Grundlagen der Technischen Chemie - Cheatsheet.pdf

Grundtypen chemischer Reaktionen: Synthese, Zersetzung, Austausch und Redox-Reaktionen

Definition:

Kategorisierung von Reaktionstypen in der Chemie; notwendig für Analyse und Verständnis von Stoffumwandlungen.

Details:

• Synthese: Kombination von Elementen/Verbindungen zu neuen Verbindungen. Beispiel: $A+B\to AB$
• Zersetzung: Abbau einer Verbindung in einfachere Stoffe. Beispiel: $AB\to A+B$
• Austauschreaktion (Metathese): Ionen zweier Verbindungen tauschen ihre Plätze. Beispiel: $AB+CD\to AD+CB$
• Redox-Reaktion: Elektronenübertragungen zwischen zwei Stoffen. Beispiel: $Zn+C{u}^{2+}\to Z{n}^{2+}+Cu$

Gibb'sche freie Energie und ihre Bedeutung für Reaktivität und Gleichgewicht

Definition:

Das Gibbs'sche Energie ( G ) misst die nutzbare Energie eines Systems bei konstanter Temperatur und Druck und bestimmt die Spontaneität von chemischen Reaktionen.

Details:

• Definition: G = H - TS
• ΔG < 0: Reaktion spontan (exergon)
• ΔG > 0: Reaktion nicht spontan (endergon)
• ΔG = 0: System im Gleichgewicht
• Bezieht Enthalpie ( H ) und Entropie ( S ) ein
• Steuert Gleichgewichtslage und Reaktionsbedingungen
• ΔG hängt von Reaktanten- und Produktkonzentrationen ab

Phase und Phasengleichgewichte in binären und ternären Systemen

Definition:

Phase und Phasengleichgewichte bezeichnen Zustände und deren Wechselwirkungen in Mehrkomponentensystemen.

Details:

• Binäre Systeme: Systeme mit zwei Komponenten
• Ternäre Systeme: Systeme mit drei Komponenten
• Gibbs'sche Phasenregel: $$F=K-P+2$$ für Druck und Temperatur
• Phasendiagramme: Graphische Darstellung der Phasenzustände
• Hebelgesetz: $$\frac{m_{\text{L}}}{m_{\text{S}}}=\frac{b-x}{x-a}$$ zur Bestimmung des Verhältnisses der Phasenmengen
• Gleichgewichtszustand: Zustand bei dem die Phasen im Gleichgewicht sind
• Konoden: Linien im Phasendiagramm, die Gleichgewichtszustände verbinden
• Dreiphasenpunkte: Punkt im Phasendiagramm, in dem drei Phasen im Gleichgewicht sind

Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit: Arrhenius-Gleichung

Definition:

Beschreibt, wie die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen mit der Temperatur variiert.

Details:

• Arrhenius-Gleichung: $$k=A{e}^{-\frac{E_a}{RT}}$$
• $k$: Geschwindigkeitskonstante
• $A$: Präexponentieller Faktor (Frequenzfaktor)
• $E_a$: Aktivierungsenergie
• $R$: Gaskonstante (8,314 J/mol·K)
• $T$: Temperatur in Kelvin

Struktur und Eigenschaften von Metallen, Polymeren und Keramiken

Definition:

Struktur und Eigenschaften von Metallen, Polymeren und Keramiken in Bezug auf deren chemische und physikalische Verhalten.

Details:

• Metalle: Kristallgitterstrukturen, hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, duktil.
• Polymere: Lange Kettenmoleküle, amorph oder teilkristallin, niedrige Dichte, elastisch oder plastisch verformbar.
• Keramiken: Kristallin oder amorph, hart und spröde, hohe Schmelzpunkte, niedrige elektrische und thermische Leitfähigkeit.
• Metallbindung: $$\text{M}+\text{M}\to {\text{M}}_2\text{ (delokalisierte Elektronen)}$$
• Polymerisieren von Polymeren: $$\text{nM}\to {\text{(M)}}_n\text{ (Kettenwachstums- oder Stufenwachstumsreaktion)}$$
• Ionen- und Kovalentbindungen in Keramiken: $${\text{A}}^{+}+{\text{B}}^{-}\to \text{AB}\text{ oder }{\text{SiO}}_2+{\text{SiO}}_2\to {\text{SiO}}_4$$

Ursachen und Auswirkungen von Luft- und Wasserverschmutzung

Definition:

Ursachen liegen hauptsächlich in anthropogenen Aktivitäten wie Industrie, Verkehr und Landwirtschaft. Auswirkungen reichen von gesundheitlichen Problemen bis hin zu Schäden an Ökosystemen und Klima.

Details:

• Hauptursachen: Emissionen aus Verbrennungsprozessen, Pestizide, Düngemittel, Abwasser aus Haushalten und Industrie
• Häufige Schadstoffe: \text{CO}_2, NO_x, SO_2, \text{CH}_4, Partikel (PM10, PM2.5), Schwermetalle, organische Verbindungen
• Gesundheitliche Auswirkungen: Atemwegserkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Krebsrisiken
• Ökologische Auswirkungen: Eutrophierung, Versauerung von Gewässern, Verlust der Biodiversität
• Klimatische Auswirkungen: Treibhauseffekt, Ozonabbau, Klimawandel

Entwicklung und Anwendung grüner Chemie

Definition:

Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher chemischer Prozesse und Produkte zur Minimierung negativer Einflüsse auf Mensch und Natur.

Details:

• 12 Prinzipien: z.B. Abfallvermeidung, Atomökonomie, Verwendung nachwachsender Rohstoffe
• Substitution gefährlicher Stoffe durch sicherere Alternativen
• Optimierung der Energieeffizienz chemischer Prozesse
• Vermeidung und Reduktion von Nebenprodukten und Abfällen
• Beispielreaktion: Katalytische Prozesse zur Reduktion von E-Abfällen
• Förderung nachhaltiger Synthesewege und Reaktordesigns
• Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus von Produkten (cradle-to-cradle)