Chemie für Ingenieure

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Chemie für Ingenieure

14., vollständig überarbeitete und aktualisierte Auflage

Jan Hoinkis

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Print ISBN 978-3-527-33752-1
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Mobi ISBN 978-3-527-68460-1

Gedruckt auf säurefreiem Papier.

Table of Contents

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Title

Vorwort

1: Atombau und Periodensystem

1.1 Bestandteile des Atoms
1.2 Atomkerne
1.3 Aufbau der Elektronenhülle
1.4 Das Periodensystem der Elemente

2: Die chemische Bindun

2.1 Die Atombindung (kovalente Bindung)
2.2 Die Ionenbindung
2.3 Die metallische Bindung
2.4 Übergangsformen zwischen den Bindungsarten
2.5 Die zwischenmolekularen Wechselwirkungen
2.6 Mengenangaben

3: Die Aggregatzustände

3.1 Der gasförmige Aggregatzustand
3.2 Der flüssige Aggregatzustand
3.3 Der feste Aggregatzustand
3.4 Mischungen
3.5 Lösungen
3.6 Aggregatzustandsänderungen

4: Chemische Reaktionen

4.1 Reaktionsgleichungen und stöchiometrische Berechnungen
4.2 Energieumsätze bei chemischen Reaktionen
4.3 Der Verlauf chemischer Reaktionen
4.4 Redoxreaktionen
4.5 Säure-Base-Reaktionen

5: Chemische Gleichgewichte

5.1 Das Massenwirkungsgesetz
5.2 Gleichgewichte in wässrigen Lösungen
5.3 Das Löslichkeitsprodukt
5.4 Komplexverbindungen
5.5 Gasgleichgewichte
5.6 Adsorptionsvorgänge

6: Die Elemente

6.1 Allgemeines
6.2 Die gasförmigen Elemente
6.3 Die übrigen Nichtmetalle
6.4 Halbleiter
6.5 Metalle
6.6 Radioaktive Elemente

7: Anorganische Verbindungen

7.1 Wasserstoffverbindungen der Elemente
7.2 Sauerstoffverbindungen der Elemente
7.3 Carbide und Nitride
7.4 Nanotechnologie

8: Organische Verbindungen

8.1 Kohlenwasserstoffe
8.2 Halogenabkömmlinge der Kohlenwasserstoffe
8.3 Metallorganische Verbindungen
8.4 Sauerstoffverbindungen
8.5 Stickstoffverbindungen
8.6 Heterocyclische Verbindungen
8.7 Organische Naturprodukte
8.8 Brennstoffe, Kraftstoffe, Schmierstoffe

9: Kunststoffe

9.1 Mechanisch-thermische Eigenschaften
9.2 Abgewandelte Naturprodukte
9.3 Polymerisationskunststoffe
9.4 Polykondensationskunststoffe
9.5 Polyadditionskunststoffe
9.6 Silicone
9.7 Alterung und Zerstörung von Kunststoffen
9.8 Kunststoffrecycling
9.9 Biologisch abbaubare Kunststoffe

10: Elektrochemie

10.1 Elektrochemische Potenziale
10.2 Die Konzentrationsabhängigkeit der elektrochemischen Potenziale
10.3 Elektrochemische Stromerzeugung
10.4 Erzwungene elektrochemische Vorgänge
10.5 Galvanisieren
10.6 Korrosion und Korrosionsschutz
10.7 Elektrochemische Messmethoden

11: Spektren und ihre Anwendungen

11.1 Elektromagnetische Spektren
11.2 Spektrenformen
11.3 Spektralanalytische Untersuchungen
11.4 Spektralbereiche
11.5 Spezielle Messgeräte
11.6 Massenspektrometer
11.7 Farbmittel

12: Biochemie und Biotechnologie

12.1 Grundlagen der Biochemie
12.2 Molekularbiologie
12.3 Bioverfahrenstechnik
12.4 Biosensoren
12.5 Schadwirkung von Chemikalien

13: Umwelttechnik

13.1 Ökologische Grundlagen
13.2 Abwasser und Abwasserreinigung
13.3 Membrantrennverfahren
13.4 Abluftreinigung
13.5 Abfall und Recycling
13.6 Produktionsintegrierter Umweltschutz
13.7 Ökobilanzen

Anhang

A.1 Die Buchstaben des griechischen Alphabets
A.2 Vorsatzzeichen und Abkürzungen für Stoffmengengehalte
A.3 Maßeinheitentabelle
A.4 Verzeichnis der chemischen Elemente (Stand IUPAC 2011)
A.5 Löslichkeitsprodukte
A.6 Schadstoffhöchstwerte am Arbeitsplatz und Wassergefährdungsklassen (WGK) MAK-Werte (Auswahl)
A.7 Gefahrensymbole
A.8 Periodensystem der Elemente

Sachverzeichnis

End User License Agreement

List of Tables

1: Atombau und Periodensystem

Tab. 1.1 Elementarteilchen.
Tab. 1.2 Quantenzahlen und mögliche Elektronenzustände.
Tab. 1.3 Ionisierungsenergien der Elemente mit den Ordnungszahlen (Z) 1–12.

2: Die chemische Bindun

Tab. 2.1 Elektronegativitätsunterschiede bei den Halogenwasserstoffen.
Tab. 2.2 Wägebereiche von Waagen.

3: Die Aggregatzustände

Tab. 3.1 Die Kristallsysteme.
Tab. 3.2 Typen kristalliner Feststoffe.
Tab. 3.3 Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften von der Gitterenergie bei vergleichbaren Ionenkristallen.
Tab. 3.4 Löslichkeiten von Alkoholen in Wasser.
Tab. 3.5 Berechnung der Lösungswärme beim Lösen von Salzen in Wasser.
Tab. 3.6 Wichtige Kältemittel.

4: Chemische Reaktionen

Tab. 4.1 Beispiel für die Gewinnung von Metallen und Halbmetallen durch Reduktion.
Tab. 4.2 Die pH-Skala und die pH-Werte einiger Lösungen.

5: Chemische Gleichgewichte

Tab. 5.1 Konzentrationen der Ha⁺- und OH⁻-Ionen in reinem Wasser.
Tab. 5.2 pH-Werte verschiedener wässriger Lösungen.
Tab. 5.3 Aktivitätskoeffizienten von wässrigen Lösungen bei 25 °C.
Tab. 5.4 Beispiele für häufig gebrauchte Pufferlösungen.
Tab. 5.5 pH-Farbindikatoren.
Tab. 5.6 Einteilung der Wasserhärte.
Tab. 5.7 Ausländische Einheiten der Wasserhärte.
Tab. 5.8 Beispiele für qualitative und quantitative Nachweisreaktionen durch Bildung schwer löslicher Salze.
Tab. 5.9 Hydrate der Schwefelsäure.
Tab. 5.10 Temperatur- und Druckabhängigkeit des prozentualen Stoffmengenanteils an Ammoniak, ausgehend vom Stoffmengenverhältnis H₂ : N₂ = 3: 1.1

6: Die Elemente

Tab. 6.1 Beispiel für elektrische Leitfähigkeit verschiedener Stoffe bei Raumtemperatur.
Tab. 6.2 Verbreitung der Elemente auf der Erde^a).
Tab. 6.3 Geschätzte Rohstoffvorräte der Erde.
Tab. 6.4 Physikalische Eigenschaften von Wasserstoff und Deuterium.
Tab. 6.5 Physikalische Eigenschaften von Chlor.
Tab. 6.6 Der Bindungscharakter in zweiatomigen Molekülen.
Tab. 6.7 Bestandteile der Luft.
Tab. 6.8 Physikalische Eigenschaften von Stickstoff und Sauerstoff.
Tab. 6.9 Physikalische Eigenschaften der Edelgase.
Tab. 6.10 Edelgasvorkommen in der Luft.
Tab. 6.11 Physikalische Daten von Brom und Iod.
Tab. 6.12 Breite der „verbotenen Zone“ in eV.
Tab. 6.13 Intermetallische Verbindungen (Regel von Hume-Rothery).
Tab. 6.14 Dichten, Schmelz- und Siedepunkte der wichtigsten Metalle.
Tab. 6.15 Physikalische Eigenschaften von Kupfer, Silber und Gold.
Tab. 6.16 Dichten und Schmelzpunkte der Platinmetalle.

7: Anorganische Verbindungen

Tab. 7.1 Eigenschaften von normalem und schwerem Wasser.
Tab. 7.2 Eigenschaften von Wasserstoffperoxid.
Tab. 7.3 Eigenschaften von Chlorwasserstoff.
Tab. 7.4 Eigenschaften von Ammoniak.
Tab. 7.5 Gasförmige Nichtmetalloxide.
Tab. 7.6 Die Sauerstoffsäuren des Chlors.
Tab. 7.7 Wichtige Sauerstoffsäuren.
Tab. 7.8 Schmelzpunkt und Dichte einiger oxidkeramischer Stoffe.
Tab. 7.9 Eigenschaften einiger nicht oxidischer keramischer Stoffe.

8: Organische Verbindungen

Tab. 8.1 Unterschiede zwischen organischen und anorganischen Verbindungen.
Tab. 8.2 Physikalische Eigenschaften einiger geradkettiger Alkane.
Tab. 8.3 Physikalische Eigenschaften einiger isomerer Oktane.
Tab. 8.4 Physikalische Eigenschaften wichtiger Diolefine.
Tab. 8.5 Schmelz- und Siedepunkte der Dimethylbenzole.
Tab. 8.6 Chlorierte Kohlenwasserstoffe.
Tab. 8.7 Atmosphärenrelevante Daten einiger Kältemittel und Halone.
Tab. 8.8 Wichtige Alkohole.
Tab. 8.9 Wichtige Carbonsäuren.
Tab. 8.10 Physikalische Daten von technisch wichtigen Estern.
Tab. 8.11 Übersicht der sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen.
Tab. 8.12 Schmelz- und Siedepunkte von Nitrobenzol, Trinitrotoluol und Pikrinsäure.
Tab. 8.13 Erdölprodukte.
Tab. 8.14 Brennstoffe.
Tab. 8.15 Mindestoktanzahlen.
Tab. 8.16 Eigenschaften alternativer Kraftstoffe im Vergleich zu Benzin und Diesel.
Tab. 8.17 Vor- und Nachteile alternativer Kraftstoffe.

9: Kunststoffe

Tab. 9.1 Bereiche für E-Module und Zugfestigkeiten von unterschiedlichen Kunststoffgruppen.
Tab. 9.2 Eigenschaften von Polyethylen-Grundtypen.
Tab. 9.3 Vergleich der Eigenschaften von PA 6 und PA 11.
Tab. 9.4 Strahlenresistenz von Kunststoffen.
Tab. 9.5 Dichten und Chemikalienbeständigkeit von Kunststoffen.

10: Elektrochemie

Tab. 10.1 Elektrochemische Spannungsreihe von Metallen in saurer Lösung.
Tab. 10.2 Elektrochemische Spannungsreihe von Nichtmetallen in saurer Lösung.
Tab. 10.3 Elektrochemische Spannungsreihe von Redoxsystemen in saurer Lösung.
Tab. 10.4 Elektrochemische Spannungsreihe von Metallen in basischer Lösung.
Tab. 10.5 Praktische Spannungsreihe in künstlichem Meerwasser (Bedingungen: pH 7,5; 25 °C, luftgesättigt, bewegt).
Tab. 10.6 Praktische Spannungsreihe bei pH 6,0 (Phthalatpufferlösung; 25 °C, luftgesättigt, bewegt).
Tab. 10.7 Typische Daten wichtiger Primärelemente.
Tab. 10.8 Typische Eigenschaften wichtiger Sekundärelemente.
Tab. 10.9 Überspannung des Wasserstoffs.
Tab. 10.10 Beispiele für Spannungsrisskorrosion.

11: Spektren und ihre Anwendungen

Tab. 11.1 Spektrallinien des Wasserstoffs.
Tab. 11.2 Flammenfärbungen.

12: Biochemie und Biotechnologie

Tab. 12.1 Genetischer Code der m-RNA.
Tab. 12.2 Einteilung der Giftklassen und Beispiele für LD₅₀-Werte.
Tab. 12.3 Verteilungskoeffizient 1-Octanol/Wasser für verschiedene Stoffe.

12: Biochemie und Biotechnologie

Tab. 13.1 Globale Stickstofffixierung in Mio. t/Jahr.
Tab. 13.2 Wassernutzung 2010 in Deutschland (Quellen: Statistisches Bundesamt, Umweltbundesamt).
Tab. 13.3 Beispiele für die industrielle Verwendung einiger Schwermetalle bzw. Schwermetallionen.
Tab. 13.4 Beispiele für typische BSB₅-, CSB- und TOC-Werte.
Tab. 13.5 Vergleich der CSB- mit der TOC-Messung.
Tab. 13.6 Vergleich von anaeroben und aeroben Verfahren zur Abwasserreinigung.
Tab. 13.7 Spezielle Verfahren der Abwasserreinigung.

List of Illustrations

1: Atombau und Periodensystem

Abb. 1.1 Das Bohr’sche Atommodell für die ersten 18 Elemente.
Abb. 1.2 Beugung von Elektronenstrahlen an einer Goldfolie: (a) Versuchsanordnung, (b) Fotoplatte mit Beugungsbild.
Abb. 1.3 Stehende Wellen mit ein, zwei und drei Wellenbäuchen.
Abb. 1.4 Bildliche Darstellung vom Quadrat der Wellenfunktion.
Abb. 1.5 Die Orbitale von s-, p- und d-Elektronen.
Abb. 1.6 Energieniveauschema.
Abb. 1.7 Ionisierungsenergien zur Abspaltung eines Elektrons.
Abb. 1.8 Die Elektronegativitätsskala.
Abb. 1.9 Atom- und Ionendurchmesser der Hauptgruppenelemente.

2: Die chemische Bindun

Abb. 2.1 1s²-Orbitale: (a) Bildung eines Wasserstoffmoleküls, (b) Heliumatom.
Abb. 2.2 Die Dreifachbindung beim Stickstoffmolekül N₂: (a) σ-Bindung, (b) erste π-Bindung, (c) zweite π-Bindung.
Abb. 2.3 NaCl – Bildung.
Abb. 2.4 NaCl-Kristallgitter.
Abb. 2.5 „Elektronengasmodell“ der Metalle.
Abb. 2.6 Das Dipolmolekül HCl.
Abb. 2.7 Beispiele für Moleküle mit unterschiedlicher Molekülsymmetrie.
Abb. 2.8 Ion-Dipol-Wechselwirkung: (a) am Kation, (b) am Anion.
Abb. 2.9 Dipol-Dipol-Wechselwirkung.
Abb. 2.10 Van-der-Waals-Kräfte zwischen zwei Heliumatomen: (a) He nicht polarisiert, (b) He polarisiert.
Abb. 2.11 Schmelz- und Siedepunkte der Edelgase.
Abb. 2.12 Siedepunkte der Wasserstoffverbindungen der Elemente der vierten, fünften, sechsten und siebten Hauptgruppe.
Abb. 2.13 Wasserstoffbrücken bei den Molekülen NH₃, H₂O und HF.

3: Die Aggregatzustände

Abb. 3.1 Schema einer Anlage zur Luftverflüssigung nach dem Linde-Verfahren.
Abb. 3.2 Schematischer Aufbau von Kristall und Flüssigkeit: (a) Kristall, (b) Flüssigkeit.
Abb. 3.3 Das Phänomen der Osmose.
Abb. 3.4 Der osmotische Druck.
Abb. 3.5 Energie-Temperatur-Diagramm für 1 kg H₂O unter Normdruck.
Abb. 3.6 Das Phasendiagramm der Verbindung H₂O.
Abb. 3.7 Funktionsprinzip einer Kältemaschine.
Abb. 3.8 Siedediagramm für ein ideales zweikomponentiges Flüssigkeitsgemisch.
Abb. 3.9 Schema einer Rektifikationskolonne.

4: Chemische Reaktionen

Abb. 4.1 Energiediagramme beim Ablauf chemischer Reaktionen: (a) exotherm, (b) endotherm.
Abb. 4.2 Konzentrationsänderungen bei der Reaktion einer organischen Säure zu einem Ester.
Abb. 4.3 Wirkungsweise von Katalysatoren.
Abb. 4.4 Wichtige Oxidationszahlen von Elementen der zweiten Periode des Periodensystems.

5: Chemische Gleichgewichte

Abb. 5.1 Einstellung einer chemischen Gleichgewichtslage.
Abb. 5.2 Pufferwirkung und Indikatorumschlag.
Abb. 5.3 Titrationskurven: (a) Titration einer Säure mit einer Base, (b) Titration einer Base mit einer Säure.
Abb. 5.4 Geräte zur Maßanalyse.
Abb. 5.5 Funktionsweise von Ionenaustauschern.
Abb. 5.6 Das Nitratanion: (a) Grenzstrukturen, (b) Mesomerie.
Abb. 5.7 Vereinfachte Darstellung eines Reaktors zur Ammoniaksynthese.
Abb. 5.8 Der Daniell’sche Hahn.
Abb. 5.9 Bunsenbrenner: (a) Brenner, (b) Flamme.
Abb. 5.10 Die Schweißbrennerflamme.
Abb. 5.11 Das Boudouard-Gleichgewicht.
Abb. 5.12 Vereinfachte Darstellung der Reaktionen beim Hochofenprozess.
Abb. 5.13 Schematische Darstellung des Heß’schen Satzes: (a) allgemeine Darstellung,
Abb. 5.14 Adsorptionsisothermen nach der Theorie von Langmuir.
Abb. 5.15 Schematische Darstellung der Vorgänge bei der Chromatografie.
Abb. 5.16 (a) Säulenchromatografie und (b) Dünnschichtchromatografie.
Abb. 5.17 Schematische Darstellung eines Hochdruckflüssigkeitschromatografen (HPLC).

6: Die Elemente

Abb. 6.1 Kernbindungsenergien.
Abb. 6.2 Die Doppelbindungsregel: (a) Element der 2. Periode, (b) Element der 3. Periode.
Abb. 6.3 MO-Energieniveaus für (a) H₂, (b) „He₂“, (c) N₂, (d) O₂, (e) F₂.
Abb. 6.4 Bindende und antibindende Molekülorbitale bei p-Elektronen.
Abb. 6.5 Entstehung eines bindenden MO beim XeF₂.
Abb. 6.6 Das Diamantgitter.
Abb. 6.7 Das Grafitgitter.
Abb. 6.8 Das Zustandsdiagramm des Kohlenstoff.
Abb. 6.9 Das C₆₀-Fullerenmolekül als Valenzstrich- und Kugelmodell.
Abb. 6.10 (a) Unterschiedliche Arten von Einfach-Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch „Aufrollen“ der Grafitebenen in verschiedenen Winkeln, (b) Rasterelektronenmikroskopaufnahme.
Abb. 6.11 Energiebänderdiagramme.
Abb. 6.12 Einkristallherstellung durch (a) Zonenschmelzen und (b) Tiegelziehen.
Abb. 6.13 Energiebänderdiagramm für (a) n-dotiertes Silicium (b) p-dotiertes Silicium.
Abb. 6.14 (a) n-Dotierung eines p-Halbleiters und (b) Bildung einer p-Insel in der n-Schicht.
Abb. 6.15 Halbleiterbauelemente: (a) Widerstand, (b) Kondensator, (c) Transistor.
Abb. 6.16 Abgrenzung des Halbleitergebietes.
Abb. 6.17 Ionenkristalle als Halbleiter: (a) n-Typ, (b) p-Typ.
Abb. 6.18 (a) Grundzustand bei Metallen, (b) elastische Verformung bei Metallen, (c) plastische Verformung bei Metallen, (d) Sprödigkeit von Salzen.
Abb. 6.19 Zustandsdiagramm für (a) eutektische Legierungen und (b) Mischkristalllegierungen.
Abb. 6.20 Zustandsdiagramm für (a) intermetallische Legierungen und (b) Legierungen mit Mischungslücke.
Abb. 6.21 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm.
Abb. 6.22 Struktur des Perlits.
Abb. 6.23 Umwandlung des γ-Eisens in α-Eisen.
Abb. 6.24 Neutronenstöße: (a) mit schweren Kernen, (b) mit leichten Kernen.
Abb. 6.25 Kettenreaktion bei der Uranspaltung.
Abb. 6.26 Bestimmung des Erdalters.

7: Anorganische Verbindungen

Abb. 7.1 Bildung von sp³-Hybridorbitalen: (a) einzelnes Hybridorbital, (b) vier Hybridorbitale beim Methan CH₄.
Abb. 7.2 Energieniveauschemas der zweiten Elektronenschale beim Kohlenstoff: (a) einzelnes Kohlenstoffatom, (b) Kohlenstoff im Methanmolekül CH₄.
Abb. 7.3 Strukturen und Bindungswinkel: (a) Methan, (b) Ammoniak, (c) Wasser.
Abb. 7.4 Kalottenmodelle: (a) Methan CH₄, (b) Ammoniak NH₃, (c)WasserH₂O.
Abb. 7.5 Temperaturabhängigkeit des Volumens von Eis und Wasser.
Abb. 7.6 Die elektrolytische Dissoziation von Wasser.
Abb. 7.7 Ammoniak„springbrunnen“.
Abb. 7.8 Phasendiagramm von CO₂.
Abb. 7.9 Schematische Darstellung eines Exsikkators.
Abb. 7.10 Kristallstruktur des Molekularsiebes UTD-1.
Abb. 7.11 Wassertropfen auf (a) glatter und (b) nanostrukturierter Oberfläche.
Abb. 7.12 Verfahrensschritte beim sogenannten Sol-Gel-Prozess.

8: Organische Verbindungen

Abb. 8.1 Einteilungsschema für organische Verbindungen.
Abb. 8.2 Struktur des Benzolmoleküls.
Abb. 8.3 Mesomerie beim Benzolmolekül.
Abb. 8.4 Optische Antipoden der Milchsäure.
Abb. 8.5 Die Wasch- und Emulgierwirkung von Seifen: (a) Benetzungswirkung von Seifen, (b) Emulgierwirkung von Seifen.
Abb. 8.6 Wirkung von Hochdruckzusätzen: (a) vorher, (b) nachher.

9: Kunststoffe

Abb. 9.1 Thermisches Verhalten von Thermoplasten. Hartelastischer Zustand: spröde, glasartig; keine Beweglichkeit der linearen Makromoleküle, die durch zwischenmolekulare Wechselwirkungen (Dipol-Dipol-Kräfte, Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrücken) engmaschig miteinander verknüpft sind. Zähelastischer Zustand: weichelastisch, teilweise gummielastisch; durch weitmaschige Verknüpfung mit zwischenmolekularen Wechselwirkungen werden die Molekülketten noch zusammengehalten. Plastischer Zustand: Aneinander-vorbeigleiten der Molekülketten; praktisch keine zwischenmolekularen Wechselwirkungen mehr wirksam; beim Abkühlen reversibel, d. h., umkehrbar in den zähelastischen Zustand zurückführbar. Thermische Zersetzung: Zerreißen der Molekülketten infolge sehr starker thermischer Bewegung = Zerstörung des Kunststoffs (T_g = Glastemperatur, Glasübergangstemperatur, Einfriertemperatur; T_f = Fließtemperatur, Fließtemperaturbereich; T_m = Kristallitschmelztemperatur bei teilkristallinen Thermoplasten (s. u.); T_z = Zersetzungstemperatur).
Abb. 9.2 Strukturen von thermoplastischen Kunststoffen: (a) amorph, (b) teilkristallin.
Abb. 9.3 Prinzip der Gummielastizität: (a) im ungedehnten, (b) im gedehnten Zustand.
Abb. 9.4 Thermisches Verhalten von Elastomeren. Hartelastischer Zustand: spröde, glasartig; keine Beweglichkeit der Molekülketten, die durch wenige chemische Bindungen, aber viele zwischenmolekulare Wechselwirkungen (meist Van-der-Waals-Kräfte) engmaschig miteinander verknüpft sind. Weichelastischer Zustand: gummielastisch; Zusammenhalt der Molekülketten durch weitmaschige kovalente Verknüpfung (gummiartiger Zustand bei Raumtemperatur). Thermische Zersetzung: Zerstörung des Kunststoffs durch Auseinanderreißen der chemischen Bindungen infolge starker Wärmebewegung (T_g = Glastemperatur, Glasübergangstemperatur, Einfriertemperatur; T_z = Zersetzungstemperatur).
Abb. 9.5 Thermisches Verhalten von Duroplasten. Hartelastischer Zustand: spröde; keine Beweglichkeit der engmaschig durch kovalente Bindungen miteinander verknüpften Makromoleküle. Thermische Zersetzung: thermische Abspaltung von Molekülteilen durch Zerstörung der chemischen Bindungen.
Abb. 9.6 Thermisches Verhalten von Fluidoplasten. St. P. = Stockpunkt: Bei Temperaturen unterhalb des Stockpunktes werden Fluidoplaste (Öle) mit zunehmenden zwischenmolekularen Wechselwirkungen so steif, dass sie bei Einwirkung der Schwerkraft nicht mehr fließen.
Abb. 9.7 Spannungs-Dehnungs-Diagramme von Kunststoffen.
Abb. 9.8 Schematische Darstellung der Molekülstrukturen von Polyethylen-Grundtypen: (a) Polyethylen mit niedriger Dichte (PE-LD), (b) Polyethylen mit hoher Dichte (PE-HD).
Abb. 9.9 Stereospezifische Polymerisation.
Abb. 9.10 Zugfestigkeit glasfaserverstärkter Kunststoffe.
Abb. 9.11 Maximale Gebrauchstemperatur von hochtemperaturbeständigen Polykondensationskunststoffen.
Abb. 9.12 Maximale Gebrauchstemperatur wichtiger Kunststoffe.

10: Elektrochemie

Abb. 10.1 Schematische Darstellung eines galvanischen Elements (Daniell-Element).
Abb. 10.2 Die Normal-Wasserstoffelektrode.
Abb. 10.3 Herstellung von Leiterplatten.
Abb. 10.4 Funktionsschema einer Silber/Silberchlorid-Elektrode.
Abb. 10.5 Glaselektrode zur Messung von pH-Werten.
Abb. 10.6 Schnittbild eines (a) Leclanché-Elements und (b) einer Zink-Alkali-Zelle.
Abb. 10.7 Schematische Darstellung eines Bleiakkumulators.
Abb. 10.8 Vereinfachte Darstellung der Vorgänge beim Entladen und Laden eines Lithiumionenakkus.
Abb. 10.9 Einfache Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.
Abb. 10.10 Molekülstruktur einer protonenleitenden Polymermembranfolie (Nafion).
Abb. 10.11 Schematische Darstellung einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM).
Abb. 10.12 Elektrolyse am Beispiel einer wässrigen NaCl-Lösung.
Abb. 10.13 Schematische Darstellung einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium.
Abb. 10.14 Stromstärke-Spannungs-Kurve.
Abb. 10.15 Abscheidungspolarisation und Überspannung.
Abb. 10.16 Konzentrationspolarisation.
Abb. 10.17 Übersicht Korrosionsarten.
Abb. 10.18 Lokalelement („Wasserstoffkorrosionstyp“).
Abb. 10.19 Lochfraß („Sauerstoffkorrosionstyp“).
Abb. 10.20 Korrosion von Eisen unter einem Wassertropfen.
Abb. 10.21 Möglichkeiten des Korrosionsschutzes.
Abb. 10.22 Titration nach der Leitfähigkeitsmethode.
Abb. 10.23 Schematische Darstellung einer Lambda-Sonde zur O₂-Messung.
Abb. 10.24 Kurvenverlauf bei einer potenziometrischen Titration.
Abb. 10.25 Schematische Darstellung einer Clark-Messzelle zur Messung von Sauerstoffkonzentrationen.
Abb. 10.26 Coulometrische SO₂-Bestimmung.
Abb. 10.27 Polarografie.

11: Spektren und ihre Anwendungen

Abb. 11.1 (a) Absorptionsspektrum des Heliums; (b) Emissionsspektrum des Heliums.
Abb. 11.2 Zusammenhang zwischen Absorptions- und Emissionsspektrum.
Abb. 11.3 Die Bereiche elektromagnetischer Spektren.
Abb. 11.4 Entstehung von Emissionsspektren beim Wasserstoffatom.
Abb. 11.5 Die Balmer-Serie des Wasserstoffspektrums.
Abb. 11.6 Entstehung der D-Linie des Natriums: (a) Elektronenschema des Natriumatomes; (b) Möglichkeit der Spinänderung beim 3p → 3s Übergang (Detailvergrößerung von Abb. 11.6a).
Abb. 11.7 Die Entstehung von Röntgenstrahlen.
Abb. 11.8 Das Moseley’sche Gesetz.
Abb. 11.9 Bandenspektrum.
Abb. 11.10 Ursachen für Molekülspektren.
Abb. 11.11 Schematische Darstellung der Vorgänge bei der Fluoreszenz und Phosphoreszenz.
Abb. 11.12 Absorptionsspektren von Nickelsalzlösungen.
Abb. 11.13 Vereinfachte schematische Darstellung des Aufbaus eines Spektrometers.
Abb. 11.14 Reflexion von Röntgenstrahlen am Kristallgitter.
Abb. 11.15 Art und Wellenlänge von Resonanzschwingungen im IR-Bereich.
Abb. 11.16 Typisches IR-Spektrum.
Abb. 11.17 Schematische Darstellung eines Zweistrahlfotometers.
Abb. 11.18 Schema eines IR-Messgerätes.
Abb. 11.19 Schema eines Massenspektrometers.
Abb. 11.20 Massenspektrogramm von Ethylalkohol: (a) Aussehen des Diagramms, (b) häufigste Bruchstücke beim Ionisieren.
Abb. 11.21 Schematische Darstellung eines Flammenionisationsdetektors.
Abb. 11.22 Farben und Wellenlängen im sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung.

12: Biochemie und Biotechnologie

Abb. 12.1 Schematischer Aufbau einer eukaryontischen Zelle.
Abb. 12.2 Kreisprozess zur Energieübertragung in einer Zelle.
Abb. 12.3 Der menschliche Stoffwechsel.
Abb. 12.4 Die spezifische Basenpaarung in der DNA-Doppelhelix.
Abb. 12.5 Die Verdoppelung der DNA.
Abb. 12.6 Die m-RNA: (a) schematische Darstellung; (b) vereinfachte Darstellung.
Abb. 12.7 Die t-RNA mit spezifischen Aminosäuren.
Abb. 12.8 Die Proteinsynthese.
Abb. 12.9 Chromosomenmutationen: (a) Deletion; (b) Inversion.
Abb. 12.10 Übertragung von genetischer Information in einen Mikroorganismus.
Abb. 12.11 Schematischer Ablauf eines großtechnischen Fermentationsprozesses.
Abb. 12.12 Beispiele für häufig eingesetzte Submers-Bioreaktoren: (a) Rührkesselreaktor; (b) Blasensäulenreaktor.
Abb. 12.13 Rührkessel-Bioreaktoren für Labor- und Technikumsversuche.
Abb. 12.14 Schematischer Ablauf der Bioethanolherstellung.
Abb. 12.15 Schematisches Funktionsprinzip von Biosensoren.
Abb. 12.16 Schematische Darstellung eines Biosensors zur Bestimmung von Glucose.

13: Umwelttechnik

Abb. 13.1 Beziehungen zwischen den Lebewesen im Ökosystemen.
Abb. 13.2 Der globale Kohlenstoffkreislauf.
Abb. 13.3 Der globale Stickstoff-Kreislauf.
Abb. 13.4 Wasserkreislauf (Fläche von Deutschland, alte Bundesländer, Zahlen = Niederschlagsmengen in mm).
Abb. 13.5 Abwasserinhaltsstoffe.
Abb. 13.6 Vereinfachte schematische Darstellung einer TOC-Messung.
Abb. 13.7 Fließschema einer kommunalen Kläranlage.
Abb. 13.8 Beispiele für den Lufteintrag beim Belebtschlammverfahren: (a) Druckbelüftung; (b) Turbinenbelüftung; (c) Walzenbelüftung.
Abb. 13.9 Beispiele für Festbettverfahren in der Abwasserreinigung: (a) Tropfkörperanlage; (b) Tauchkörperanlage.
Abb. 13.10 Verfahrensschema einer vorgeschalteten Denitrifikation.
Abb. 13.11 Schematische Darstellung der Klärschlammbehandlung und -verwertung.
Abb. 13.12 Schematische Darstellung eines (a) Biohochreaktors und einer (b) Verfahrenskombination aus biologischer Reinigung und Membrantechnik.
Abb. 13.13 Fällungsbereiche (Löslichkeit deutlich kleiner als die gesetzlichen Anforderungen) in Abhängigkeit vom pH-Wert für verschiedene Schwermetallionen.
Abb. 13.14 Elektronenmikroskopaufnahmen von pulverisierter Aktivkohle.
Abb. 13.15 Einteilung der Membranfiltrationsverfahren.
Abb. 13.16 Prinzip der (a) Dead-End- und (b) Cross-Flow-Filtration und c) Verfahrensschema der Querstromfiltration.
Abb. 13.17 Fließschema für die kontinuierliche Membranfiltration (mit jeweiligem Massenfluss und Druck).
Abb. 13.18 Schematische Darstellung einer (a) symmetrischen und (b) asymmetrischen Membranstruktur.
Abb. 13.19 Schematische Darstellung von Porenmembranen mit gleichem Durchmesser und unterschiedlichen Tortuositätsfaktoren.
Abb. 13.20 Schematischer Aufbau eines (a) einzelnen Rohrmoduls und (b) Rohrbündelmoduls.
Abb. 13.21 Aufgeschnittenes Wickelmodul und schematische Darstellung.
Abb. 13.22 Prozentuale und absolute Emissionen an Luftschadstoffen in Deutschland (2011) (Quelle: Umweltbundesamt).
Abb. 13.23 Arbeitsbereiche für Entstaubungsanlagen.
Abb. 13.24 Schematische Darstellung von Massenkraftabscheidern: (a) Schwerkraft-Quer-strom-Abscheider; (b) Zyklon.
Abb. 13.25 Funktionsprinzip eines Elektrofilters.
Abb. 13.26 Schematischer Aufbau von Nasswäschern.
Abb. 13.27 Anwendungsbereiche von verschiedenen Verfahren zur Abscheidung gasförmiger Verunreinigungen.
Abb. 13.28 Verfahrensschema der Adsorption mit regenerativemReinigungsverfahren.
Abb. 13.29 Verfahrensschema einer Rauchgasentschwefelung mit Gipserzeugung.
Abb. 13.30 SCR-Verfahren zur Verminderung der Stickstoffoxide in Rauchgasen (High-Dust-Schaltung).
Abb. 13.31 Verfahrensschema der Rauchgasreinigung für einen 550 MW-Block eines Kohlekraftwerks (Rheinhafen-Kraftwerk Karlsruhe).
Abb. 13.32 Schematische Darstellung eines Automobilabgaskatalysators.
Abb. 13.33 (a) Schadstoffumwandlungsgrad bei der katalytischen Reinigung von Automobilabgasen und (b) Regelkreis zur Einstellung des optimalen λ-Werts von 1,0.
Abb. 13.34 Zusammensetzung von (a) Hausmüll und (b) Zusammensetzung der davon verwerteten Abfälle (Statistisches Bundesamt, 2012).
Abb. 13.35 Verfahren der Abfallentsorgung (Statistisches Bundesamt, 2012).
Abb. 13.36 Verfahrensfließbild einer Verbrennungsanlage für Hausmüll.
Abb. 13.37 Verfahrensverbesserungen bei der Polypropylenherstellung hinsichtlich (a) Produktausbeute und (b) Reststoffanfall.
Abb. 13.38 Produktionsintegrierte Maßnahmen zur Behandlung von Spülwässern in der Galvanikindustrie.
Abb. 13.39 Ablaufschema einer produktbezogenen Ökobilanz.
Abb. 13.40 Auswahl umweltrelevanter Größen am Beispiel von Verpackungssystemen für Mineralwasser im Jahr 2010 für jeweils 1000 l im Verteilungsgebiet Österreich (IFEU Institut, Heidelberg).

Vorwort

Dieses Buch, welches nun bereits in der 14. Auflage erscheint, bietet eine umfassende, praxisorientierte Einführung in die für den Ingenieur relevante Chemie, erarbeitet die erforderlichen theoretischen Grundlagen und ist als studienbegleitendes Lehrbuch gedacht, aber auch geeignet zum Selbststudium. Es soll ferner dem in der Praxis tätigen Ingenieur eine Hilfe sein und soll ihm durch die zahlreichen Tabellen und Zahlenangaben als erstes Nachschlagewerk dienen.

Der Text wurde so verfasst, dass er ohne naturwissenschaftliche Vorkenntnisse verständlich wird. Insbesondere wurden alle Fachausdrücke, die über den Rahmen der Alltagssprache hinausgehen, bei ihrem ersten Auftauchen erklärt. Es erwies sich als besonders nützlich, dabei von der ursprünglichen Bedeutung der betreffenden Wörter auszugehen. Diese Worterklärung kann man später anhand des Sachregisters rasch wiederfinden.

Diese 14. Auflage wurde vollständig überarbeitet und aktualisiert. Hierbei wurden insbesondere das Layout und viele Abbildungen übersichtlicher gestaltet. Die Kontroll- und Übungsfragen wurden in einem eigenen Übungsbuch zusammengefasst und deutlich erweitert.

Das vorliegende Lehrbuch ist wohl die aktuellste und umfassendste Einführung in die Chemie für Ingenieure. Da in ihm besonders die anwendungsbezogenen Themen ausführlich behandelt werden, hat es sich an vielen Universitäten, Fachhochschulen und Berufsakademien bewährt. Es ist vornehmlich für folgende Fachrichtungen geeignet: Verfahrenstechnik, Umwelttechnik, Maschinenbau, Mechatronik, Sensortechnik, Fahrzeugtechnologie, Energietechnik, Nachrichtentechnik, Informatik, Wirtschaftsingenieurwesen.

Eine Beschäftigung mit der Chemie ist und bleibt für den Ingenieur für die Bewältigung zukünftiger technischer Probleme von großer Bedeutung. So soll dieses Lehrbuch einen kleinen Beitrag dazu leisten, dass die menschlichen Existenzgrundlagen mithilfe der Technik weiter ausgebaut werden, damit auch in Zukunft ein gesundes und menschenwürdiges Leben auf der Erde gesichert bleibt.

Ich möchte mich bei meinen Kollegen und Studenten für die zahlreichen Verbesserungsvorschläge bedanken. Insbesondere danke ich Herrn Miroslaw Wawak für seine Unterstützung bei den Arbeiten für die neue Auflage und das Übungsbuch sowie für die Bearbeitung zahlreicher Abbildungen.

Karlsruhe, Juni 2015

Jan Hoinkis

Autor

Prof.Dr.-Ing.Jan Hoinkis

Hochschule Karlsruhe – Technik und

Wirtschaft

Fakultät für Elektro- und Informationstechnik

Moltkestr. 30

76133 Karlsruhe

Deutschland

14. Auflage

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