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Makromoleküle

Band 2: Physikalische Strukturen und Eigenschaften

AutorHans-Georg Elias
VerlagWiley-VCH
Erscheinungsjahr2009
Seitenanzahl710 Seiten
ISBN9783527626502
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis196,99 EUR
Längst ein Klassiker: Kein anderes deutschsprachiges Werk über Makromoleküle erscheint bereits in der sechsten Auflage!
Mit Band 2 liegt nun eine zeitgemäße Behandlung der phsikalischen Eigenschaften von Makromolekülen vor. Er schildert in seinem ersten Teil die Struktur isolierter Moleküle und die zur Strukturaufklärung verwendeten Verfahren, bevor dann Mikro- und Makrokonformationen von Makromolekülen beschrieben werden.
Der zweite Teil befasst sich mit der physikalischen Struktur von Molekülverbänden in amorphen Zustaänden, Schmelzen und konzentrierten Lösungen, im kristallinen Zustand, in Mesophasen sowie in und an Grenzflächen, bevor im dritten Teil Makromoleküle in Lösungen diskutiert werden.
Teil vier ist dann den Schmelzen und ihren Eigenschaften gewidmet, Teil fünf behandelt die mechanischen Eigenschaften polymerer Festkörper wie Elastizität, Viskoelastizität und Bruchverhalten.
Auch in diesem Band stehen eine nicht zu elementare Darstellung des Stoffes und die integrierende Behandlung von Chemie, Physik, Biologie und Technologie im Vordergrund, die von einem breiten Leserkreis geschätzt werden.

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Inhaltsverzeichnis
Makromoleküle: Band 2: Physikalische Strukturen und Eigenschaften5
Inhaltsverzeichnis24
Motto7
Vorworte9
Verzeichnis der Abkürzungen11
1. Einleitung37
Einzelne Makromoleküle40
2. Chemische Struktur40
2.1 Konstitution40
2.1.1. Einfache Ketten40
2.1.2 Bezeichnungen einfacher Ketten42
2.1.3. Polymerarchitektur44
Lineare Polymere44
Verzweigte Polymere45
2.1.4. Konstitutionell höherdimensionale Makromoleküle46
2.2. Konfiguration48
2.2.1. Grundbegriffe48
2.2.2 Konfigurationsstatistik49
2.3. Polymerisationsgrade und Molmassen51
2.3.1. Übersicht51
2.3.2. Molekülmassen, Molekulargewichte und Molmassen52
2.3.3. Statistische Gewichte53
2.3.4. Einfache Mittelwerte der Molmassen55
2.3.5. Komplexere Mittelwerte der Molmassen57
Einfache hydrodynamische Mittelwerte57
Zusammengesetzte hydrodynamische Mittelwerte57
2.3.6. Mittelwerte der Polymerisationsgrade59
2.3.7. Mittelwerte anderer Eigenschaften59
2.3.8. Momente60
2.3.9. Molekulare Uneinheitlichkeit61
2.3.10. Konstitutionelle Uneinheitlichkeit61
2.3.11. Bestimmung von Molmassen64
2.4. Verteilungsfunktionen65
2.4.1. Darstellung von Verteilungsfunktionen65
2.4.2. Gauss-Verteilung67
2.4.3. Logarithmische Normalverteilung69
2.4.4. Poisson-Verteilung71
2.4.5. Schulz-Zimm- und Schulz-Flory-Verteilung71
2.4.6. Generalisierte Exponentialverteilungen72
2.4.7. Bestimmung von Molmassenverteilungen73
Historische Notizen74
3. Mikrokonformationen76
3.1. Grundlagen76
3.2. Lokale Konformationen77
3.2.1. Definitionen77
3.2.2. Rotationspotentiale78
3.2.3. Konstitutionseinflüsse80
3.3. Sequenzen von Mikrokonformationen82
3.3.1. Einleitung82
3.3.2. Helices83
3.3.3. Einfluss der Konstitution und Konfiguration85
3.4. Optische Aktivität88
3.4.1. Grundlagen88
Zirkulardichroismus89
Optische Aktivität89
Optische Rotationsdispersion90
3.4.2. Einfluss der Struktur91
Poly(?-aminosäure)n und Proteine91
Poly( 1-olefin)e94
Copolymere95
3.5. Umwandlungen von Konformationen96
3.5.1. Phänomene96
3.5.2. Thermodynamik97
3.5.3. Kinetik99
Historische Notizen100
4. Makrokonformationen102
4.1. Übersicht102
4.1.1. Einleitung102
4.1.2. Konformation in Lösungen103
Helices in Lösungen104
Partielle Helices in Lösung104
4.2. Kompakte Moleküle106
4.2.1. Einführung106
4.2.2. Sphäroide107
Kugeln107
Ellipsoide109
4.2.3. Stäbchen109
4.3. Ungestörte Knäuel linearer Ketten111
4.3.1. Konturlängen111
4.3.2. Trägheitsradien113
4.3.3. Knäueltypen115
4.3.4. Molekülmodelle116
Irrflug-Kette116
Segment-Kette119
Valenzwinkel-Kette mit freier Drehbarkeit120
Valenzwinkel-Kette mit behinderter Drehbarkeit121
RIS-Modell122
4.3.5. Flexibilität von Ketten125
Sterischer Faktor (Behinderungsparameter)125
Charakteristisches Verhältnis126
Kuhn-Längen127
Persistenzlänge128
4.3.6. Trägheitsradien128
4.3.7. Knäueldichte130
4.3.8. Verteilung der Fadenendenabstände133
4.3.9. Wurmartige Ketten134
4.4. Gestörte Knäuel linearer Ketten137
4.4.1. Ausgeschlossene Volumina137
4.4.2. Aufweitungsfaktoren138
4.4.3. Helicale wurmartige Ketten140
4.4.4. Einfluss der Molmasse142
4.4.5. Einfluss der Polymolekularität145
4.4.6. Temperaturabhängigkeit der Trägheitsradien146
4.5. Ringförmige Makromoleküle147
4.6. Verzweigte Makromoleküle148
4.6.1. Einleitung148
4.6.2. Sternmoleküle149
4.6.3. Dendrimermoleküle151
4.6.4. Hyperverzweigte Moleküle152
4.6.5. Kamm-Moleküle152
4.7. Skalierung154
4.7.1. Einführung154
4.7.2. Fraktale154
4.7.3. Selbstähnlichkeit156
4.8. Atomistische und molekulare Modellierung158
4.8.1. Einführung158
4.8.2. Methoden159
Gruppeninkrement-Methoden159
Gittermethoden159
Gitterfreie Methoden161
4.8.3. Atomistische Kraftfelder162
A.4. Anhang166
A-4.1. Valenzwinkel-Kette mit freier Drehbarkeit166
A-4.2. Beziehung zwischen Fadenendenabstand und Trägheitsradius bei Phantom-Ketten167
A-4.3. Verteilung der Fadenendenabstände169
Historische Notizen170
Kraftfeld-Bibliographie170
5. Streumethoden174
5.1. Übersicht174
5.2. Statische Lichtstreuung: Rayleigh-Bereich175
5.2.1. Grundlagen175
5.2.2. Copolymere179
5.2.3. Konzentrationsabhängigkeit180
5.2.4 Mischlöser182
5.3. Statische Lichtstreuung: Debye-Bereich185
5.3.1. Grundlagen185
5.3.2. Streufunktion186
5.3.3. Zimm-Diagramm188
5.3.4. Einfluss der Teilchengestalt189
Kugeln189
Stäbchen189
Statistische Knäuel190
Wurmartige Ketten192
Sternmoleküle194
Kammmoleküle195
5.4. Röntgenkleinwinkelstreuung196
5.4.1. Grundlagen196
5.4.2. Streufunktionen199
Knäuel199
Verzweigte Polymere201
5.5. Neutronenkleinwinkelstreuung202
Historische Notizen204
Molekülverbände206
6. Ungeordnete kondensierte Systeme206
6.1. Amorphe Polymere206
6.1.1. Struktur206
6.1.2. Dichte208
6.2. Polymerschmelzen210
6.2.1. Mikrokonformationen210
6.2.2. Makrokonformationen211
6.3. Mässig konzentrierte Lösungen212
6.3.1. Konzentrationsbereiche212
6.3.2. Temperaturabhängigkeit der Knäueldimensionen213
6.3.3. Verschlaufungen215
6.3.4. Blobs216
6.3.5. Trägheitsradien von Stemmolekülen218
Historische Notizen219
7. Kristalline Zustände221
7.1. Kristallstrukturen221
7.1.1. Definitionen des Kristalls221
7.1.2. Gitterstrukturen221
7.1.3. Symmetrie-Eigenschaften223
7.1.4. Röntgenstrukturanalyse225
7.1.5. Gitterkonstanten229
7.1.6. Gitterstrukturen231
7.1.7. Polymorphie233
7.1.8. Isomorphie234
7.1.9. Einheitszellen234
7.2. Kristallitstrukturen235
7.2.1. Fransenmizellen235
7.2.2. Polymereinkristalle236
7.3. Kristallisation242
7.3.1. Keimbildung243
Homogene Keimbildung243
Heterogene Keimbildung244
Keimbildner245
Kristallisation aus Lösungen245
Kristallisation aus Schmelzen247
7.3.2. Kristallisationsgeschwindigkeit248
7.4. Überstrukturen251
7.4.1. Sphärolithe252
7.4.2. Andere Überstrukturen253
7.4.3. Einfluss der Kristallisationsbedingungen254
7.5. Kristallinität257
7.5.1. Ideale Kristalle257
7.5.2. Kristallisierbarkeit und Kristallinität257
7.5.3. Gitterdefekte258
7.5.4. Ein- und Zweiphasen-Modelle259
7.5.5. Röntgenographie260
7.5.6. Dichte-Messungen261
7.5.7. Kalorimetrie262
7.5.8. Infrarot-Spektroskopie262
7.5.9. Indirekte Methoden263
7.6. Orientierung263
7.6,l. Röntgen-Interferenzen263
7.6.2. Optische Doppelbrechung264
7.6.3. Schallfortpflanzung265
7.6.4. Infrarot-Dichroismus266
7.6.5. Polarisierte Fluoreszenz267
Historische Notizen267
8. Mesophasen271
8.1. Einführung271
8.1.1. Klassen von Mesophasen271
8.1.2 Andere Mesophasen272
8.2. Mesomorphe Zustände273
8.2.1. Mesogene273
8.2.2. Anordnung der Mesogene275
8.3. Lyotrope Flüssigkristalle276
8.3.1. Übersicht276
8.3.2. Phasentrennung278
Onsager-Theorie279
Flory-Theorie279
8.3.3. Chemische Potentiale283
8.3.4. Orientierung der Mesogene286
8.3.5. Amphotrope Flüssigkristalle287
8.4. Thermotrope Flüssigkristalle288
8.4.1. Strukturelle Voraussetzungen289
8.4.2. Strukturen in Mesophasen290
8.4.3. Eigenschaften von Mesophasen291
8.5. Blockpolymere293
8.5.1. Übersicht293
8.5.2. Thermotrope Domänen293
8.5.3. Lyotrope Strukturen298
8.6. Ionomere300
Historische Notizen301
9. Polymere in und an Grenzflächen304
9.1. Oberflächen von Polymeren304
9.1.1. Grundlagen304
9.1.2. Methoden304
9.1.3. Zusammensetzung306
9.2. Grenzflächenspannungen307
9.2.1. Grundlagen307
9.2.2. Messmethoden307
9.2.3. Zeiteffekte309
9.2.4. Oberflächenspannung von Polymerschmelzen311
9.2.5. Oberflächenspannung von Polymerlösungen312
9.2.6. Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten312
9.2.7. Kritische Oberflächenspannung Festkörper-Flüssigkeit313
9.3. Spreitung von Polymeren auf Hypophasen315
9.4. Adsorption auf festen Oberflächen317
9.4.1. Grundlagen317
9.4.2. Methoden318
9.4.3. Zeitabhängigkeit319
9.4.4. Adsorptionsgleichgewichte320
9.5. Bürsten321
9.5.1. Abstossungskräfte322
9.5.2. Blob-Theorie322
9.5.3. Rheologie325
Historische Notizen326
Lösungen328
10. Thermodynamik von Polymerlösungen328
10.1. Phänomenologische Thermodynamik328
10.1.1. Gestalt und Lösungseigenschaften328
10.1.2. Thermodynamische Einteilung von Lösungen329
10.1.3. Löslichkeitsparameter331
Löslichkeitsparameter von Lösungsmitteln332
Löslichkeitsparameter von Polymeren332
Mischungsenthalpie333
10.1.4. Molekulare Betrachtungen335
Selbstassoziation von Lösungsmittelmolekülen335
Solvatation336
Vorzugssolvatation336
10.1.5. Lösegeschwindigkeit338
10.2. Statistische Thermodynamik339
10.2.1. Einführung339
10.2.2. Gittertheorie340
Mischungsenthalpie341
Wechselwirkungsparameter341
Mischungsentropie343
Gibbs-Mischungsenergie344
Chemische Potentiale345
Zusammenfassung346
10.2.3. Phasentrennung347
Lösungen amorpher Polymerer347
Quasibinäre Systeme348
Fäll- und Lösefraktionierung349
Trübungstitration351
Fällfraktionierung chemisch uneinheitlicher Polymerer352
Polymerblends352
Kritische Mischungstemperaturen354
Kristalline Polymere355
10.3. Osmotischer Druck357
10.3.1. Grundlagen357
10.3.2. Membranosmometrie358
Semipermeable Membranen358
Nichtsemipermeable Membranen359
10.3.3. Ebullioskopie und Kryoskopie360
10.3.4. Dampfdruckosmometrie361
10.4. Virialkoeffizienten362
10.4.1. Grundlagen362
10.4.2. Gittertheorie364
10.4.3. Einfluss des ausgeschlossenen Volumens367
10.4.4. Einfluss der Molmasse367
10.4.5. Einfluss der Temperatur369
10.4.6. Osmotischer Druck mässig konzentrierter Lösungen370
10.5. Assoziation und Selbstassoziation372
10.5.1. Grundlagen372
10.5.2. Offene Selbstassoziation372
10.5.3. Geschlossene Selbstassoziation375
10.5.4. Komplexierung kleiner Moleküle379
10.5.5. Polymer-Polymer-Komplexe381
10.6. Polyelektrolyte384
10.6.1. Struktur von Polyelektrolytlösungen384
10.6.2. Themodynamische Aktivität386
10.6.3 Osmotischer Druck387
10.6.4. Gibbs-Mischungsenergie und Polyelektrolyt-Dimensionen389
10.7.Gele390
10.7.1. Übersicht390
10.7.2. Quellung chemisch vernetzter Gele391
10.7.3. Quellung elektrisch geladener, chemisch vernetzter Gele393
10.7.4. Physikalisch vernetzte Gele394
11. Transport in Lösungen399
11.1. Translationsdiffusion399
11.1.1. Einführung399
11.1.2. Messverfahren401
Klassisches Verfahren401
Dynamische Lichtstreuung402
11.1.3. Reibungskoeffizienten der Translation404
Kugeln404
Ellipsoide404
Stäbchen405
Knäuel406
11.1.4. Diffusionskoeffizienten409
Kugeln409
Stäbchen411
Knäuel411
11.1.5. Konzentrationsabhängigkeit412
11.1.6. Mässig konzentrierte Lösungen413
11.1.7. Strukturierter Fluss415
11.2. Rotationsdiffusion416
11.2.1. Einleitung416
11.2.2. Strömungsdoppelbrechung416
11.2.3. Reibungskoeffizienten der Rotation418
Kugeln und Ellipsoide418
Starre Stäbchen418
11.3. Sedimentation419
11.3.1. Grundlagen419
11.3.2. Sedimentationsgeschwindigkeit420
11.3.3. Konzentrationsabhängigkeit422
11.3.4. Molmassen423
11.3.5. Sedimentationsgleichgewicht425
11.3.6. Sedimentationsgleichgewicht im Dichtegradienten426
11.4. Kraftfeld-Flussfraktionierung427
11.5. Elektrophorese428
12. Viskosität verdünnter Lösungen431
12.1. Grundbegriffe431
12.1.1. Definitionen431
12.1.2. Experimentelle Methoden432
12.2. Konzentrationsabhängigkeit435
12.2.1. Nichtelektrolyte435
12.2.2. Polyelektrolyte438
12.3. Grenzviskositätszahlen441
12.3.1. Mittelwerte441
12.3.2. Hydrodynamische Volumina443
12.3.3. Kugeln443
12.3.4. Ellipsoide444
12.3.5. Stäbchen446
12.3.6. Ungestörte Knäuel447
?-werte448
Kv- Werte449
Hydrodynamische Radien450
12.3.7. Gestörte Knäuel452
12.3.8. Verzweigte Polymermoleküle453
Statistisch verzweigte Polymere454
Sternpolymere456
Hyperverzweigte Polymere456
Dendrimere457
Kammpolymere458
12.3.9. Scheibchen459
12.3.10. Polyelektrolyte459
A 12. Anhang: Flory-Konstanten459
Historische Notizen460
Schmelzen462
13. Thermische Eigenschaften462
13.1. Grundlagen462
13.1.1. Einführung462
13.1.2. Stoffzustände463
13.1.3. Ordnungen von Zustandsumwandlungen463
13.1.4. Methoden466
13.2. Molekülbewegungen468
13.2.1. Thermische Ausdehnung468
13.2.2. Wärmekapazität469
13.2.3. Wärmeleitfähigkeit471
13.2.4. Thermische Relaxationen472
13.3. Schmelzprozesse474
13.3.1. Grundlagen474
13.3.2. Einfluss der Morphologie475
Definition der Schmelztemperatur475
Einfluss der Aufheizgeschwindigkeit476
Einfluss der Kristallitgrösse476
13.3.3. Einfluss der Molmasse478
13.3.4. Einfluss der Konstitution480
13.4. Umwandlung von Flüssigkristallen484
13.4.1. Thermische Zustände484
13.4.2. Molmassenabhängigkeit486
13.4.3. Thermodynamische Grössen486
13.5. Glasübergänge488
13.5.1. Freies Volumen489
13.5.2. Molekulare Interpretationen490
13.5.3. Konstitutionseinflüsse492
Lineare Ketten492
Verzweigte Polymere494
Vernetzte Polymere496
Ionomere495
13.5.4. Weichmachung497
Äussere Weichmachung497
Innere Weichmachung499
13.5.5. Statische und dynamische Glastemperaturen501
13.6. Andere Umwandlungen und Relaxationen503
14. Transport in Polymeren506
14.1. Einleitung506
14.2. Transport in fluiden Polymerphasen507
14.2.1. Lösungsmittel in konzentrierten Polymerlösungen507
14.2.2. Polymere in Schmelzen508
14.2.3. Reptation von Polymerketten510
14.2.4. Polymerketten in Polymermatrizen512
14.3. Transport kleiner Moleküle durch Polymermatrizen514
14.3.1. Übersicht514
14.3.2. Permeationskoeffizienten515
14.3.3. Permeation von Gasen517
14.3.4. Permeation von Flüssigkeiten519
14.4. Transport von Polymeren durch Porenmembranen520
14.4.1. Porenmembranen520
14.4.2. Diffusion durch Poren521
14.4.3. Grössenausschlusschromatographie523
Historische Notizen525
15. Viskosität von Schmelzen527
15.1. Typen von Deformationen527
15.2. Viskosimetrie530
15.2.1. Typen von Viskositäten530
15.2.2. Viskosimeter531
15.3. Newton'sche Scherviskositäten533
15.3.1. Lineare Polymere in Schmelzen533
15.3.2. Rouse-Theorie534
15.3.3. Korrekturen für das Rouse-Gebiet535
15.3.4. Reptation537
15.3.5. Nichtlineare Makromoleküle538
15.4. Nicht-Newton'sche Scherviskositäten540
15.4.1. Übersicht540
15.4.2. Rheometrie542
15.4.3. Schmelzeelastizität544
15.5. Dehnviskositäten545
15.5.1 Grundlagen545
15.5.2. Schmelzen546
15.5.3. Lösungen548
Historische Notizen550
Festkörper553
16. Elastizität553
16.1. Einführung553
16.2. Zugversuch555
16.2.1. Grundbegriffe555
Nominelle Zugwerte555
Wahre Zugwerte556
Spannungsweichmachung557
16.2.2. Hooke'sches Gesetz557
16.2.3. Poisson-Zahl558
16.2.4. Prüfmethoden561
Zugmoduln561
Biegemoduln563
Moduln aus Schallgeschwindigkeiten564
Gittermoduln564
16.2.5 Einteilung von Polymeren565
16.3 Energie-Elastizität568
16.3.1. Generalisierte Hooke-Gleichung569
16.3.2. Lineare Elastizitätstheorie570
Spannungen570
Verformungen571
16.3.3. Steifheitskonstanten und Nachgiebigkeitskonstanten572
Orthotrope Körper573
Orientierte Körper574
Isotrope Körper576
16.3.4. Theoretische Moduln577
16.3.5. Reale Elastizitätsmoduln580
Mischungsregeln580
Takayanagi-Modelle582
Einfluss der Verarbeitung583
16.4. Entropie-Elastizität585
16.4.1. Phäomene585
16.4.2. Entropie-Elastizität einzelner Moleküle587
16.4.3. Chemische Thermodynamik588
16.4.4. Statische Thermodynamik591
16.4.5 Modelle592
16.4.6 Uniaxiale Dehnung595
16.4.7. Biaxiale Dehnung597
16.4.8. Dehnung realer Netzwerke597
16.4.9. Scheren von Netzwerken599
Historische Notizen601
17. Viskoelastizität604
17.1. Einführung604
17.1.1. Übersicht604
17.1.2. Definitionen604
17.2. Streckgrenze607
17.2.1. Considère-Diagramm607
17.2.2. Molekulare Ursachen für Fliessgrenzen608
17.2.3. Streckgrenze und Teleskopeffekt611
17.2.4. Fliesskriterien612
17.3. Fliessbereich614
17.3.1. Crazes und Scherbänder614
17.3.2. Einfluss der Verhakungsdichte615
17.3.3. Anteile von Crazes und Scherbändern616
17.3.4. Grosse Dehnungen617
17.3.5. Nachgeben als Fliessprozess619
17.4. Kriechen und Relaxation621
17.4.1. 2-Parameter-Modelle621
17.4.2. Spannungsrelaxation623
17.4.3. Kriechversuch625
17.4.4. 3- und 4-Parameter-Modelle626
17.4.5. Boltzmannsches Superpositionsprinzip629
17.5. Dynamische Beanspruchungen631
17.5.1. Erzwungene Schwingungen631
17.5.2. Freie Schwingungen633
17.5.3. Komplexe Moduln634
17.5.4. Dynamische Moduln fester Polymerer637
17.5.5. Scherspeichermoduln von Schmelzen638
17.5.6. Scherspeichermoduln von Lösungen642
A.17. Anhang: Alternierende Deformationen644
Historische Notizen645
18. Bruch von Polymeren647
18.1. Einleitung647
18.1.1. Definitionen647
18.1.2. Einfluss der Molmasse648
18.2. Zugfestigkeit650
18.2.1. Einführung650
18.2.2. Bruch spröder Polymerer651
18.2.3. Brucheinleitung654
18.2.4. Bruchfortpflanzung656
18.2.5. Theoretische Zugfestigkeiten658
18.3. Reale Zugfestigkeiten660
18.3.1. Einleitung660
18.3.2. Kritische Spannungsintensitätsfaktoren661
18.3.3. Bruchzähigkeit663
18.3.4. Bruch duktiler Polymerer664
18.3.5. Schlagzähigkeit665
Historische Notizen668
19. Anhang670
19.1. SI-Einheiten und IUPAC-Symbole670
Tab. 19-1 Physikalische Grundgrössen und SI-Einheiten670
Tab. 19-2 Abgeleitete SI-Einheiten und IUPAC-Symbole671
Tab. 19-3 Neben oder mit SI-Einheiten verwendete ältere Einheiten672
Tab. 19-4 Vorsätze für SI-Einheiten im Dezimalsystem673
Tab. 19-5 Vorsätze für binäre Systeme (Computerindustrie)673
Tab. 19-6 Vorsatzzeichen in der U.S. Finanz- und Gaswirtschaft674
Tab. 19-7 Römische Zahlzeichen674
Tab. 19-8 Fundamentale Konstanten674
Tab. 19-9 Umrechnungen von veralteten Einheiten675
19.2. Verhältnisse physikalischer Grössen679
19.3. Konzentrationen680
19.4. Abkürzungen für Kunststoffe, Fasern, Elastomere usw681
Sachregister682
Englische Fachausdrücke704

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