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.



AtommodellDas 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 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.

Erweitertes Periodensystem
Gruppe → 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18  
(CAS) I A II A III B IV B V B VI B VII B VIII B VIII B VIII B I B II B III A IV A V A VI A VII A VIII A  
Periode ↓   Schale  
1 H       1   He    2 K
2 Li     3 Be   4   B      5 C      6 N      7 O     8 F      9 Ne    10 L
3 Na    11 Mg    12   Al    13 Si    14 P    15 S    16 Cl    17 Ar    18 M
4 K    19 Ca   20 Sc   21 Ti   22 V   23 Cr   24 Mn   25 Fe   26 Co   27 Ni   28 Cu   29 Zn   30 Ga   31 Ge   32 As   33 Se   34 Br    35 Kr   36 N
5 Rb   37 Sr   38 Y      39 Zr    40 Nb   41 Mo    42 Tc   43 Ru   44 Rh   45 Pd   46 Ag   47 Cd   48 In   49 Sn   50 Sb   51 Te   52 I      53 Xe   54 O
6 Cs   55 Ba   56 La* Hf   72 Ta   73 W   74 Re   75 Os   76 Ir    77 Pt   78 Au   79 Hg   80 Tl   81 Pb   82 Bi   83 Po   84 At   85 Rn   86 P
7 Fr    87 Ra   88 Ac** Rf 104 Db   105 Sg  106 Bh   107 Hs   108 Mt   109 Ds   110 Rg   111   Q
 
  La: Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu    
(*6)     57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71    
(*7)     AC: Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr    
  89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103    
 
Nichtmetalle:   H Formelzeichen: steht für die Bezeichung des Elementes
  sonstige Nichtmetalle   1 Ordnungszahl:  gibt Anzahl der Protonen im Kern an (und indirekt auch die Anzahl der Elektronen)
  Halogene    
  Edelgase  
Metalle:   Periode: Anzahl der Schalen, die mit Elektronen gefüllt werden
  Alkalimetalle   Gruppe: Alle Elemente einer Gruppe besitzen die gleiche Anzahl an Valenzelektronen und haben daher ähnliche chemische Eigenschaften, Es gibt 8 Hauptgruppen(1,2 und 13 bis 18) und 10 Nebengruppen (3 bis 12).
  Erdalkalimetalle   
  Halbmetalle   Schale Benennung der Schalen eines Atoms, die mit Elektronen gefüllt sind ab der 2ten Schale unterteilen sich diese in Unterschalen, die äußerste dieser Unterschalen gibt die Anzahl der Valenzelektronen wieder.
  Übergangsmetalle   
  Metalle     K L M N O P Q
Sonderelemente   max e 2 8 8 18 18 32 32
  Lantanoide   Summe e 2 10 18 36 54 86 118
  Actinoide   Unterschalen 1s 2s2p 3s3p 4s3d4p 5s4d56 6s4f5d6p 7s5f6d7p
                Anzahl e 2 2+6 2+10+6 2+14+10+6
 

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

Analyse - Synthese - Mischung - Verbindung

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

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



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

Somit ist logischerweise jede Oxidation 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.

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.

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

Name

Atomanordnung

Allgemeine Formel

Vertreter der Gruppe

Kohlenwasserstoffe

Alkane

C-C (Einfachbindung)

Cn H2n+2

Methan CH4,
Ethan C2H6

Alkene

C=C (Doppelbindung)

CnH2n

Ethen C2H4 ,
Propen C3H6

Alkine

C=C (Dreifacbindung)

CnH2n-2

Ethin C2H2 ,
Propin

Aromatische Kohlenwasserstoffe

Benzolringe


Benzol, Tuluol, Naphtalin

Sauerstoffhaltige Verbindungen

Alkohole

Hydroxylgruppen(-OH)

Cn-H2n+1OH

Methanol CH3OH
Ethanol CH3CH2OH

Aldehyde

Aldehydgruppe


Methanal

Ketone

Carbonylgruppe


Aceton

Carbonsäuren

Carboxylgruppe


Ethansäure

Ester

Estergruppe


Butansäureesther

Ether



Diethylether

Stickstoffhaltige Verbindung

Amine

-NH2


Harnstoff

Aminosäuren



Aminoethansäure

Nitroverbindungen



Trinitroglycerinsäure

Nitrile



Blausäure

Schwefelhaltige Verbindung

Thiole

-SH


Methanthiol

Sulfonsäuren

-SO3H


Tuluololslfonsäure



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
Zuckermolekuel Zucker oder Glucose = C6H12O6

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

Kunststoffe

Kunststoffe haben heutzutage eine große Bedeutung in der Industrie, in der Medizin und weiten Teilen des privaten Lebens. Kaum etwas hat die Pridukzionsweise und das Aussehen von Gebrauchsgütern so revolutioniert wie die durch die chemische Industrie erzeugten Kunststoffe.

Kunsstoffe lassen sich grundsätzlich in drei Typen unterteilen:

  1. Duroplaste: engmaschig vernetzte Makromoleküle. Sie sind weitgehends stabil in ihrem Temperaturverhalten, d.h. sie ändern ihre mechanischen und chemischen Eigenschaften nur unwesentlich. Sie sind daher nicht formbar und nicht schweißbar

  2. Thermoplaste: fadenförmige nicht verkettete Makromoleküle. Sie haben bei Raumtemparatur durch ihre Verknäuelung eine relativ hohe Stabilität, die durch Erwärmung allerdings abnimmt. Sie lassen sich somit leicht formen und schweißen

  3. Elastomere: weitmaschig vernetzte Makromoleküle. Sie können mechanischen Einwirkungen flexibel widerstehen, d.h. sie dehnen und verformen sich unter mechanischer Belastung, ohne ihre Form nachhaltig zu verändern - Somit sind Sie nicht formbar und nicht schweißbar.

Allen Kunststoffen gemein sind folgende typische Eigenschaften:

Positive Eigenschaften

negative Merkmale



  • geringe Dichte

  • variable mechanische Eigenschaften

  • elektrisch nicht leitend (Isolation)

  • Korrosionsbeständig

  • gut form- und bearbeitbar

  • leicht einzufärben

  • Wärme und Kälteisolierend



  • geringe Wärmebeständigkeit

  • zum Teil leicht brennbar

  • niedrige Schmelzpunkte

  • biologisch nich abbaubar

  • z.T. resistent gegen Lösungsmittel



Verarbeitung von Kunststoffen

Kunststoffe herzustellen ist Sache derChemischen Industrie - Doch Kunststoffe selbst sind ohne praktischen Nutzen, d.h. erst ihre Verarbeitung macht sie zu Gebrauchsgegenständen

Es gibt verschiedene Arbeitsmethoden um die pulverförmigen oder als Granulat angelieferten Rohkunststoffe zu verarbeiten:

Bei thermoplasten Kunststoffen :

  1. Spritzgießen: (Gehäuse und Formteile)

  2. Extrudieren: (Profile, Rohre)

  3. Blasen: (Folien)

  4. Blasformen: (Flaschen, große Hohlgefäße, Behälter)

Duroplaste: meist durch Formpressen

Elastomere: meist durch Gießen