
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17-18 xt. W . L OMONOS..V)W: _GeJet: \'VI/ der Erh.32 24,85 25.,23 u
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2 M.260 2U5 1 27 .45 3 27.0l'>t> 26,I>\lO 26.325 25.'u 1),.-UlsCh Inl,:matiooal (I) (sI fl."SI. solid
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Die Reaktiull und ihre Teifreaktioncn verlaufen exotherm.
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l' ' Iula n: und "pel. irr.t:hc C; rii Bc n
In der Chemie sind molare '" slo l1incn gcnbc-
vogcne Größt.-n üblich. I>t..T Indc, m filr _molar- wird meist fortgelassen. Die technische Thermody namik bevorzugt spezifische - mussenbcvogcnc Grü ßen (in Kleinbuchstaben ) Größe molar
Ih :ss- Sllt7. (2 . the rmochemisches Ge set z• •.Ge setz der konstanten w är mcsurnmen'') : Die bei e iner chemischen Reaktion auftretende w ärme ist gle ich der Summe der w ärm en aller Tellreaktionen. die von den g leichen Edukten ausgehen und zu denselben Prod ukten führen. Die Reak tion senthalp ie hängt nur vom Anfangs- und Endzustand einer Reaktion ab. nicht abe r vom Rea ktio nsweg. !i.II R = I1I1R. 1 + i1HR .) + i1HR.3 + ...
(I )
l' Inll il-u n1r lIie A rt der Rea "'liun
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Stumnenge
spel iliw h Masse
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Einheit J
IIm - II n
Jzmol
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' röllt: ßcispicl
Si-Einheit der Energie ist das Joule (}). In der Energietechnik wird die Kilowanstuudc (kWh) verwendet. Die in der Ernährungslehre \ crbreite ..Kllokalor lc- isl \ cratrcu Aueh die _Tonne Sleinkohll."Cinhei'" (t SKE) dar f seit Ende 1'>177 nicht mehr \l.T\l en,kt werden. _Giga" G - I O~. I J = I WS " 1/_. Wh " I Nm _ I kg m1 s~l I kWh - IOOOWb - 3.6· l o" J i rw, _ ll.76· I0 I1 kWh • 3. IH 0 10 J 1 kcal '" ~ IK6.Kl - 1.163 Wh 1 1SKf. '" 2'1.3076 GI · IU ·.. kWh
126
1 AII\:c mcinc und Anurganisehc Chem ie
L.
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..:.:..I/l;:~·'~,~,~,",~I~},~ lf.i n i t i o n e n th erm odyn amls ch er; Griißcn!..
Unbezogene Größen ( im ßhuehstah..'11 1. spe=!fi,{che Großen (Kl einbuchstaben ), molare Große n (m it Inde' Oll. Das lIhl:C"\.t: h lu" l'n(' S, , t(,01- o hne Sto lT· und Energieausrausch mit de r Umgebung, l. B. Th ermoskanne - leistet nur l"C\ersible volumenarten. warm e und Arbeit s ind kein e Zu standsg rößen, so nde rn \\egabh:lngige Prozessgrü ßen . • Das lldill hll t i~ hl' S, sl rm tauscht [n~~ie in Form von Arbei t - nicht Wllnne und Materie _ mit de r Umgcbu ag aus; I . B, KtlfllPI\:s s io n im Gasmotor. Das orT('nr S, ,t('nl lau scht Energ ie und Materie mi t de r Umgebung aus; ,~ 1\. Küh lschrank . Ilcißlut\mot or. Heizeng.
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