Allgemeine Chemie E-Book

Olaf Kühl

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Verdammt clever!
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 276

Veröffentlichungsjahr: 2012

Beschreibung

Kompakt und »verdammt clever« auf den Punkt gebracht - so gelingt mit diesem klar strukturierten Lehrbuch der optimale Einstieg in die
Grundlagen der Chemie. Nicht nur für angehende Chemiker, Biochemiker und Chemieingenieure, sondern auch für alle Studierenden der Lebenswissenschaften, Medizin und Pharmazie ist die allgemeine Chemie Voraussetzung für das Verstehen von Sachverhalten benachbarter wissenschaftlicher Disziplinen.

Mit dem Blick aufs Wesentliche gerichtet, sind alle prüfungsrelevanten Lerninhalte wie der Aufbau des Periodensystems, Bindungskonzepte, Säure-Base und Redoxreaktionen und vieles mehr äußerst verständlich erklärt und abgedeckt.

Dabei unterstützen besondere Textelemente Ihren Lernerfolg:

* Für inhaltliche Orientierung sorgen optisch hervorgehobene Schlüsselthemen am Kapitelanfang.
* Das Wichtigste wird kurz und prägnant in Definitionen und Merksätzen zusammengefasst.
* Beispiele helfen beim Anwenden des Lernstoffs.
* Ideale Hilfe beim Nachschlagen von relevanten Stichworten und Begriffen bietet ein Glossar.
* Wissenstest und Prüfungsvorbereitung: Aufgaben mit Lösungen helfen ungemein beim eigenständigen Überprüfen des Gelernten.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Abkürzungen

1 Atombau

1.1 Der Aufbau des Atoms

1.2 Das Periodensystem der Elemente PSE

1.3 Was sagt uns das Periodensystem der Elemente?

1.4 Die Reaktivität der Elemente

1.5 Der Magnetismus

2 Stöchiometrie

2.1 Die chemische Formel

2.2 Reaktionsgleichung

2.3 Lösungen

2.4 Gase

3 Bindungen

3.1 Die metallische Bindung

3.2 Die ionische Bindung

3.3 Die kovalente Bindung

3.4 Die Donorbindung

3.5 Strukturen von Hauptgruppenverbindungen

3.6 Hypervalente Verbindungen

4 Redoxchemie

4.1 Ermittlung der Oxidationszahlen

4.2 Stabilität von Oxidationszahlen

4.3 Aufstellen von Redoxgleichungen

4.4 Beispiele für Redoxreaktionen

5 Säuren und Basen

5.1 Die Säuredefinition nach Brønsted

5.2 Indikatoren

5.3 Die Säuredefinition nach Lewis

6 Ligandenfeldtheorie

6.1 Entstehung des Ligandenfelds

6.2 High-Spin- und Low-Spin-Komplexe

6.3 Der quadratisch-planare Komplex

6.4 Der Jahn-Teller-Effekt

7 Spezielle Koordinationschemie

7.1 Stabilität von Koordinationsverbindungen

7.2 Der Chelateffekt

7.3 Katalyse

7.4 Die Koordinationschemie des Protons

8 Chiralität

8.1 Zentrale Chiralität

8.2 Axiale Chiralität

8.3 Planare Chiralität

8.4 Helikale Chiralität

8.5 Prochirale Verbindungen

8.6 Die Bedeutung der Chiralität

A Kurz erklärt

B Richtig gelöst

Index

Beachten Sie bitte auch weitere interessante Titel zu diesem Thema

Kühl, O.

Organische Chemie

für Lebenswissenschaftler, Mediziner, Pharmazeuten…

2012

ISBN: 978-3-527-33199-4

Arni, A.

Grundkurs Chemie I und II

Allgemeine, Anorganische und Organische Chemie für Fachunterricht und

Selbststudium

2010

ISBN: 978-3-527-33068-3

Mikulecky, P.

Übungsbuch Chemie für Dummies

2006

ISBN: 978-3-527-70532-0

Moore, J. T.

Chemie für Dummies

2008

ISBN: 978-3-527-70473-6

Autor

PD Dr. Olaf Kühl

EMA Univ. Greifswald

Institut für Biochemie

Felix-Hausdorff-Str. 4

17489 Greifswald

© Erhan Ergin / Fotolia.com für die in der Randspalte verwendeten Symbole

1. Auflage 2012

U Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar.

© 2012 Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind.

Print ISBN: 978-3-527-33198-7

ePDF ISBN 978-3-527-66966-0

ePub ISBN: 978-3-527-66965-3

Mobi ISBN: 978-3-527-66964-6

Vorwort

In den vergangenen etwa 20 Jahren hat sich die Biochemie von einer Randdisziplin irgendwo in der Schnittmenge zwischen Biologie, Chemie und Medizin und mit eigenständigen Wurzeln in jeder dieser drei Wissenschaften zu einer unabhängigen und zentralen Naturwissenschaft mit gesundem Selbstbewusstsein entwickelt. Gab es damals in Deutschland (West) nur vier Universitäten mit einem Studiengang Biochemie (Diplom), so gibt es heute kaum eine Volluniversität ohne sie. Doch damit nicht genug. Die Biochemie hat auch die Kraft gefunden, mit der Biotechnologie, der Chemischen Biologie und der Medizinischen Chemie, um nur einige zu nennen, eigene Fachrichtungen zu begründen oder aber bestehende zu befruchten. Gleichzeitig hat man einen Weg gefunden, der zunehmenden Aufsplitterung biologischer Forschungsgebiete sprachlich zu begegnen und so ein Gegengewicht zu den klassischen Naturwissenschaften Chemie und Physik zu schaffen. Man spricht neuerdings von den Lebenswissenschaften und meint damit nicht nur die klassische Biologie, sondern auch die Medizin, die Pharmazie und die neuen Fachgebiete wie Biochemie und Biotechnologie.

Dabei erhebt die Biochemie den Anspruch, die chemischen Prozesse in biologischen Systemen (Organismen) beschreiben zu wollen. Dies sind zumeist Reaktionen der Organischen Chemie, die teilweise unter Beteiligung von Metallkationen stattfinden. Es müssen also Grundkenntnisse dieser chemischen Reaktionen bekannt sein, um die Biochemie verstehen zu können. Das Gleiche gilt natürlich für die verwandten Wissenschaften wie Medizin (quasi die Biochemie des Menschen) und die Pharmazie (die meisten Arzneimittel werden mit Mitteln der Organischen Chemie synthetisiert), aber auch für die Biotechnologie, die mit den Enzymen und den Methoden der Biochemie arbeitet. Es ist daher erstaunlich, dass es zwar eine Vielzahl von Chemiebüchern für Chemiestudentinnen gibt, die auf 1000 und mehr Seiten die gesamte Organische, Anorganische oder Physikalische Chemie darstellen, aber kaum Lehrbücher, die kompakt aber dennoch anspruchsvoll eine Teildisziplin auf 200–300 Seiten speziell für Studierende der Lebenswissenschaften aufarbeiten und präsentieren. Mit den Bänden „Allgemeine Chemie“, „Organische Chemie“, „Anorganische Chemie“ (in Planung) und „Biochemie“ (in Planung) innerhalb der neuen Lehrbuchreihe „Verdammt Clever“ möchte ich diese Lücke füllen und den Lebenswissenschaftlern die chemischen Grundlagen ihrer Wissenschaft näherbringen.

Der Band „Allgemeine Chemie“ erklärt die Grundzüge der Chemie ausgehend vom Atommodel und entwickelt daraus das Periodensystem der Elemente, die zentrale und kompakte Datenbank des Chemikers. Davon ausgehend lassen sich Bindungskonzepte entwickeln, die Abgabe und Aufnahme von Elektronen in chemischen Reaktionen (Redoxreaktionen) darstellen und verstehen und der Begriff der Säure und der Base anhand der Brønsted- und der weiter gefassten Lewis-Definition entwickeln. Mit dem Verständnis der Lewis-Definition werden dann Koordinationsverbindungen und Metallkomplexe erklärt. Schon hat man das Rüstzeug zum Verständnis chemischer Moleküle und ihrer Reaktionen und kann sich in die einzelnen Spezialgebiete der Chemie, wie die Organische Chemie, die Anorganische Chemie und die Biochemie, vertiefen. Das abschließende Kapitel „Chiralität“ fällt in der allgemeinen Entwicklung vom Atom zum Metallkomplex etwas aus dem Rahmen, ist aber von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Biochemie mit ihren stereoselektiven Reaktionen, der Organischen Chemie mit ihrer Vielzahl chiraler Verbindungen und Teilen der Anorganischen Chemie, deren Metallkomplexe ebenfalls viele chirale Vertreter aufweisen.

Mein besonderer Dank gilt den Studentinnen der Biochemie, Medizin und Pharmazie, die sich die Mühe gemacht haben, das Manuskript kritisch zu lesen und mit ihrer konstruktiven Kritik wertvolle Anregungen gegeben haben:

Jennifer Frommer

Sina Gutknecht

Claudia Schindler

Melanie Tauscher

Der Band „Allgemeine Chemie“ entstand unter reger Inanspruchnahme einiger Lehrbücher aus meinem eigenen Studium und unter Zuhilfenahme aktueller eigener Veröffentlichungen. Insbesondere sind dies:

Hollemann-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Walter de Gruyter, Berlin, 91–100. Auflage 1985

N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, Pergamon Press, Oxford, 1989

Olaf Kühl, The Coordination Chemistry of the Proton, Chemical Society Reviews 40 (2011) 1235–46

Ngo Thi Hai Yen, Xenia Bogdanovic, Gottfried J. Palm, Olaf Kühl, Winfried Hinrichs, Structure of the Ni(II) complex of Escherichia coli peptide deformylase and suggestions on deformylase activities depending on different metal(II) centres. Journal of Biological Inorganic Chemistry 15 (2010) 195–201

Wichtige Begriffe und Konzepte sind Einträge im Glossar und können dort nachgeschlagen werden.

Olaf Kühl

Greifswald, im Dezember 2011

Abkürzungen

‡

angeregter Zustand

AIBN

Azobisisobutyronitril

AO

Atomorbital

Ar

aromatischer Rest

B

Base

Bz

Benzyl

CN

Cyanid, Nitril

Cp

Cylopentadienyl

D-

rechtszeigend am untersten asymmetrischen C-Atom in der Fischer-Projektion

ΔT

in der Hitze

δ

–

,

δ

+

negative, positive Partialladung

DBPO

Dibenzoylperoxid

DDT

1,1,1-Trichlor-2,2-bis(4-chlorphenyl)ethan

DMF

N,N

-Dimethylformamid

DMSO

Dimethylsulfoxid

E

Element

(E)

entgegen; Isomeres an der Doppelbindung

Et

Ethyl

EtOH

Ethanol

[H]

Hydrierung

[H

+

]

saure Katalyse

hv

Bestrahlung; unter Lichteinwirkung

HOMO

highest occupied molecular orbital

HSAB

hard and soft acids and bases

i-

ipso

I-Effekt

isomerer Effekt

[Kat]

Katalysator, Katalyse

L-

linkszeigend am untersten asymmetrischen C-Atom in der Fischer-Projektion

LUMO

lowest unoccupied molecular orbital

m-

meta

M-Effekt

mesomerer Effekt

MBE

Methyl-

tert

-Butylether

Me

Methyl

MeOH

Methanol

MO

Molekülorbital

MTE

Methyl-

tert

-Butylether

[Ni]

am Nickel-Katalysator

Nu

-

Nukleophil

o

-

ortho

[O]

Oxidation mit Sauerstoff

OAc

–

Acetat

[Ox]

[Oxidation]

p

–

para

Ph

Phenyl

PSE

Periodensystem der Elemente

py

Pyridin

(

R

)

Konfiguration am asymmetrischen Atom: Reihenfolge mit dem

Uhrzeigersinn

[Red]

[Reduktion]

(S)

Konfiguration am asymmetrischen Atom: Reihenfolge gegen den Uhrzeigersinn

[S]

Umsetzung mit Schwefel

THF

Tetrahydrofuran

Tol

Tolyl

Tos

Tosylat;

p

-Toluolsulfonsäure-Rest

X

Halogen; Halogenid

(Z)

zusammen; Isomeres an der Doppelbindung

1

Atombau

In diesem Kapitel…

Die Chemie ist die Lehre der Stoffumwandlungen. Diese Stoffumwandlungen gehen mit dem Transfer von Atomen, Elektronen bzw. Elektronendichte oder Ionen einher. Wir müssen uns also Gedanken machen, wie Stoffe aufgebaut sind, was Atome, Ionen und Elektronen sind und wie sie transferiert werden können. Die Chemie funktioniert wie ein Modulbausatz. Einzelne Stoffe (Moleküle, Salze) werden aus kleineren Modulen zusammengesetzt, die ihrerseits aus noch kleineren Einheiten aufgebaut sind. Die kleinste Einheit, die noch „alle“ Eigenschaften eines solchen Stoffes aufweist, heißt Atom (griech. atomos: das Unteilbare) bzw. Molekül. Stoffe, die nur aus einer Sorte Atome aufgebaut sind, werden Elemente genannt. Moleküle, die Atome unterschiedlicher Sorten enthalten, sind die kleinsten Einheiten chemischer Verbindungen. Elemente können atomar, als Moleküle oder als Verbund einer quasi unendlichen Atomzahl in Atomkristallen oder Metallen auftreten.

Schlüsselthemen

Verständnis des Baus der Atome und das Wissen um ihre BausteineVerständnis der Orbitale und ihrer energetischen AbfolgeVerständnis des Periodensystems der Elemente PSE und seiner Rolle als zentraler Wissensspeicher der ChemieDas Wissen, wie man sich die Informationen des PSE erschließen kann

1.1 Der Aufbau des Atoms

Wie nun sieht so ein Atom aus? Der Begriff stammt aus der griechischen Philosophie. Durch reine Überlegung kamen die alten griechischen Philosophen (Leukipp, Demokrit, Epikur) im 6.–4. vorchristlichen Jahrhundert zu dem Schluss, dass man Materie nicht beliebig häufig teilen könne (Abbildung 1.1). Irgendwann müsse es ein Teilchen geben, das alle Eigenschaften des Stoffes in sich vereint, aber so klein ist, dass es nicht mehr teilbar ist. Dieses Teilchen bekam den Namen Atom. Das antike Wissen ging über die Jahrhunderte (Jahrtausende) verloren, und es war John Dalton vorbehalten, derartige Überlegungen in die moderne wissenschaftliche Lehre einzuführen (1803–1807). Dalton gilt daher als der Begründer der modernen Atomlehre. Anders als die altgriechischen Philosophen gründete Dalton seine Atomlehre auf experimentellen Befunden. Insbesondere bezog er sich auf das Gesetz der Erhaltung der Masse, das Gesetz der konstanten Proportionen (Proust 1799) und das Gesetz der multiplen Proportionen.