Chemie

Chemie ist wenn es stinkt und kracht...die alkoholische Gäärung, alscho die Gäärung desch Allohols isch die alloholische Gäärung.

Aber was ist Chemie wirklich?

Chemie umfasst die Lehre der kleinsten Teile, der Atome (aus dem Griechischen: unteilbar), ihren Aufbau, die Reaktion diese Elemente untereinander und die Analytische Zerlegung aller Materie in ihre Bestandteile (Moleküle). Sie erklärt im Modell das Entstehen und die Zusammensetzung der Materialien, sie ist Grundlage zur Schaffung neuer Werkstoffe - kurz: Sie befasst sich mit dem mikroskopischen, nicht sichtbaren Mikrokosmos.

Chemie ist eine Naturwissenschaft, die in ihrem Umfang für Laien nicht oder nur schwer zu begreifen ist. Allerdings sind grundlegende Gesetzmässigkeiten durchaus auch für Laien nütig - und sei es nur, damit es nicht kracht und stinkt...

Atom

Atommodell nach Bohr

Der Physiker und Chemiker Bohr (1885 - 1962) war als einer der ersten Wissenschaftler in der Lage, den Aufbau und die Zusammensetzung von Atomen im Modell nachzuweisen und entwickelte 1913 sein Atommodell auf Grundlage der Vorstellungen E. Rutherfords und der Quantentheorie von Max Planck, das in Grundzügen auch heute noch Gültigkeit hat:

Seine Theorie basierte nicht mehr auf dem Atom als solches, da er erkannte, daß dieses durchaus teilbar ist.

Er unterteilte in seinem Modell das Atom in den Kern (bestehend aus Neutronen und Protonen), wo die Masse konzentriert ist und den Kern umkreisende negativ geladene Teilchen, sog. Elektronen, die die Hülle darstellen. Die Bahnen dieser Elektronen waren nach seiner Theorie berechenbar.

Das Atom wird also von Elektronen in einer Bahn ähnlich der der Planeten um die Sonne umkreist. Dabei ist die Anzahl der Elektronen insgesamt abhängig von der Anzahl der Protonen im Kern - sie ist gleich. Die Anzahl der Elektronen verteilt sich nach Bohr auf verschiedene Hüllen, die nach der Formel 2n² mit Elektronen besetzt werden. Allerdings liegen auf der äusseren (bei Edelgasen), bzw. vorletzten Hülle maximal 8 Elektronen. Dieses Oktagene Verhalten lässt sich mit dem Bestreben erklären, das ein Atom/Molekül Edelgaskonfiguration erreichen will. Aus diesem Ansatz lässt sich das Priodensystem und das Zustandekommen Chemischer Bindungen erklären.

Das Periodensystem

Das Periodensystem (interner Link) wurde entwickelt, um die bekannten Atome in eine logische Ordnung zu bringen. Als Ordnungszahl verwandten die Entwickler dabei die Anzahl der Protonen im Kern des Atoms (Beispiel Wasserstoff (H), 1 Proton, 1 Neutron, 1 Elektron Ordnungszahl 1). Die Anzahl der freien (Valenz-)elektronen ergaben die Einteilung in die acht Hauptgruppen I bis VIII. Die Anzahl der (Elektronen-) Schalen ist aus der Zeile zu erkennen: 1te Zeile - 1 Schale, 2te Zeile - 2 Schalen, usw. Zudem wurden gleichzeitig die Massezahlen ( Protonen + Neutronen) mit in die Tabelle aufgenommen.

Ein sehr umfangreiches System mit direkten Informationen zu den einzelnen Elemente findet sich hier (http://www.periodensystem.info/periodensystem/)

Aus diesem System lässt sich das Verhalten eines Elementes und mögliche Bindungen direkt ablesen:

Beispielsweise wird ein links stehendes Element (z.B. Wasserstoff) sich ein rechtsstehendes Element (z.B. Sauerstoff) suchen, um eine Verbindung einzugehen ( Ergebnis: Wasser H₂O) Dabei ist auch die Anzahl des jeweiligen Elementes in der Verbindung abzuleiten. Zu den Bindungsarten kommen wir später.

Grundlegende Begriffe der Chemie

Analyse - Synthese - Mischung - Verbindung

Analyse

Analyse: Auseinandernehmen eines Stoffes, Zerlegen in Bestandteile

dabei unterscheidet man zwischen:

1. Mechanischer Analyse (Siebung, Filterung, Sortieren, Extraktion), die bei Mischungen zum Erfolg führen, und

2. Chemischer Analyse (Destilation, Schmelzung, Kathalysierte Reaktion, Extraktion) die bei Verbindungen zum Erfolg führt.

Synthese

Synthese: Verbinden / Verschmelzen von Stoffen zu einem Neuen, d.h. Synthese zweier Stoffe erzeugt einen neuen Stoff, der durch einfache mechanische Analyse nicht mehr zu den Ausgangsstoffen gefürt werden kann. Diese Stoffe nennt man chemische Verbindungen.
Beispiele: Herstellung von syntetischen Farbstoffen
Herstellung von Kunstfasern (Nylon, Perlon)
Herstellung von Gummi (Buna)
Herstellung von Kunststoffen (Zellulose, PVC, Polymere)

chemischer Vorgang: Verbrennung(Oxidation) Korrosion (Oxidation) alkoholische Gärung, Elektrolyse, Synthese eines neuen Stoffes

Eine chemische Rekation führt zu einer Verbindung . Diese ist meist irreversibel oder zumindest nicht physikalisch rückführbar.

Mischung und Umformung

physikalischer Vorgang: Verformung, Temperaturänderung und damit Änderung des Aggregatzustandes (Fest- Flüssig-Gasförmig), Energiezuführung oder Entzug (Akku), Mischen - Änderung der äußeren Eigenschaften ohne die Stoffe selbst zu verändern - "leicht" reversibel (rückführbar)

Extraktion: herauslösen von Bestandteilen eines Stoffes durch Lösungsmittel - z.B. Kaffeekochen

ein physikalischer Vorgang verändert die Ausgangsstoffe nicht chemisch, d.h. eine physikalische Verbindung/ Umformung ist entsprechend auch physikalisch reversibel (rückführbar)

Chemische Bindungsarten

Atome bilden in der Natur Moleküle, d.h. sie kommen selten atomar (also in ihrer reinen Form) vor. Moleküle sind also zusammengesetzte Atome, deren Verbindung in unterschiedlicher Form und Stabilität vorliegt. Man unterscheidet drei Bindungsarten:

1. Ionenbindung Metalle und Nichtmetalle bilden über die gemeinsame Nutzung ihrer Valenzelektronen ein Molekül. Diese Verbindung nennt man Salze oder Salzkristalle:
   Beispiel: Na und Cl -> NaCl Natriumchlorid (Kochsalz)
   Feste und stabile, bipolare (+ - ) Bindung mit hohem Schmelzpunkt.

2. Atombindung Nur Nichtmetalle gehen diese Bindungsart ein. Sie entsteht über eine Elektronenpaabindung, d.h. sie teilen sich gemeinsam paarweise freie Elektronen.
   Beispiel: H + H -> H₂ (Wasserstoffgas) O+O -> O₂ (Sauerstoffgas)
   Diese Verbindungen sind nicht besonders stabil und besitzen einen niedrigen Schmelzpunkt

3. Metallbindungen Wie der Name schon sagt: Metalle gehen diese Bindungsart ein. Sie bilden ein sog. Metallgitter, bei dem die Atome ihre freien Elektronen als Elektronengas ungebunden zwischen den Atomkernen belassen. Die starken Coulombkräfte sorgen für eine starke, stabile Bindung mit hohem Schmelzpunkt. Weitere Eigenschaft: hohe elektrische Leitfähigkeit (Wegen der freien Elektronen)

Oxidation

Oxidation ist ein chemischer Prozess, bei dem das oxidierte Element (meist) Sauerstoff aufnimmt und dabei Elektronen an den Oxidanten (Oxidationsmittel) abgibt.

Einige Oxidationsmittel: Wasserstoffperoxid H₂O₂ , Kaliumpermanganat KmnO₄, Salpeter KNO₃

Reduktion

Reduktion ist die entgegengesetzte Reaktion zur Oxidation, d.h. Sauerstoff wird einer Verbindung entzogen und Elektronen werden aufgenommen.

Einige Reduktionsmittel: Wasserstoff H₂, Natrium Na, Kohlenstoff C

Redoxreaktion

Wie oben gesehen, werden Oxidanten zur Oxidation eingesetzt, Reduktionsmittel zur Reduktion. Somit ist logischerweise jede Oxidation mit Sauerstoffverbindungen mit einer Reduktion des Oxidanten verbunden! Daher nennt man diesen Prozess auch Redoxreaktion.

Basen / Laugen

Laugen sind chemische Verbindungen die durch Einleiten von Wasserlöslichen Metalloxiden (z.B. K2O = Kaliumoxid) in Wasser, oder der Reaktion unedler Metalle mit Wasser (Na = Natrium) entstehen.

Charakteristisch für Laugen sind die dabei entstehenden OH - Gruppen, die stark reaktiv sind.

• Laugen färben Lackmuspapier blau

• Laugen sind basisch / alkalisch

• Beim Verdampfen von Laugen entstehen Metallhydroxide

• Diese Zerfallen beim Lösen in Wasser zu Metallionen und Hydroxionen

• Beispiele: NaOH (Natronlauge) KOH (Kalilauge)

Säuren

Säuren sind chemische Verbindungen, bei denen die Wasserstoffatome derart angelagert sind, dass sie dieser Verbindung leicht entzogen werden können (Dissoziation - Entzug von Wasserstoff). Auf dieser Eigenschaft beruht die Säurecharakteristik dieser Chemischen Verbindungen.

Ihre Säurewirkung entfalten diese Verbindungen erst durch Einleitung in oder Kontakt mit Wasser. Daher ist auch leicht zu erklären, warum Schleimhäute besonders durch Säuren angegriffen werden können.

• Säuren färben Lackmuspapier rot

• Säuren reagieren stark und sauer

• Säurewirkung durch positive Wasserstoffionen H+

• Ätzwirkung bei Metallen, Haut und Schleimhäuten

• Redundante (dissoziative) Wirkung

• Beispiele: Kohlensäure H₂CO₃ ( schwache, natürliche Säure)
  Phosphorsäure H₃PO₄ ( mittelstarke Säure)
  Salzsäure HCl ( starke Säure(gas))
  Salpetersäure HNO₃ ( starke Säure)
  Schwefelsäure H₂SO₄ ( sehr starke natürliche Säure)

• Einteilung in organische (Kohlenstoffverbindung) und anorganische (-ide) Säuren

Neutralisation und chemische Reaktionsgleichung

Neutralisation

nennt man die Verbindung von Säuren und Basen (Laugen) zu Salz und Wasser.

Also entsteht Wasser durch die Reaktion der OH - Gruppe der Lauge (-hydroxid) mit den Wasserstoffionen H+ der Säure - das Metall der Lauge reagiert mit der negativ geladenen Oxidationsgruppe der Säure - es entsteht Salz.

Beispiel: Natronlauge und Salzsäure werden zusammengeleitet, die beiden Stoffe ragieren zu Wasser und Kochsalz

NaOH + HCl => Na⁺ OH ^- + H⁺ + CL^- => NaCL + H₂O

Zur Erklärung: das hochgestellte + bedeutet eine positive Ladung des Ions durch Verlust eine Elektrons, das hochgestellte Minus die negative Ladung des Ions durch Überschuss eines Elektrons.

Reaktionsgleichung

Chemische Reaktionsgleichungen erklären die Zusammensetzung und mengenmässige Relation der Ausgangsstoffe und des Produktes einer Reaktion.

Wir nehmen als Beispiel die Neutralisation von Natronlauge und Schwefelsäure

NaOH + H2SO4 = Na SO4 + H2O

=> Na⁺ + OH^- + 2H⁺ + SO4^(2-) = Na SO4 + H2O
Wir sehen, dass beide Seiten nicht gleich sind, da 2 H nicht mit einer OH-Gruppe zu H2O reagieren kann. es müssen wenigstens 2 OH - Gruppen sein

Ausserdem benötigt die SO4-Gruppe wenigstens zwei positive Ionen zum Aufbau einer neutralen Bindung also z.B. 2 Na+ ! Daraus folgt dann, dass die Reaktionsgleichung wie folgt aussehen muss:

2 NaOH + H₂ SO4 = NaSO₄ + 2 H₂O

Allgemein ausgedrückt bedeutet dies, dass die Summe der Einzelelemente auf der linken Seite gleich der Summe der Elemente auf der rechten Seite sein muss!

Also:

A + B = C + D => xA + B = C +xD => A+xB = xC + D

Die Linke Seite dieser Gleichung enthält die Ausgangsstoffe, die rechte die Reaktionsprodukte

Organische und Anorganische Chemie

Aus der Geschichte der Chemie, die als Wissenschaft erst spät den Absprung von der mysthifizierenden Alchemie des Mittelalters schaffte, erwuchs der Versuch, Chemie in natürliche und unnatürliche Chemie zu teilen

Letzlich ist die Unterscheidung zwischen organischer (natürlicher) und anorganischer Chemie an das Vorkommen von Kohlenstoff in der Verbindung geknüpft - wenngleich die Übergänge fliessend und nicht klar getrennt werden.

Organische Chemie

Diese wird auch Kohlenstoffchemie genannt Wie aus dem Namen bereits hervorgeht befasst sich diese Teil der Chemie mit allen Verbindungen, die Kohlenstoff in freier oder gebundenenr Form enthällt. Als wichtigstes Teilgebeit ist hier die Biochemie zu nennen, die sich mit den Vorgängen in den Pflanzen, der sogenannten Fotolyse und Fotosynthese( Umwandlung von CO₂ in Zucker und Sauerstoff ) befasst.

Organische Verbindung:

Kohlenwasserstoffverbindungen wie z.B. Zucker, Stärke, Mehl, Kohlendioxide, Kohlensäure, Kristalle, Bernstein, Diamant, Kohle, Erdöl, usw...

können lange Ketten von Molekülen bilden - sogenannte Makromoleküle

Schweflige Kohlenstoffverbindungen, Aminosäuren sind Beispiele.

Folgend eine tabellarische Auflistung der organischen Verbindungen

Anorganische Chemie

Diese beschäftigt sich mit allen nichtbiologischen und künstlich hergestellten, synthetischen Stoffen. Obgleich die Produktion sogenannter Polymeride, Polystyrole und Polychloride hierzu zählen, sind in diesen Kunststoffen durchaus Kohlenstoffatome vorhanden ( Erdöl als Rohstoff ist letztlich ja nichts anderes als Überbleibsel von Pflanzen ) und zählen wieder zur organischen Chemie... Hier sind die Grenzen also fließend.

Darstellung der Atome und Moleküle

In der Chemie werden Atome, Moleküle und Verbindungen meist nicht bildlich (sieh Atommodell), sondern in Summen oder Strukturschreibweise mit den Bezeichnungsbuchstaben der einzelnen Elemente dargestellt

Anhand des Wasserstoffes (H) und Sauerstoffs (O) verbildlichen wir diese unterschiedliche Schreibweise:

H .. H, :O::O:	Elektronenschreibweise
H-H, O=O	Elektronenpaarschreibweise"Strukturformel"(Die nicht beteiligten Elektronen werden "vergessen")
H2 , O2	Molekulearschreibweise "Summenformel"
H-O-H	Wasser : Summenformel H2 + O2 = 2 H2O
O=C=O	Kohlendioxid: C + O2 = CO2
Na - OH	Natriumhydroxid (Natronlauge): Na + OH = NaOH
	Zucker oder Glucose = C6H12O6

Es ist also ersichtlich, dass die Strukturformel eher Aufschluss über das Aussehen eines Moleküls gibt als die Summenformel.