Gutmann/Hengge VCH
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Gutmann/Hengge Anorganische Chemie Eine Einführung Fünfte, überarbeitete und neu gestaltete Auflage VCH Weinheim • New York • Basel • Cambridge Inhalt Teil 1 Grundlagen der Allgemeinen und Anorganischen Chemie . . 1 1 1.1 1.2 1.3 Einführung Chemie Materielle Systeme Einheiten 3 3 4 9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2*7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 Atombau und Periodensystem der Elemente Allgemeine Beschreibung des Atoms Proton, Neutron und Elektron Chemische Elemente Isotope und Isobare Kernregeln Die Aston-Regel Die Mattauch-Regel Radioaktivität Massendefekt und Kernfusion Kernspaltung Das Elektron als Welle Die vier Quantenzahlen Die räumliche Darstellung der Energiezustände Aufbauprinzip und Periodensystem der Elemente Historische Bemerkungen zum Periodensystem der Elemente Das Spektrum des Wasserstoffatoms Die relative Atommasse eines Elementes (Atomgewicht) . . . Molekül und relative Molekülmasse 11 11 11 13 14 16 16 16 17 22 23 26 27 28 30 38 40 42 43 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 Die chemische Reaktion Reaktionsgleichung und Stöchiometrie Stoffmengenkonzentration Reaktionsenthalpie und Bindungsstärke Freie Enthalpie Chemisches Gleichgewicht Chemische Kinetik Die Beeinflussung chemischer Reaktionen 45 45 46 47 50 51 54 59 4 4.1 Die chemische Bindung Allgemeines 65 65 VIII Inhalt 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 Die Atombindung Allgemeine Beschreibung Zweiatomige Moleküle mit gleichen Kernen Zweiatomige Moleküle mit ungleichen Kernen Kovalente Radien Mehrfachbindungen Mehrzentrenbindungen 66 66 68 71 73 74 78 4.3 Molekülgeometrie 4.3.1 Modell der maximalen Abstoßung der Elektronenpaare . . . . Koordinationszahl 2 Koordinationszahl 3 Koordinationszahl 4 Koordinationszahl 5 Koordinationszahl 6 und 7 Moleküle mit Mehrfachbindungen 4.3.2 Hybridisierungstheorie Gestreckter Aufbau bei der Koordinationszahl 2 (sp-Hybridisierung) Tetraedrischer Aufbau bei Koordinationszahl 4 (sp3-Hybridisierung) Ebener Aufbau bei Koordinationszahl 4 (dsp2-Hybridisierung) Pyramidale Anordnung bei Koordinationszahl 3 (als Folge der sp3-Hybridisierung mit einem einsamen Elektronenpaar) . . . Gewinkelter Aufbau bei Koordinationszahl 2 (als Folge der sp3-Hybridisierung mit zwei einsamen Elektronenpaaren) . . . Ebene Anordnung bei Koordinationszahl 3 (sp2-Hybridisierung) Koordinationszahl 5 Oktaedrische Anordnung bei Koordinationszahl 6 (d2sp3- oder sp3d2-Hybridisierung) Koordinationszahl 7 Koordinationszahl 8 4.3.3 Delokalisierung bindender Elektronen 79 79 80 81 82 83 83 84 86 4.4 Strukturvariabilität 95 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 Ionenbeziehung Allgemeines Ionisierungsenergie Elektronenaffinität Konzept der Ionenradien Begriff der Elektronegativität 97 97 100 101 102 103 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 Metallischer Zustand . Charakterisierung Modell des metallischen Zustandes Energiebänder-Modell 105 105 106 107 17578 AT6:VCHGUTINHA 87 88 89 89 90 91 91 91 92 93 93 Inhalt 4.7 Halbleiter Eigenhalbleiter n-Halbleiter (Überschuß-Halbleiter) p-Halbleiter (Defekthalbleiter) 108 108 109 109 5 Zustände materieller Systeme 111 5.1 Einleitung 111 5.2 Phasengesetz 111 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.5 5.3.6 5.3.7 5.3.8 5.3.9 Der feste Zustand Strukturanalyse von Kristallen mit Hilfe von Röntgenstrahlen Die Elementarzelle Kristallstrukturen von Elementen Wolfram-Typ Kupfer-Typ Magnesium-Typ Gittertyp und Bindung Diamant-Typ Graphit-Gitter Arsen-Typ Molekülgitter (8 - N)-Regel nach Hume-Rothery Kristallstrukturen von Verbindungen Natriumchlorid-Typ Cäsiumchlorid-Typ Zinkblende- und Wurtzit-Struktur Fluorit-Struktur Rutil-Struktur Cadmiumiodid-Typ Korund-Gitter Calcit- und Perowskit-Struktur Spinelle Gitterenergie Realkristalle Amorphe Stoffe und Gläser Verhalten unter Druck Legierungen 113 113 113 116 116 117 118 119 119 120 121 121 122 122 124 125 126 127 128 129 129 130 132 133 137 141 142 143 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.4.6 5.4.7 5.4.8 5.4.9 Der flüssige Zustand Allgemeine Überlegungen Dampfdruck und Zustandsdiagramm Zwischenmolekulare Wechselwirkungen Dampfdruckerniedrigung einer Lösung Löslichkeit und Löslichkeitsprodukt Hydratation und Lösungsstruktur Das Ionenprodukt des Wassers Gelöste Gase und Wasserstruktur Trennung von Flüssigkeitsgemischen 146 146 147 149 153 155 159 162 164 165 „ 5.3.4 IX Inhalt 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.6.4 5.6.5 Der gasförmige Zustand Gasgesetze Gasgemische Verflüssigung von Gasen Der kolloide Zustand Allgemeines Elektrische Eigenschaften Optische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Darstellung von Kolloiden Kondensationsmethode Dispersionsmethode '. 6 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.4.6 6.4.7 6.4.8 6.4.9 6.4.10 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.6 Elektronendonor-Acceptor-Wechselwirkungenen 175 Grundsätzliches 175 Redoxvorgänge 176 Begriff der Oxidationszahl 176 Übergänge zwischen Oxidationsstufen 177 Disproportionierungsreaktionen 180 Koordinationschemische Wechselwirkungen 181 Allgemeines 181 Schwache koordinationschemische Wechselwirkungen 183 Ionenbildung aus kovalenten Molekülen in Lösung 183 Heterolyse und Homolyse 184 Saure und basische Funktionen 187 Die klassischen Säure-Base-Definitionen 187 Die Säure-Base-Definitionen nach Brönsted und Lowry . . . 189 Wasserstoffionenkonzentration und pH-Wert 193 Pufferlösungen 194 Säure/Base-Indikatoren (pH-Indikatoren) 196 Säure/Base-Titration (Acidimetrie und Alkalimetrie) 198 Ionenaustauscher 198 Die Säure/Base-Definition nach Lewis 199 Harte und weiche Lewis-Säuren und Lewis-Basen 200 Nichtwäßrige Lösungen 202 Elektrochemie 206 Elektrochemische Spannungsreihe in Wasser 206 Elektrolyse 215 Galvanische Elemente 217 Magnetische Eigenschaften („Magnetochemie") 218 Diamagnetismus 219 Paramagnetismus 220 7 7.1 7.2 Aufbau von Komplexverbindungen Allgemeines Isomerieerscheinungen ". 167 167 168 169 170 170 171 172 172 172 173 174 223 223 226 Inhalt 7.3 Bindung in Koordinationsverbindungen 7.3.1 VB-Betrachtung 7.3.2 Ligandenfeldtheorie 227 227 228 Teil 2 Die Elemente und ihre Verbindungen 234 8 8.1 8.2 8.3 9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.f7 9.8 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 Allgemeines über s- und p-Elemente 235 Definition, systematische Änderungen der Eigenschaften mit der Stellung im Periodensystem 235 Allgemeines über s-Elemente (außer Wasserstoff) 237 Allgemeines über p-Elemente 238 Wasserstoff 241 Allgemeines 241 Darstellung von Wasserstoff 242 Physikalische Eigenschaften 244 Chemische Eigenschaften 244 Atomarer Wasserstoff 246 Ortho- und para-Wasserstoff 247 Isotope des Wasserstoffs 247 Deuterium 247 Tritium 248 Wasserstoffverbindungen (Hydride) 248 Kovalente Wasserstoffverbindungen 249 Ionenhydride 250 Einlagerungshydride 250 s1-Elemente (Alkalimetalle) Allgemeine Charakterisierung Elemente Darstellung i Chemische Eigenschaften Hydride, Oxide und Hydroxide . . . Hydride Sauerstoffverbindungen Halogenide Sulfide Verbindungen mit Stickstoff Salze von Sauerstoffsäuren Carbonate Sulfate Nitrate 253 253 255 255 256 257 257 257 258 259 260 260 260 261 261 XI XII Inhalt 11 s2-Elemente (Erdalkalimetalle) 263 11.1 Allgemeine Charakterisierung 263 11.2 Elemente 264 11.3 Hydride, Oxide und Hydroxide 266 11.4 Halogenide 268 11.5 Carbide, Nitride, Phosphide und Sulfide 268 11.6 Salze von Sauerstoffsäuren Carbonate Sulfate Andere Salze 269 269 271 272 12 p-Elemente (Erdmetalle) 273 12.1 Allgemeine Charakterisierung 273 12.2 Elemente 275 12.3 Hydride Borane Höhere Borane Borhydridanionen Carborane Alanate 277 278 279 280 281 282 12.4 Halogenide Borhalogenide Aluminium(III)-Halogenide 282 283 284 12.5 Sauerstoffverbindungen Bor-Sauerstoffverbindungen Kondensierte Borsäuren Sauerstoffverbindungen des Aluminiums Sauerstoffverbindungen von Ga, In und Tl 285 286 287 288 289 12.6 Verbindungen mit'N, P und S 290 13 p2-Elemente (Kohlenstoffgruppe) 293 13.1 Allgemeine Charakterisierung 293 13.2 Elemente 294 Graphitverbindungen 296 Verbindungen der Elemente der vierten Gruppe untereinander 297 13.3 13.4 Verbindungen mit elektropositiven Elementen 298 13.5 Hydride 299 13.6 Halogenide 300 Inhalt 13.7 Oxide und Säuerst offsäuren des Kohlenstoffs Kohlenmonoxid Kohlendioxid 13.8 Oxide und Sauerstoff säuren des Siliciums Silikate Kieselsäureester 13.9 Silicone 13.10 Oxide und Sauerstoffsäuren von Ge, Sn und Pb 13.11 Schwefelverbindungen 13.12 Verbindungen mit Stickstoff 303 303 304 306 308 311 312 313 314 315 14 14.1 14.2 14.3 p3-Elemente (Stickstoffgruppe) 319 Allgemeine Charakterisierung 319 Elemente 321 Hydride 324 Hydride des Stickstoffs und Hydroxylamin 324 Hydride des Phosphors, Arsens, Antimons und Bismuts . . . 329 Halogenide 331 Trihalogenide 331 Pentahalogenide 332 Sauerstoffverbindungen des Stickstoffs 334 Sauerstoffsäuren des Stickstoffs 339 Oxide und Sauerstoffsäuren von P, As, Sb und Bi 341 Oxide des Phosphors 341 Phosphorsäuren 342 Düngung 345 Kondensierte Phosphorsäuren 345 Oxide und Sauerstoff säuren von As, Sb und Bi 347 Phosphor-Stickstoff-Verbindungen 350 Verbindungen mit Schwefel 351 14.4 14.5 14.6 14.7 14.8 15 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 p4-Elemente (Chalkogene) Allgemeine Charakterisierung Elemente Hydride Halogenide Halogen-Sauerstoff-Verbindungen Halogenide des Schwefels Oxide und Sauerstoff säuren des Schwefels Oxide Sauerstoffsäuren des Schwefels Sulfan-Sulfonsäuren Oxide und Sauerstoff säuren von Selen und Tellur 353 353 353 360 365 365 365 367 367 370 374 375 XIII XIV Inhalt 16.5 16.6 ps-Elemente (Halogene) Allgemeine Charakterisierung Elemente Halogenwasserstoffe und Halogenide Oxide und Sauerstoffsäuren Fluoride und Hypofluorige Säure Oxide und Sauerstoff säuren von Chlor, Brom und Iod . . . . Oxidationszahl +1 Oxidationszahl +III Oxidationszahl +IV Oxidationszahl +V Oxidationszahl +VI Oxidationszahl +VII Interhalogenverbindungen und Polyhalogenide Pseudohalogene und Pseudohalogenide 377 377 379 382 387 387 387 389 390 391 391 392 393 393 396 17 17.1 17.2 p6-Elemente (Edelgase) Elemente Edelgas-Verbindungen 399 399 • 401 18 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.7.1 Allgemeines über d- und f-Elemente 405 Einleitung 405 Oxidationszahlen 405 Atomradien und Ionenradien 407 Hydratationsenthalpien 409 Farbe der Ionen 410 Einlagerungsstrukturen 411 Komplexbildung 412 Jt-Acceptorkomplexe 412 Carbonyle 413 Weitere Jt-Acceptorkomplexe 416 JT-Komplexe mit organischen Liganden 417 Aromatenkomplexe 417 Olefinkomplexe 418 Acetylenkomplexe (Ethinkomplexe) 419 Komplexe mit kovalenten Metall-Metall-Bindungen (Cluster) 419 Trennmethoden 422 Fraktionierte Kristallisation bzw. fraktionierte Fällung . . . . 423 Ionenaustauschverfahren 424 Multiplikative Verteilung 426 Reduktionsmethoden zur Herstellung der Metalle 426 16 16.1 16.2 16.3 16.4 18.7.2 18.8 18.9 18.9.1 18.9.2 18.9.3 18.10 Inhalt 19 Scandium, Yttrium, Lanthan und Actinium (d1-Elemente) . . 429 20 20.1 20.2 20.2.1 20.2.2 20.2.3 Die Lanthanoide (4f-Elemente) Allgemeines und Metalle Verbindungen Verbindungen mit der Oxidationszahl +III Verbindungen mit der Oxidationszahl +11 Verbindungen mit der Oxidationszahl +IV 431 431 432 433 434 434 21 21.1 21.2 Die Actinoide (5f-Elemente) Allgemeines und Metalle Verbindungen Verbindungen mit der Oxidationszahl Verbindungen mit der Oxidationszahl Verbindungen mit der Oxidationszahl Verbindungen mit der Oxidationszahl Verbindungen mit der Oxidationszahl 437 437 440 440 440 441 442 442 +VII +VI +V +IV +III 22 22.1 22.2 22.2.1 22.2.2 22.2.3 Titan, Zirconium und Hafnium (d2-EIemente) Allgemeines und Metalle Verbindungen Halogenide Oxide Weitere Verbindungen 443 443 445 445 447 448 23 23.1 23.2 Vanadium, Niob und Tantal (d3-Elemente) Allgemeines und Metalle Verbindungen Halogenide Oxidhalogenide Verbindungen mit Chalkogenen: Isopolyanionen Chrom, Molybdän und Wolfram Allgemeines und Metalle Verbindungen Halogenide Verbindungen mit Sauerstoff-Polyanionen 449 449 450 451 452 453 455 455 457 458 459 25 25.1 25.2 Mangan, Technetium und Rhenium (d5-Elemente) Allgemeines und Metalle Verbindungen Allgemeines Halogenide Verbindungen mit Sauerstoff und Schwefel 463 463 464 464 465 466 26 26.1 Eisen, Cobalt und Nickel Allgemeines und Metalle 469 469 24 24.1 24.2 XV XVI Inhalt 26.2 Verbindungen Allgemeines Halogenide Oxide, Hydroxide und Sulfide Einige Komplexverbindungen 473 473 474 475 477 27 27.1 27.2 Platinmetalle Allgemeines Metalle und Verbindungen Chemie des Rutheniums und Osmiums Chemie des Rhodiums und Iridiums Chemie des Palladiums und Platins 481 481 481 483 484 486 28 28.1 28.2 Kupfer, Silber und Gold Allgemeines und Metalle Verbindungen Verbindungen mit der Oxidationszahl +1 Verbindungen mit der Oxidationszahl +11 Verbindungen mit der Oxidationszahl +III 489 489 491 492 494 496 29 29.1 29.2 Zink, Cadmium und Quecksilber Allgemeines und Metalle Verbindungen Verbindungen des Zinks und Cadmiums Verbindungen des Quecksilbers mit der Oxidationszahl +1 . Verbindungen des Quecksilbers mit der Oxidationszahl +11 499 499 501 501 503 504 Literatur Kurze 1 2 3 3.1 3.2 507 3.4 3.5 Zusammenfassung der wichtigsten Nomenklaturregeln 509 Namen und Symbole der Elemente 509 Formeln von Verbindungen 510 Systematische Namen 511 Allgemeines 511 Namen von elektropositiven Bestandteilen (einschließlich der Namen von Kationen) und Radikalen 512 Namen von elektronegativen Bestandteilen (einschließlich der Namen von Anionen) 514 Säuren 514 Säurederivate und Salze 517 4 Koordinationsverbindungen 3.3 518 Anhang 521 Register 527
