Anorganische Chemie

Prinzipien von Struktur und Reaktivität

James Huheey, Ellen Keiter, Richard Keiter, Ralf Steudel, Frank Breher, Maik Finze, Dirk Johrendt, Martin Kaupp, Hans-Joachim Lunk, Udo Radius, Ulrich Schatzschneider

• Publisher: De Gruyter
• Year: 2014
• eBook ISBN: 9783110374001
• Edition: 5
• Topic: Physical Sciences
• Subtopic: Inorganic Chemistry

Dieses moderne Lehrbuch hebt sich von den Standardlehrbüchern ab. Das Gerüst der Lerneinheiten bilden dabei die wichtigsten Prinzipien der Anorganischen Chemie wie Symmetrie, Koordination und Periodizität. Die Stoffchemie wird zur Darstellung und Verdeutlichung hinzugezogen. Zahlreiche neue Abbildungen, ein neues Layout und viele Übungsaufgaben nach jedem Kapitel vervollständigen die Neuauflage.

1 Was ist Anorganische Chemie?

Ralf Steudel

Gegenwärtig sind mehr als 50 Millionen chemische Verbindungen bekannt und täglich werden weltweit in den Forschungslabors neue Moleküle synthetisiert oder aus natürlichen Quellen isoliert, z. B. aus Pflanzen oder tierischen Organismen einschließlich Meeresorganismen. Die meisten dieser Verbindungen sind der organischen Chemie zuzuordnen, aber ihre Synthese im Labor, vor allem bei chiralen Molekülen, erfordert in der Regel Katalysatoren, die die anorganische Chemie zur Verfügung stellt. Das sind bei homogenen Reaktionen in Lösung meistens Komplexe aus einem oder mehreren Metallatomen und molekularen Liganden, die ihrerseits entweder der organischen oder der anorganischen Chemie zuzurechnen sind.

Großtechnische Synthesen in der chemischen Industrie erfordern in den meisten Fällen ebenfalls eine katalytische Unterstützung, um hohe Reaktionsgeschwindigkeiten und Selektivitäten bei gleichzeitig hohen Ausbeuten an gewünschtem Produkt zu erzielen. Diese Reaktionen sind meistens heterogen, d. h. die Katalysatoren sind fest und der Festkörperchemie zuzurechnen. Auch dabei spielen Metallatome oder Metalloxide eine entscheidende Rolle, aber diese sind auf einem Trägermaterial fixiert, sodass es nicht wie bei homogenen Systemen zu einer Vermischung von Katalysator und Produkt kommt, wodurch eine kontinuierliche Reaktionsführung möglich wird. Das vielleicht bekannteste und sicher wichtigste Verfahren dieser Art ist die technische Ammoniaksynthese aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff, für deren Erfindung,² technische Entwicklung³ und wissenschaftliche Aufklärung⁴ gleich drei Nobelpreise vergeben wurden, und zwar alle an deutsche Wissenschaftler. In diesem Lehrbuch beschreiben wir die verschiedenen Aspekte der anorganischen Chemie, die zum Verständnis von Reaktionen und Verfahren nötigt sind, wie sie oben angedeutet wurden.

1.1 Die Anfänge der anorganischen Chemie

Der Begriff anorganische Chemie bedeutete ursprünglich unbelebte Chemie : Das war der Zweig der Chemie, der sich aus der Beschäftigung mit Mineralien und Erzen entwickelt hatte. Alles hatte damit angefangen, dass man natürlich vorkommende Stoffe mit nützlichen Eigenschaften fand, zum Beispiel Feuerstein, den man zu Werkzeugen verarbeiten konnte (Mittleres Pleistozän, vor ca. 5 · 10⁵ oder weniger Jahren). Dieses Gebiet entwickelte sich schließlich zur Mineralogie bzw. Geologie. Die Chemie andererseits beschäftigt sich mehr mit den Umwandlungen, die man in Stoffen hervorrufen kann. Eine der wichtigsten frühen Reaktionen war die Reduktion von Metalloxiden und -carbonaten zu den freien Metallen mittels Holzkohle:⁵

(1.1)

(1.2)

Dies waren die ersten Beispiele angewandter Redoxchemie, und bis zum heutigen Tag sind Abgabe und Aufnahme von Elektronen in der anorganischen Chemie von zentraler Bedeutung. Die Begriffe Oxidation, Reduktion und Base (von „basischem Metalloxid“) hängen alle eng mit diesen ersten metallurgischen Prozessen zusammen. Der Begriff Säure andererseits (lat. acidum) ist von Weinessig (lat. L. acetum ) abgeleitet.

Der größte Teil dieser frühen Arbeiten war rein experimentell und pragmatisch und ohne viel Theorie, wie wir sie heute verstehen. Man musste die besten und reichsten Erze identifizieren und von scheinbar ähnlichen Stoffen unterscheiden, wie beispielsweise das so genannte „Narrengold“ (Eisenpyrit, FeS₂), das manchen Gutgläubigen in vergangenen Zeiten als richtiges Gold verkauft wurde.

Einige natürliche Silicate wie die Zeolithe waren in alten Zeiten nur schwer zu verstehen. Der Name leitet sich von den griechischen Wörtern für Kochen

und Stein

ab, da diese Mineralien beim Erhitzen Wasserdampf abgeben. Dass ein fester Stein gleichzeitig flüssiges Wasser enthalten konnte, war verständlicherweise verblüffend. Da diese Frage aber nicht von praktischer Bedeutung zu sein schien, wurde das Problem der „reinen“ oder „Grundlagen-Chemie“ zugewiesen.

1.2 Ein Beispiel für moderne anorganische Chemie

In der Absicht, ein irgendwie repräsentatives chemisches System für unsere Einleitung zu finden, haben wir einen Zeolith ausgewählt. Dieser Begriff mag Ihnen nicht vertraut sein, aber mit Sicherheit findet man ein oder mehrere Zeolithe nicht nur in jedem chemischen Labor, sondern auch in Ihrem Haushalt und in vielen wichtigen industriellen Prozessen. Zeolithe sind Gegenstand intensiver chemischer Forschung, von der Strukturbestimmung über die Katalyse bis zu anorganischen Aspekten der Ernährung.⁶

Der natürliche Zeolith Boggsit, eine Verbindung aus Natrium, Calcium, Aluminium, Silicium, Wasserstoff und Sauerstoff, wurde in den späten 1980er Jahren in den USA als Mineral entdeckt⁷ und erst vor kurzem an der Universität von Valencia (Spanien) synthetisiert.⁸ Aber zwischen den ersten Beobachtungen an „kochenden Steinen“ (1756) und der Entdeckung von Boggsit haben andere Zeolithe enorme Bedeutung erlangt. Falls Sie zu Hause eine Wasserenthärtungsanlage besitzen, so enthält sie wahrscheinlich Zeolith oder eine verwandte Verbindung. Hartes Wasser enthält bestimmte Metallkationen, die die Wirkung von Seife oder synthetischen Waschmitteln beeinträchtigen. Das Material im Wasserenthärter tauscht die Ca²⁺-und Mg²⁺-Ionen des Wassers gegen Na⁺-Ionen aus. In der folgenden Gleichung steht das Symbol Z für die gesamte Zeolithstruktur mit Ausnahme der austauschbaren Na⁺-Ionen:

(1.3)

Diese Entdeckung wurde bereits um 1850 gemacht und obige Reaktion war die Grundlage des ersten Wasserenthärtungs-Prozesses durch Ionenaustausch. Die heute in Wasserenthärtungsanlagen verwendeten Austauscher haben eine ähnliche Struktur, sind aber von höherer Langzeitstabilität.

In neuerer Zeit haben sich die Zeolithe eine verwandte, aber dennoch verschiedene Anwendung erobert. Nicht jeder, der in einem Gebiet mit hartem Wasser wohnt, hat einen Wasserenthärter. In dem Bemühen, den negativen Einfluss von hartem Wasser auf den Waschvorgang zu mildern, haben die Hersteller von Waschmitteln schon früher ihren Seifen und Detergentien so genannte Builder zugesetzt. Zuerst waren dies Carbonate (Waschsoda, Na₂CO₃) und Borate [z. B. Borax, Na₄B₄O₅(OH)₄]. In neuerer Zeit wurden stattdessen Polyphosphate [O₃PO(PO₃)_n]^m– (m = n + 3) eingesetzt, die die zweiwertigen Kationen des harten Wassers komplexieren, d. h. sie so binden, dass sie den Waschprozess nicht mehr beeinträchtigen. Die Synthese der Polyphosphate und das Studium ihrer Komplexbildungseigenschaften mit Mg²⁺, Ca²⁺ und anderen Kationen sind ein weiterer Aspekt der anorganischen Chemie. Andererseits ist Phosphat einer der drei Hauptbestandteile von Düngemitteln,⁹ und zu viel Phosphat im Abwasser führt zur Eutrophierung von Seen und Flüssen.¹⁰ Um den Verbrauch von Phosphaten zu reduzieren, haben die Waschmittelhersteller daher ihren Detergentien Zeolithe als mikroskopisch feines Pulver zugesetzt, um die unerwünschten Kationen zu binden. Heute ist dies der größte Anwendungsbereich für Zeolithe.

Damit Sie jetzt nicht murren: „Phosphatverschmutzung raus, Zeolithverschmutzung rein“ sei gesagt, dass Zeolithe zu den ganz wenigen Stoffen gehören, die man dem Ökosystem ohne negative Folgen zusetzen kann. Durch ihre besondere Struktur sin...

Table of contents

• Titel
• Impressum
• Vorwort zur 5. deutschen Auflage
• Autorenverzeichnis
• Inhaltsverzeichnis
• Häufig gebrauchte Abkürzungen
• Häufig verwendete Symbole
• 1 Was ist Anorganische Chemie? - Ralf Steudel
• 2 Die Struktur der Atome - Ralf Steudel
• 3 Symmetrie und Gruppentheorie - Ralf Steudel
• 4 Bindungsmodelle in der Anorganischen Chemie: Teil 1 - Dirk Johrendt
• 5 Bindungsmodelle der Anorganischen Chemie, Teil 2: Die kovalente Bindung - Ralf Steudel
• 6 Struktur und Reaktivität von Molekülen
• 7 Der feste Zustand
• 8 Chemische Kräfte
• 9 Säure-Base-Chemie
• 10 Chemie in wässrigen und nichtwässrigenLösungen
• 11 Koordinationschemie: Struktur und Bindung - Maik Finze und Udo Radius
• 12 Charakterisierung von Koordinationsverbindungen - Udo Radius und Maik Finze
• 13 Strukturen von Koordinationsverbindungen - Maik Finze und Udo Radius
• 14 Reaktionen von Koordinationsverbindungen: Kinetik und Mechanismen
• 15 Organometallverbindungen
• 16 Anorganische Ketten, Ringe, Käfigeund Cluster
• 17 Die Chemie der Halogene undder Edelgase
• 18 Periodizität und fortgeschrittene Aspekteder chemischen Bindung
• 19 Bioanorganische Chemie
• Anhang A
• Anhang B - Einheiten und Umrechnungsfaktoren
• Anhang C - Atomare Energiezustände und Termsymbole
• Anhang D - Charaktertafeln
• Anhang E
• Anhang F
• Anhang G - IUPAC-Empfehlungen zur Nomenklatur in der anorganischen Chemie
• Index