Anorganische Experimentalchemie (Modul CD 1.1 / Prof. Dr. M. Westerhausen)

1.         Einführung

      Die Chemie, eine experimentelle Wissenschaft

      Aufgaben der Chemie (Synthese, Analyse)

2.         Stoffe und Stofftrennung

            Heterogene und homogene Stoffe, Reinstoffe, Verbindungen, Elemente

3.         Chemische Reaktion und Energieumsatz

3.1       Materieumsatz

3.2       Energieumsatz (exotherme und endotherme Reaktionen, Reaktionsenthalpie)

3.3       Reaktionsgeschwindigkeit, Aktivierung chemischer Reaktionen, Katalysator

3.4       Verhältnisse bei chemischen Reaktionen

3.5       Atome und Moleküle (Dalton’sche Atomhypothese, Gasgesetze, Elementarteilchen)

4.         Der Wasserstoff

4.1       Vokommen, Herstellung von Wasserstoff im Labor und in der Technik

4.2       Physikalische Eigenschaften von Wasserstoff

4.3       Chemische Eigenschaften von Wasserstoff

5.         Atomhülle und Periodensystem

5.1       Rutherford’sches Atommodell

5.2       Bohr’sches Atommodell, Atomspektren

5.3       Welle-Teilchen-Dualismus

5.4       Schrödinger-Gleichung, Quantenzahlen, Pauli Prinzip, Spin, Elektronenkonfigurationen,

5.5       Aufbauprinzip des Periodensystems der Elemente (PSE), Hund’sche Regel,

5.6       Periodische Eigenschaften (Ionisierungsenergie, Elektronenaffinität, Radien, Elektronegativität, Leitfähigkeit)

6.         Edelgase

6.1       Vorkommen und Gewinnung

6.2       Physikalische Eigenschaften

6.3       Verwendung der Edelgase, „Neon“-Röhren (Leuchtstoffröhren)

6.4       Edelgasverbindungen (Einführung)

7.         Sauerstoff

7.1       Vorkommen und Darstellung (siehe auch Kap. 2)

7.2       Physikalische Eigenschaften

7.3       Chemisches Verhalten

7.4       Ozon: Bildung und Eigenschaften

8.         Atombindung

8.1       Molekülorbital-Theorie (MO), LCAO-Verfahren, MO-Schema von zweiatomigen

            Molekülen (N₂,O₂, O₂⁺, O₂^-, O₂^2-, HF, H₂O), σ- und π-Bindungen

8.2       Valence-Bond-Theorie (VB), Elektronenpaar-Bindung, Elektronenformel

      (Lewis-Formel), Oktettregel, Mesomerie, formale Ladung, Hybridisierung,

            Doppelbindungsregel, Bindungslängen/Bindungsstärken (Enthalpie),

            Elektronenpaar-Abstoßungs-Theorie (VSEPR), Polare Atombindung,

Van der Waals-Bindungen, Wasserstoffbrücken-Bindungen

9.         Metall-Bindung

9.1       Eigenschaften von Metallen

9.2       Dichteste und nicht dichteste Kugelpackungen, Koordinationszahlen („coordination number“ CN)

10.       Ionen-Bindung, Salze

10.1     Eigenschaften von Salzen, Atom- und Ionen-Radien,

10.2     Wichtige Ionengitter, CN und Ionenradien, Gitterenergie, Born-Haber-Kreisprozess

10.3     Zusammenhang zwischen Bindungstyp, Gitter und Eigenschaften von Verbindungen

10.4     Der Lösungsvorgang, Hydratation, Hydratationsenthalpie, Solvatation

11.       Das Wasser

11.1     Wasserstoff-Brückenbindungen und Eigenschaften des Wassers, Dichteanomalie,

            Zustandsdiagramm

11.2     Osmotischer Druck

11.3     Dampfdruckerniedrigung, Siedepunkterhöhung, Gefrierpunkterniedrigung

12.       Die Halogene, VII. Hauptgruppe

12.1     Vorkommen

12.2     Darstellung der Halogene

12.3     Physikalische Eigenschaften der Halogene

12.4     Chemische Eigenschaften der Halogene

12.5     Oxidation und Reduktion, Redoxvorgänge als Elektronen-Übergänge

12.6     Oxidationszahl (-stufe), Aufstellen von Redoxgleichungen

13.       Halogenwasserstoffe

13.1     Darstellung aus Halogeniden und Säure sowie aus den Elementen

13.2     Kettenreaktion, photochemische Reaktion

13.3     Eigenschaften von Halogenwasserstoffen, H-Brückenbindung in HF;

            H-X als Reduktionsmittel und als Brönsted-Säuren

14.       Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht (siehe Kap. 3)

14.1     Chemisches Gleichgewicht, Massenwirkungsgesetz, Gleichgewichtskonstante,

Prinzip von Le Chatelier (kleinster Zwang)

14.2     Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, Aktivierungsenergie, Abhängigkeit

            der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration und von der Temperatur

14.3     Änderung der Reaktionsbedingungen (Konzentration, Druck, Temperatur) und

            chemisches Gleichgewicht

14.4     Löslichkeit, Löslichkeitsprodukt

15.       Säuren und Basen

15.1     Säure-Base-Definition nach Arrhenius sowie Brönsted-Lowry, Protolyse,

            Ampholythe, korrespondierende Säure-Basepaare

15.2     pH-Wert, Ionenprodukt des Wassers, Autoprotolyse

15.3     Säure- und Basenstärke sowie deren Abstufung, K_S(pK_S)- bzw. K_B(pK_B)-

            Werte, Henderson-Hasselbalch-Gleichung, mehrprotonige Säuren

15.4     pH-Wert-Berechnung, Protolysegrad, Ostwald’sches Verdünnungsgesetz

15.5     Säure-Base-Indikatoren, Titrationskurven, Puffer

15.6     Erweiterung des Säure-Base-Begriffs (Lewis, Pearson-HSAB-Konzept),

            Säure-Base-Konzept in Schmelzen (Lux-Flood)

16.       Wasserstoffperoxid

16.1     Bildung und Herstellung von H₂O₂

16.2     Chemische Eigenschaften von H₂O₂

            Disproportionierung, H₂O₂ als Oxidations- und Reduktionsmittel

            (redoxamphoter), als schwache Säure, Peroxometallverbindungen

16.3     Struktur von H₂O₂

17.       Die Halogene

17.1     Halogensauerstoff-Säuren und deren Salze

17.2     Abstufung der Stärke von Halogen-Sauerstoffsäuren (Regel)

17.3     Halogenoxide

17.4     Interhalogen-Verbindungen

17.5     Pseudohalogen-Verbindungen

18.       Elektrochemie, Redox-Reaktionen

18.1     Korrespondierende Redoxpaare, Reaktionen von unedlen Metallen mit

            Metallionen

18.2     Galvanische Elemente, Daniell-Element

18.3     Normalpotential, Standardwasserstoffelektrode

18.4     Elektrochemische Spannungsreihe

18.5     Abhängigkeit des Redoxpotentials von der Konzentration,

            Nernst’sche Gleichung, Konzentrationskette

18.6     Redoxpotentiale und Gleichgewichtskonstante

18.7     Lokalelemente, Korrosion, Passivierung

18.8     Elektrolyse, Zersetzungsspannung, Faraday-Gesetze

18.9     Batterien (Zink-Kohle, Alkali-Mangan- Silberoxid, Lithium) und Akkus (Nickel-

            Metallhydrid, Nickel-Cadmium, Lithium)

19.       Die Chalkogene S, Se, Te, VI. Hauptgruppe

19.1     Vorkommen und Gewinnung von Schwefel

19.2     Struktur von S₈, S_n-Ringen, Se-Modifikationen, Te-Ketten

19.3     Verhalten von S₈ beim Erhitzen; Schwefel-Kationen und –Anionen

19.4     Chalkogenwasserstoffe, Darstellung, chem. und physikalische Eigenschaften,

            Abstufung der sauren und reduzierenden Eigenschaften, Vergleich H₂O/H₂S

19.5     Fällung von Metallsulfiden, Löslichkeitsprodukt

19.6     Polysulfane und –sulfide, Na/S-Batterie

19.7     Chalkogenoxide

19.8     Schwefeldioxid, schwefelige Säure, Bildung, chem. Eigenschaften

            Umweltbelastung, saurer Regen, Entschwefelung,

            Struktur von SO₂, Elektronenformeln, Isomerie bei Hydrogensulfit

19.9     Schwefeltrioxid: Herstellung, chem. Eigenschaften

19.10   Schwefelsäure, Übersicht S-O-Säuren, Thioschwefelsäure, Peroxoschwefelsäuren

19.11   Schwefelhalogenide und Oxyhalogenide des Schwefels (Auswahl)

19.12   Selen, Tellur (Auswahl)

19.13   Vergleich der Elemente der VI. Hauptgruppe

20.       V. Hauptgruppe

20.1     Stickstoff, Vorkommen, Eigenschaften

20.1.1  Ammoniak, Haber-Bosch-Verfahren, chem. Gleichgewicht, Katalyse

            Le Chatelier, chem. Eigenschaften, flüssiges NH₃, Verwendung

20.1.2  Hydrazin

20.1.3  Stickstoffwasserstoffsäure, Azide (Air bag)

20.1.4  Stickstoffoxide, N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄ (Gleichgewicht), N₂O₅,

Bildung und chem. Eigenschaften, Elektronenformeln, isostere Verbindungen,

            Autoabgasreinigung

20.1.5  Stickstoffsauerstoff-Säuren, Salpetersäure, Herstellung und Eigenschaften,

Nitrate, salpetrige Säure, Nitrite, Elektronenformeln

20.1.6  Stickstoffhalogenverbindungen (Auswahl)

20.2     Phosphor, Vorkommen, Darstellung

20.2.1  P-Modifikationen, Eigenschaften

20.2.2  Phosphan

20.2.3  Phosphoroxide P₄O₆ und P₄O₁₀ (P₄O₇, P₄O₈, P₄O₉)

20.2.4  Phosphor-Sauerstoff-Säuren

            H₃PO₄, H₃PO₃, H₃PO₂; Phosphatpuffer, Phosphordünger,

            Kondensationsreaktionen, Polyphosphate (ATP/DANN andeuten)

20.2.5  Phosphorhalogenide (Auswahl), Phosphorsulfide (Auswahl), käfigartige

            Baugruppen, Ionen und Moleküle in der Phosphor-Chemie

20.2.6  Phosphornitride P₃N₅ und PN, Nitridophosphate, Phosphazene (Auswahl)

20.3     Arsen, Antimon, Bismut (Auswahl)

Rösten von Metallsulfiden, Oxide, Arsen, (Halogenverbindungen)

20.4     Vergleich der Verbindungen der V. Hauptgruppe

21.       IV. Hauptgruppe

21.1     Kohlenstoff, Vorkommen

            Diamant und Graphit, Fullerene, Verwendung, Aktivkohle

21.1.1  Kohlenwasserstoffe, Carbide (Auswahl)

21.1.2  Kohlenstoffdioxid

            Kohlenstoffdioxid-Kreislauf, Treibhauseffekt, fossile Brennstoffe

            Chemische Eigenschaften, Verwendung, Extraktion mit überkritischem CO₂

            „Kohlensäure“, Carbonate, Kalkstein

21.1.3    Kohlenstoffmonoxid: Bildung, Herstellung, Eigenschaften

            Isoelektronische Verbindungen, Cyanide, Cyanamide, Kohlenstoff(IV)-nitrid

21.2     Silicium

            Vorkommen, Herstellung, Reinstsilicium, Halbleiter,

            Dotieren, Energie-Bändermodell, Solarzellen,

21.2.1  Silane, Silicide (kurz), Zintl-Klemm-Busmann-Konzept,

21.2.2  Siliciumhalogenide

21.2.3  Siliciumsauerstoff-Verbindungen: Siliciumdioxid, Modifikationen, Strukturen,

Quarzglas (Kieselglas), Glaszustand, Gläser, Kieselsäure, Kolloide, Gel, Sol, Silicagel

Silicate (Übersicht, Bauprinzipien), Insel-, Gruppen-, Cyclo-, Ketten-, Band-, Schicht-,

Gerüstsilicate, Zeolithe, Siliciumnitrid Si₃N₄ und Nitridosilicate (Auswahl)

21.2     Germanium, Zinn und Blei

            Vorkommen, Herstellung, Eigenschaften, Verwendung

            Verbindungen der Oxidationsstufe II und IV (Auswahl), Pb-Akku

21.3     Vergleich der Elemente und Verbindungen der IV. Hauptgruppe

22.       III. Hauptgruppe

22.1     Bor, Vorkommen, B₁₂-Ikosaeder, chem. Bindung in Borverbindungen,

            Elektronenmangelverbindungen

22.1.1  Diboran, Polyborane, Boranate

22.1.2  Boroxid, Borate

22.1.3  Bornitrid (Grimm-Sommerfeld-Regel), Boride (MgB₂)

22.2     Aluminium

22.2.1  Vorkommen, Herstellung, Eutektikum, chem. Eigenschaften, Verwendung

22.2.2  Al-oxide und –hydroxid, Al-Verbindungen (AlH₃, AlF₃, AlCl₃, Al₂O₃, AlN),

            Spinell-Strukturtyp

22.3     Gallium (kurz), GaN, GaAs

23.       II. Hauptgruppe

23.1     Vorkommen der Erdalkalimetalle, chem. Eigenschaften

23.2     Schrägbeziehungen im PSE

23.3     Erdalkalioxide (Ionengitter von AB-Verbindungen) und –hydroxide

23.4     Carbonate, Bauchemie, Härte des Wassers, Ionenaustauscher

23.5     Halogenide, CaF₂-Strukturtyp

23.6     Sulfate, Gips

23.7     Calciumhydrid

23.8     Erdalkalinitride (Be₃N₂, Mg₃N₂), Erdalkalidiazenide (BaN₂)

24.       I. Hauptgruppe, Alkalimetalle

24.1     Vorkommen, Herstellung (Downs-Verfahren), Eigenschaften

24.2     Oxidationsstufen +l und –l (Alkalide)

24.3     Alkali-Sauerstoff-Verbindungen: Oxide, Peroxide, Hyperoxide, Ozonide, Suboxide,

Sesquioxide

24.4     Alkalihydroxide, Carbonate, Sulfate, Leblanc-Verfahren, Solvay-Verfahren

            Alkalichloride, NaCl-Strukturtyp, CsCl-Strukturtyp

24.5     Alkalinitride Li₃N und Na₃N

25.       Übergangsmetalle

25.1     d-Orbitale, Elektronenkonfiguration

            Besonderheiten, viele Oxidationsstufen, farbige und paramagnetische Verbindungen

25.2     Komplexverbindungen (kurz), Alfred Werner, K.Z., Oktaeder, Isomere

            Edelgasregel, Ligandenfeldtheorie, VB-Theorie, MO-Theorie

25.3     Oktaedrische, tetraedrische und quadratische Komplexe

25.4     High-spin- und Low-spin-Komplexe, Jahn-Teller-Verzerrung, magnetische

            Eigenschaften, spektrochemische Reihe