Chemie: Basiswissen Sekundarstufe 1 und 2

Von Serges Medien

Was ist ‚Chemie‘? Eine einfache Frage, auf die eine Antwort – zugegebenermaßen – nicht immer ganz leicht fällt. Nach und Chemie heranführen und so auf die Frage antworten. Die Chemie nach sollen die folgenden Kapitel an die vielfältigen Themen der prägt unseren Alltag weit stärker, als uns bewusst ist. Deswegen Vorteil. Auf Anhieb denkt fast jeder an Chemiker, die mit ihren ist ein Einblick in und Überblick über dieses Fach sicherlich von Mitarbeitern in Laboratorien und Fabrikanlagen forschen und produzieren

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: SERGES MEDIEN Print & Digital
• Erscheinungsdatum: 1. Dez. 2022
• ISBN: 9783945120521

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Inhaltsverzeichnis

Einführung in die Chemie

Die Chemie – die große Unbekannte

Der weite Weg zur Wissenschaft Chemie

Eigene Charaktere – Stoffe und ihre Eigenschaften

Nicht nur sauber, sondern rein: Stoffmischungen – Reinstoffe – Trennverfahren

Grundlagen der Chemie

Modelle und Aggregatzustände

Hurtig und geschwind – die Teilchenbewegung

Auch die Atome sind nicht mehr die alten

Das Ende der alten Physik – das Zwiebelschalenmodell

Wolkige Kugeln – das Kugelwolkenmodell der Atome

Das Periodensystem der Elemente

Die Chemie und ihre Liebe zur Ordnung – das Periodensystem der Elemente

Nichts ist praktischer als eine gute Theorie – die physikalischen Grundlagen des Periodensystems

Die spät entdeckten „Adligen" – die Edelgase

Chemische Reaktionen I

Wenn die Chemie stimmt – chemische Reaktionen

Das ‚Buchstabenmodell‘ chemischer Reaktionen und eine kleine Anleihe bei der Mathematik

Wasserstoff und Sauerstoff

Sauerstoff – ein chemisches Element als Grundlage des Lebens auf unserer Erde

Kein Wasser ohne diesen Stoff – der Wasserstoff und die Moleküle

Das Verhalten von Gasen

Das späte Glück der Chemiker – die physikalischen Ähnlichkeiten unter den Gasen

Chemische Reaktionen II

Gasig leichtes Rechnen – chemische Reaktionen mit Beteiligung von Gasen

Man rechnet fest mit ihnen – Feststoffe und ihre Reaktionen

Stets energisch – chemische Reaktionen und die Energie

Metalle

Metalle – das Grundgerüst der Technik

Auch die Metalle sind Individualisten

Die Tausendsassas der Technik – die Verwendungszwecke der wichtigsten Gebrauchsmetalle

Die Erze haben‘s in sich: Von der Gewinnung der Metalle

Übergänge zwischen Metallen – die Übergangsmetalle

Halbmetalle

Nur noch halbe Metalle = Halbmetalle

Nichtmetalle

Auch schlecht kann gut sein – die Nichtmetalle und ihre elektrische Leitfähigkeit

Kohlenstoff – ein chemisches Element mit unterschiedlichen Gesichtern

Schwefel und Phosphor – vielseitige Nichtmetalle

Halogene – natürlich nicht elementar

Wasser

Die wichtigste Substanz der Welt: Gewöhnliches Wasser

Gase und Luft

Brausetabletten, Regentropfen, Ammoniak und das Prinzip vom kleinsten Zwang

Emissionen und Immissionen von Nichtmetalloxiden

Wer wird denn gleich in die Luft gehen – die Chemie tut es

Radikales Rendezvous über den Wolken: UV trifft auf FCKWs – Ozon verhindert Schlimmeres

Das größte natürliche Treibhaus – die Erde unter einer riesigen Kuppel

Salze und Ionen

Der lange Marsch – von den polaren Atombindungen zu den Salzen und Ionen

Ein Gitter für die Salze – Ionengitter und ihre Besonderheiten

Die Chemie der versalzenen Suppe

Absolut unverzichtbar – Ionen und Salze als Nährstoffe

Alkali- und Erdalkalimetalle

Die Alkalimetalle: Eine hochreaktive Elementfamilie

Die Erdalkalimetalle: Für farbiges Feuerwerk und Mumm in den Knochen

Säuren und Basen

Wenn Rotkohl sauer wird …

Die Vorstellung des pH-Wertes

Säuren und Basen – die Geschichte holt uns immer wieder ein

Die Geschichte geht weiter – Anwendungen der Säure-Base-Theorie

Batterien und Akkumulatoren

Energie hin und her – elektrisch und chemisch

Organische Chemie I

Organische Chemie – Stoffe der belebten Natur?

Fossile Energieträger und erneuerbare Energien

Die Alkane – das kleine Einmaleins der gesättigten Kohlenwasserstoffe

Fast gleich ist nicht identisch – das Phänomen der Isomerie

Petrochemie

Schwarzes Gold – der wertvolle Rohstoff Erdöl

Crack – das Knacken von langkettigen Alkanen für Treibstoffe

Kunststoffe

Von der Kunst, Stoffe in langen Ketten herzustellen

Naturstoffe und Ernährung

In Shampoo, Seife und Kaugummis – Alkohole

Ameisensäure, Essigsäure, Zitronensäure … – Carbonsäuren auf Schritt und Tritt

Gesundheit, Gerüche und Glanz durch Ester und Wachse

Fett mag Fett und macht fett

Nicht nur Schaumschläger – Seifen und Waschmittel

Kohlenhydrate – vielseitige Naturstoffe

Amine – von A wie Amphetamin bis V wie Vitamin

Aminosäuren und Proteine – fast unendliche Vielfalt durch komplexe Strukturen

Energie, Nährstoffe und die i-Tüpfelchen der Nahrung

Von Triebtätern und Feinschmeckern – Exkurs: Chemie für Gourmets

Kosmetik

Schöner Schein? Chemie schafft‘s

Das Periodensystem

Das Periodensystem der Elemente

Die Chemie – die große Unbekannte

Was ist ‚Chemie‘? Eine einfache Frage, auf die eine Antwort – zugegebenermaßen – nicht immer ganz leicht fällt. Nach und nach sollen die folgenden Kapitel an die vielfältigen Themen der Chemie heranführen und so auf die Frage antworten. Die Chemie prägt unseren Alltag weit stärker, als uns bewusst ist. Deswegen ist ein Einblick in und Überblick über dieses Fach sicherlich von Vorteil. Auf Anhieb denkt fast jeder an Chemiker, die mit ihren Mitarbeitern in Laboratorien und Fabrikanlagen forschen und produzieren (Abb. 1, 2).

Abb. 1: Chemielaborant bei der Arbeit

Abb. 2: Eine chemische Großanlage

Die Chemie beschränkt sich jedoch nicht auf die Industrie. Denn das Leben selbst hat chemische Grundlagen: Bei der Fülle von Substanzen im Körper und der Vielfalt der hier ablaufenden chemischen Prozesse kann man alle Lebewesen als „Chemiefabriken" bezeichnen, gleich ob Bakterien, Pflanzen oder Tiere (Abb. 3,4). Kein Leben also ohne Chemie. Dieselbe natürliche Chemie kann Leben auch gefährden: Es existiert eine Vielzahl biologischer Gifte. Viele Drogen wie Opium, Kokain, Haschisch und Nikotin sind pflanzliche Wirkstoffe. Das Rauschmittel Alkohol entsteht durch die Wirkung bestimmter Hefen aus natürlichem Zucker. Die Grenzen zwischen ‚Naturchemie‘ und ‚Laborindustrie‘ verschwimmen. Die harten Drogen Heroin und LSD lassen sich recht einfach durch leichte Abwandlung von Naturstoffen im Labor herstellen – von jedem, der sich mit ‚der Chemie‘ auskennt und seinen Profit auf Kosten der Gesundheit anderer macht. Heroin ist teurer als Gold. ‚Ecstasy‘ wird gewinnbringend in Hinterhoflabors hergestellt. Ähnlich undurchschaubar erscheint vielen Betrachtern die chemische Industrie im Allgemeinen.

Abb. 3: Frucht wie Blüte sind Vertreter der Naturchemie

Abb. 4: Ein Regenwurm als „Chemiearbeiter"

Was aber wäre ohne chemische Industrie im weitesten Sinne? Einige Gebrauchsmetalle stünden gar nicht, andere nur unzureichend zur Verfügung. Ohne elektrischen Strom müsste man auf manche lieb gewonnene Annehmlichkeit verzichten – z.B. Fernseher, CD-Player, Waschmaschine. Der Verzicht auf Kunststoffe würde die Lebensqualität weiter senken. Ohne gebrannten Kalk, Zement und ähnliche Produkte wäre man auf das Bauen mit Natursteinen, Lehm und Holz angewiesen. Wie bei Glas und Keramik herrschten hier arge Engpässe. Die wenigen natürlichen Farbstoffe wären wie in der Antike den Betuchten vorbehalten. Die Ärmeren trügen schlichtes Grau. Die Ernten fielen durch den Mangel von Kunstdünger und Schädlingsbekämpfungsmitteln viel niedriger aus – die Umwelt jedoch würde geschont. Ohne den Einsatz von besonderen Chemikalien, den Medikamenten, läge auch in den Industrieländern die Sterblichkeit hoch. Man sieht: Die moderne Chemie hat für die Menschheit Großes geleistet.

Ohne Frage ist einiges von dem, was die Industrie herstellt, nicht ohne Risiken für die Menschen und die Natur allgemein. Umweltverschmutzung ist in den letzten 20 Jahren zu einem festen Begriff geworden. Stichworte wie ‚Dioxine‘, DDT und viele weitere Stoffe mit unaussprechlichen Namen sind mittlerweile allgemein verbreitet. Das Unglück im indischen Bhopal 1984 zeigte mit seinen Tausenden von Toten, wie weit Schlamperei im Umgang mit Chemikalien führen kann.

Die „Chemie"-Kritiker, z. B. von Greenpeace, sind selbst Leute vom Fach. Daher mussten die Vertreter der Industrie ihre Warnungen ernst nehmen. Sicherheits- und Vorsichtsmaßnahmen wurden ergriffen und Produktionsabläufe immer sicherer. In den schlimmsten Fällen schloss man ganze Betriebe. Die Schadstoffbelastung von Boden, Wasser und Luft nimmt seit Jahren in den Industrieländern ab. Der Einsatz besserer Filter hält giftige Stoffe zurück. Kraftwerke stoßen weniger Schadgase aus: Unter hohen Kosten hat man sie mit ‚Reinigungsfabriken‘ ausgestattet. Über den Strompreis finanziert sie jeder Stromverbraucher mit. Auch der Dreiwege-Katalysator der Benzinmotoren, der ‚Kat‘, hat seinen Preis – und arbeitet chemisch.

Alle diese Beispiele sollen eines zeigen: Entscheidend ist, wie man ‚Chemie‘ auffasst und wie bzw. wo man sie einsetzt.

Die vorwissenschaftliche Chemie

Am Anfang der Menschwerdung stand das Feuer. Der Urmensch tat den entscheidenden Schritt weg vom Tier, als er seine Scheu vor Wald- und Steppenbränden verlor (Abb. 5). Er lernte, es zu bewahren, zu nutzen und zu erzeugen. Feuer hielt Raubtiere fern und erhellte die Nächte. Gegrilltes Fleisch war besser zu kauen und zu verdauen; die Hitze tötete Bakterien ab. Bestimmte Bohnensorten wurden erst erhitzt genießbar. Das Feuer sicherte das Überleben bis nach Feuerland, Sibirien und Alaska. Seine Vernichtungskraft indessen bleibt bis heute bedrohlich. Ob in Kriegen oder im tiefsten Frieden – Feuersbrünste legten ganze Städte mit verheerenden Resultaten in Schutt und Asche.

Feuer konnte noch viel mehr leisten, z. B. beim Brennen von Lehm zu Keramiken als Behälter für Lebensmittel; bekannt sind griechische Weinamphoren. Später gesellte sich wieder mit Hilfe des Feuers das Aufbringen von Glasuren sowie die Fertigung von Glaswaren hinzu. Beim Gebäudebau half hoch erhitzter Kalkstein, ‚Branntkalk‘, als Kalkmörtel. Der Name ‚Seifensieder‘ für einen angesehenen Beruf weist auf die Bedeutung des Feuers hin. Lange Zeit verwendete man nur verbrannte Pflanzen, d.h. die darin enthaltene Pottasche, um Seife herzustellen.

Abb. 5: Das Lagerfeuer wärmt und schützt vor Raubtieren

Die feurige Hilfe – neue Techniken und neue Materialien

Über eine Million Jahre verwendete der Mensch nur ein dauerhaftes Material – den Feuerstein und seine Verwandten. Die Steinzeit ist sprichwörtlich geworden. Abgelöst wurde sie durch eine rasche Folge von Metallzeiten: Kupferzeit, Bronzezeit und Eisenzeit. Ohne Feuer hätte es die neuen Materialien nicht gegeben! Und ohne die neuen Materialien keine neuen Techniken.

Kupfer war am einfachsten chemisch aus seinen Erzen zu gewinnen; es diente zur Herstellung von Schmuck, Gefäßen und – eingeschränkt – Waffen. Diese Zeit wird meist nicht genannt; denn reines Kupfer konnte der härteren Bronze (Kupfer-Zinn-Legierungen)‘ waffentechnisch nicht standhalten: Ihre Besitzer waren den Nachbarvölkern militärisch überlegen. Das häufige Eisen bzw. der kohlenstoffhaltige härtere Stahl lösten vor etwa 3500 Jahren vom östlichen Mittelmeerraum aus allmählich die Bronze ab. Ihre ‚kriegerische‘ Rolle haben die Metalle behalten – ihre friedliche Nutzung verbreitete sich und überwiegt heute bei weitem. Ob aus ihnen ein Panzer oder ein Lkw entsteht, beschließt allein der Mensch. Als weitere Metalle kannte man schon in der Antike Blei, Zinn, Quecksilber, Gold und Silber.

Chemie und Information

Der Beginn aller Hochkulturen, die ‚geschichtliche Zeit‘, zeichnet sich durch die Erfindung der Schrift aus. Damit ließen sich Mitteilungen genauer und dauerhafter weitergehen als bloß mündlich. Chemische Stoffe bestimmten die Form der Zeichen, nämlich durch das Schreibmaterial: Die Dreiecke und Striche der sumerischen Keilschrift sind leicht in feuchten Ton zu ritzen. Die fertig gebrannten Tafeln blieben teils bis heute erhalten. Ähnlich kantig fielen anfangs die in Marmor gemeißelten griechischen und römischen Großbuchstaben wie A, H, Z, T, K, M aus. Runde Buchstaben setzten sich erst mit anderen Materialien durch, auf Pergament und Papyrus, dem Vorläufer des heutigen Papiers. Verschiedenste chemische Behandlungen verhalfen Letzterem zu einer Vielseitigkeit, die man nicht ahnen konnte. Dank der Chemie sind neue Materialien als Informationsträger hinzugekommen: Silbersalze bei Fotos und Filmen, Magnetbänder und -platten sowie die CD zum Speichern von Musik, Filmen und Computerdaten. Der endgültige Durchbruch zum derzeitigen Informationszeitalter vollzog sich wieder mit viel Chemie. Aus Quarzsand – Siliciumdioxid – stellt man den Halbleiter Silicium in höchster Reinheit her. Kein Groß- oder Personalcomputer, kein ABS, keine Raumfahrt und kein CD-Spieler wären ohne diesen Stoff möglich geworden (Abb. 6).

Abb. 6: Ohne Silicium kein Computer

Zum Weiterlesen:

→ Der weite Weg zur Wissenschaft Chemie

→ Eigene Charaktere – Stoffe und ihre Eigenschaften

→ Nicht nur sauber, sondern rein – Reinstoffe – Trennverfahren

Der weite Weg zur Wissenschaft Chemie

Als Wissenschaft gilt die Chemie seit etwa 1700. Nach dem großen deutschen Philosophen Kant (1724-1804) braucht jede Wissenschaft eine theoretische Basis. Das ist besonders in den Naturwissenschaften sehr praktisch, denn ihre Theorien lassen sich experimentell überprüfen. Ausgerechnet die erste rein chemische Theorie erwies sich als falsch; wir müssen nicht näher auf sie eingehen. Aber sie war nützlich, denn sie machte Voraussagen, an denen sich viele Experimente orientierten, deren Ausgang schließlich diese Theorie widerlegte. Aber schon davor wurde Chemie betrieben, auch wenn man sie noch nicht so nannte. Man denke nur an die Alchemisten und ihre Suche nach dem „Stein der Weisen" (Abb. 1).

Abb. 1: Experimentierraum eines Alchemisten

Vom Nutzen der Wissenschaftsgeschichte

Ein umfassender Rückblick auf die Geschichte der Naturwissenschaften hat einige nützliche Aspekte. Erstens: Das Ausüben dieser Wissenschaften ist nur möglich, wenn das Nachdenken über ‚die Natur der Natur‘ nicht nur im Vokabular des betreffenden Faches stattfindet. Die frühen europäischen Naturforscher, Aristoteles (384–322 V. Chr.) an ihrer Spitze, waren stets herausragende Philosophen. Deswegen ist die Wissenschaftsgeschichte auch eine Geschichte der Denkweisen und -methoden. Zweitens: Manche anerkannten Lehrsätze der ‚Alten‘ sind heute nicht mehr haltbar – Irren ist menschliche Natur. Drittens: Der Weg der Wissenschaft von ihren Anfängen an erfolgte durchaus nicht so geradlinig und folgerichtig, wie manche Lehrbücher das glauben machen. Mancher Irrweg und Umweg wurde beschritten, bis man die zugrunde liegenden Fehler erkannte. Kolumbus hatte eben nicht Indien entdeckt; aber im Namen ‚Westindische Inseln‘ in der Karibik ist sein Irrtum heute noch abzulesen. Und umgekehrt: Etliche Hypothesen wurden zur Zeit ihres Entstehens verächtlich gemacht, setzten sich aufgrund weiterer Forschungsergebnisse dann aber klar durch. In der Chemie ist dies die Atomlehre. Bereits in der Antike hatten Leukipp (etwa 500-450 v. Chr.) und Demokrit (etwa 460-380 v. Chr.) über Atome philosophiert, aber in der Antike mit ihrer Spekulation wenig Anklang gefunden. Viertens: Wissenschaftliche Begriffe fallen nicht vom Himmel, sondern sind Schöpfungen des Menschen ihrer Zeit. Vor allem am Anfang sind sie darum nicht immer leicht zu begreifen und manchmal widersprüchlich. Hier gilt: Die Schwierigkeiten der heutigen Anfänger ähneln häufig denen der frühen Wissenschaftler. Fünftens: Viele naturwissenschaftliche Entdeckungen und Erfindungen hatten und haben gesellschaftliche und politische Auswirkungen.

Die Elemente von Aristoteles bis Lavoisier…

Wir sprechen in vielen Alltagssituationen immer noch von den ‚wütenden‘ Elementen im Sinne von Aristoteles: Feuer, Wasser, Luft, Erde. (Genau genommen hatte er mit dem ,Äther‘ ein fünftes eingeführt.) Sein Verdienst war, dass er die chemischen Verbindungen und Reaktionen für seine Zeit sehr scharfsinnig analysierte. Das Manko bestand darin, dass seine Elementenlehre mit den Grundeigenschaften warm – kalt, trocken – feucht den Blick zu sehr auf die qualitative Veränderung – z. B. des Eisens beim Rosten – richtete und dabei den mengenmäßigen, den quantitativen Zusammenhang vernachlässigte.

Abb. 2: Jede Naturwissenschaft interessiert hier etwas anderes

Auf der Basis seiner Lehre entwickelte sich, in der Kombination mit fernöstlichen Ansichten, bald der Glaube, weniger geschätzte Stoffe in den ‚König der Metalle‘, das Gold, umwandeln zu können. In China schätzte man eher seine medizinische Wirkung. Im Westen brachte die verbissene Suche nach der Goldherstellung die Chemie in Verruf: Seit Beginn der Neuzeit war ziemlich klar, dass es den ‚Stein der Weisen‘ nicht gibt und somit jeder ‚Goldmacher‘ als Betrüger auftrat.

Dass es überhaupt dazu kommen konnte, lag auch daran, dass zum Ende des ersten Jahrtausends die Araber eine führende Rolle in Naturwissenschaften und Medizin innehatten. Und dass sie wissbegierig und weltoffen die Schriften des Aristoteles studierten und weiterentwickelten. Und dass sie die damals wenig kenntnisreichen Europäer an ihren Lehren teilhaben ließen. Eine davon war ein neues Verständnis der chemischen Reaktionen und der Metalle. Letztere sollten aus den so genannten (Prinzipien‘ Quecksilber – für flüssig – und Schwefel – für brennbar – bestehen. Die Reaktionen bestünden darin, dass sich die Mengenanteile der beiden Prinzipien veränderten. Paracelsus führte noch ein drittes Prinzip, das Salz, ein. Er war ein glühender Verfechter des medizinischen Einsatzes von ‚Chemikalien‘ wie manchen Erzen gegen Krankheiten. Man nennt ihn daher den ersten Iatrochemiker (griechisch ‚iatrós‘ = ‚Arzt‘). Allzu lange hielt sich die Prinzipienlehre jedoch nicht.

In der Renaissance wurden die Menschen kritischer gegenüber den Lehren von Autoritäten wie Aristoteles, jedenfalls im nichtkirchlichen Bereich. Was überprüfbar erschien, hatte sich dem Urteil des Experimentators und dessen Vernunft zu stellen. Spätestens mit Galilei begann sich um 1600 das physikalische Experiment durchzusetzen. In der Chemie, damals noch als Alchemie bezeichnet, hatte man schon Jahrhunderte vorher immer sorgfältigere Versuche durchgeführt. Was fehlte, war eine angemessene Theorie.

Sie entwickelte sich mit der Wiederaufnahme einer ‚echten‘ Elementen- und Atomlehre im 17. Jahrhundert, wenn anfangs auch ziemlich zaghaft. Immerhin musste man gegen eine rund 2000 Jahre alte Tradition ankämpfen. Aber die berühmten Experimente des O. von Guericke zu Vakuum und Luftdruck hatten die Theorien des Aristoteles schwer erschüttert: Dieser hatte die Atomlehre abgelehnt, weil er die Existenz des Vakuums vehement bestritt. Er konnte sich nicht vorstellen, dass es etwas geben könne, was er sich nicht vorstellen konnte. Und die grenzenlose Leere zwischen den Atomen war eine denknotwendige Folgerung von Demokrits Atomvorstellungen.

Im Laufe des 18. Jahrhunderts hatte sich die experimentelle chemische Technik immer weiter verfeinert. Insbesondere hatte man erkannt, dass es verschiedene Gase gab und dass sie bei manchen chemischen Reaktionen wesentlich mitbeteiligt waren. Auch auf der Basis dieser neuen Erkenntnisse stellte Lavoisier gegen Ende des Jahrhunderts den modernen Begriff des chemischen Elements auf. Dies sei ein Stoff, der sich chemisch nicht mehr zerlegen lasse. Dabei räumte dieser führende Chemiker seiner Zeit ein. dass man sich bei einzelnen Stoffen durchaus irren könne, ob sie Element oder chemische Verbindung seien. Das sei auch eine Frage der experimentellen Möglichkeiten. Er hatte Recht: Chlor hielt man aufgrund einer falschen Theorie über die Säuren für eine Verbindung, gebrannten Kalk (Calciumoxid) aber für ein Element. Lavoisier starb 1794 unter der Guillotine. Als Steuerpächter des Königs hatte er sich politisch missliebig gemacht. Und wohl einen Teil seiner aufwendigen Experimente mit dem Einkommen aus dieser Tätigkeit finanziert.

Abb. 3: Jede Naturwissenschaft betrachtet das gleiche Ei anders

… und die Atome bis Dalton

Etwa zehn Jahre später kam der Brite J. Dalton aufgrund der zahlreichen experimentellen Befunde seiner Vorgänger und Zeitgenossen, aber durchaus auch durch eigene physikalische Versuche auf den Atombegriff von Demokrit zurück. Mit dem ‚Atom‘ ließen sich eine ganze Reihe chemischer wie physikalischer Versuchsergebnisse zwanglos deuten. Als Dalton sogar noch ein weiteres chemisches Gesetz vorhersagte, war dem Atomismus der neuzeitliche Durchbruch gelungen – bei den Chemikern immerhin. Viele Physiker hielten sich beim neuen Glauben an die Atome aber sehr zurück.

Die Chemie und einige Nachbarfächer

Wie der Name sagt, beschäftigen sich Naturwissenschaften mit den vielfältigen Erscheinungen der Natur. Stark vereinfacht gesagt, beschäftigt sich die Physik mit den messbaren Aspekten von Materie und Energie, die Biologie mit dem lebendigen Organismus, die Chemie mit den Stoffen und deren Vielfalt, aus denen die unbelebte wie die belebte Natur besteht. An Abbildung 2 würde einen Physiker wohl am ehesten die Fahrt des Surfbrettes interessieren, wie aus der Windbewegung die Bewegung des Brettes auf dem Wasser entsteht. Ein Biologe konzentriert sich vermutlich auf den Surfer als lebendiges Wesen. Ein Chemiker könnte nach den verwendeten Kunststoffen des Surfbrettes fragen, ihrer Zusammensetzung und Herstellung.

Abb. 4: Das Haus der Naturwissenschaften

Doch auch der gleiche Vorgang, das gleiche Objekt kann alle drei interessieren, wie das Ei in Abbildung 3. Vielleicht würden sie sich auf unterschiedliche Aspekte konzentrieren, der Physiker etwa auf das Gewicht, die Stabilität der Schale, das Schlingern eines rohen Eies, wenn man es dreht; der Biologe darauf, von welchem Tier das Ei stammt, wie aus ihm ein neues Lebewesen entstehen kann und dass es anderen Lebewesen als Nahrung dient; der Chemiker auf die Inhaltsstoffe des Eies wie Lecithine, Proteine. Tenside, und dass das Eiweiß anders aufgebaut ist als der Dotter und beides wiederum ganz anders als die Schale.

Vielfach sind diese drei Naturwissenschaften aber gar nicht so getrennt voneinander. Um beim Beispiel mit dem Ei zu bleiben: Die Frage mit dem Ei als biologische Nahrung ist verknüpft mit den chemischen Vorgängen im Körper. Eine physikalische Betrachtung der Schale wird unterstützt vom Wissen um deren chemische Zusammensetzung.

In der Schule gesellt sich Chemie gleichberechtigt zu Physik und Biologie. Wie Abbildung 4 zeigt, bildet die Physik das Fundament aller Naturwissenschaften. Auf sie stützen sich etagenartig Chemie und Biologie. Von der Chemie her leiten sich physikalische Chemie und Biochemie als Überlappungen zu den Nachbarwissenschaften ab.

Daneben wären ohne Chemie die moderne Medizin, die Pharmazie und die Ernährungswissenschaften undenkbar. Die Landwirtschaftswissenschaft stützt sich zu einem guten Teil auf chemische Erkenntnisse, selbst dann, wenn sie zu ,ökologischem Landbau‘ rät. Die Geologie, die Wissenschaft von der Erde, könnte ohne Chemie keine vernünftige Ordnung in ihre Welt der Gesteine, Erze und weiterer Bodenschätze bringen.

Zum Weiterlesen:

→ Die Chemie – die große Unbekannte

→ Eigene Charaktere – Stoffe und ihre Eigenschaften

→ Nicht nur sauber, sondern rein – Reinstoffe – Trennverfahren

Eigene Charaktere – Stoffe und ihre Eigenschaften

Die biologisch wichtigsten chemischen Grundstoffe sind wohl jedermann vom Namen her bekannt: Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Sie dokumentieren am besten, wie wichtig der Begriff ‚Stoff in der Chemie ist. Wie weit er in den Alltag hineinreicht, zeigt die folgende, sehr verkürzte Auflistung gebräuchlicher Bezeichnungen: Arzneistoffe, Brennstoffe, Eiweißstoffe, Farbstoffe, Geschmacksstoffe, Impfstoffe, Kunststoffe, Mineralstoffe, Nährstoffe, Rohstoffe, Sprengstoffe, Treibstoffe, Wertstoffe. Der für alle Lebewesen weitaus wichtigste Begriff enthält ebenso das Wort ‚Stoff: Stoffwechsel, also die Gesamtheit aller chemischen Reaktionen in einem biologischen Organismus wie dem menschlichen Körper.

Hingewiesen sei darauf, dass die obige Liste der Stoffe zu ergänzen ist. Denn eine ganze Reihe von Stoffen wird im Alltagsgebrauch als ‚Mittel‘ bezeichnet: Arzneimittel, Betäubungsmittel, Düngemittel, Frostschutzmittel, Insektenvertilgungsmittel, Kühlmittel, Lebensmittel, Nahrungsmittel, Pflanzenschutzmittel, Reinigungsmittel, Schmerzmittel, Waschmittel.

Auch im Haushalt werden sehr viele verschiedene Stoffe verwendet (Abb. 1). Je nach ihren ganz speziellen Eigenschaften benutzt man sie für alle möglichen Zwecke.

Abb. 1: Einige Stoffe aus dem Haushalt

An ihren Eigenschaften erkennt man sie …

Jeder Mensch besitzt Eigenschaften, die er mit anderen teilt, und solche, die ihn von anderen unterscheiden: Augen-, Haar- und Hautfarbe, Größe und Gewicht, Form von Augen, Ohren und Kopf, Blutgruppe und weitere. In ihrer Summe charakterisieren sie eindeutig eine bestimmte Person unter knapp sechs Milliarden Menschen.

Abb. 2: Stoffe können sich durch ihre Farbe unterscheiden

Auch die Chemie charakterisiert – nämlich Stoffe. Weit über 13 Millionen sind mittlerweile bekannt. Um diese voneinander zu unterscheiden, untersucht man ihre Eigenschaften. Hier ist es wie bei den Eigenschaften eines Menschen: Auch die Stoffe besitzen solche, die sie mit anderen gemeinsam haben, und solche, die sie von anderen unterscheiden. Vergleichbar mit den Einträgen in einem Ausweis fasst man die Stoffmerkmale in Tabellenwerken zusammen. Dort kann man nachschlagen, wenn man eine bestimmte Substanz identifizieren will. Manche dieser Eigenschaften sind sehr einfach, schon auf den ersten Blick zu erkennen, andere erkennt man erst durch genauere Untersuchung, teilweise nicht ohne Hilfsmittel. Oft fasst man viele Stoffe, die eine oder mehrere Stoffeigenschaften gemeinsam oder vergleichbar haben, in einer Stoffklasse zusammen. Da jeder Stoff aber viele Eigenschaften hat, kann der gleiche Stoff durchaus zu mehreren Stoffklassen gehören, je nachdem, welche seiner Eigenschaften gerade von Interesse ist.

… nach ihren Eigenschaften verwendet man sie

Wer eine Tür weiß streichen will, wird Titan- oder Zinkweiß benutzen, kein Chromgrün oder Cobaltblau. Die Farbe ist ein erstes Merkmal der Stoffe (Abb. 2). Kompakte und polierte Metallgegenstände besitzen einen typischen Glanz: Es ist eine blanke Silberschicht auf der Rückseite von Spiegeln, die uns zurücklächelt. Diese Silberschicht wird chemisch auf dem Glas aufgebracht (Abb. 3). Wenn wir jemanden ‚nicht riechen können‘, ist es, wenn man es wörtlich nimmt, sein Geruch, den wir nicht ausstehen können. Oder den von Gülle und Jauche. Umgekehrt macht uns ein Parfüm oder Gesichtswasser eventuell sympathisch.

Abb. 3: Ein im Labor hergestellter Silberspiegel

Abb. 4: Steinsalz/Kochsalz hat immer die gleich Kristallform

Viele Stoffe besitzen einen charakteristischen Geruch. Oftmals mischt man dabei verschiedene duftende Stoffe, wie beim Parfüm, um einen neuen Geruch zu kreieren. Über Geschmack kann man sich sehr wohl streiten, wenn bei der Zubereitung der Rindfleischsuppe versehentlich Zucker verwendet wurde und beim Vanillepudding das Salz. Wer Kandiszucker für seinen Tee verwendet, kann ihn anhand seiner Kristallform leicht von Kochsalz unterscheiden (Abb. 4). Die Härte eines Bohrers entscheidet darüber, ob wir mit ihm ein Loch in die Wand bohren können. Die Sprödigkeit von Glasflaschen ist einer ihrer Nachteile gegenüber solchen aus Kunststoffen: Sie sind zerbrechlich. Die leichte Verformbarkeit von Metallen und vielen Kunststoffen ist in der Technik wie im Alltag von immenser Bedeutung. Metalle besitzen außerdem elektrische Leitfähigkeit. Es existieren aber auch schon leitfähige Kunststoffe. Die gute Wärmeleitfähigkeit der Metalle ist beim Kochen, Braten und Backen hochwillkommen, dabei nutzt man aber auch, dass Kunststoffe die Wärme schlechter leiten (Abb. 5). Der Magnetismus von Eisen gibt mit der Kompassnadel Seefahrern seit langer Zeit die Richtung vor. Die Dichte als ‚spezifische Masse‘

Dichte = Masse/Volumen

⇔ ρ (rho) = m/V (als Größengleichung)

entscheidet darüber, ob feste Verunreinigungen im Wasser schwimmen wie Holz und Kork oder absinken/untergehen wie Sand und die ‚Titanic‘. Sie ist für den Flug von großen und kleinen Ballons (Abb. 6) sowie von Luftschiffen zuständig. Und dafür, dass der Einsatz von Leichtmetallen Flugzeuge immer größere Nutzlasten befördern lässt. Werkstoffe mit geringer Dichte und gleichzeitig hoher Festigkeit machen das Drei-Liter-Auto schon heute möglich. Denn geringes Gewicht bedeutet weniger Kraftstoffverbrauch.

Abb. 5: Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffgriffen ist bei Kochgeräten nützlich

Abb. 6: Nur Gase mit niedriger Dichte lassen Ballons frei fliegen

Die Mischbarkeit oder Löslichkeit ist für den Fortbestand des Lebens mitentscheidend: Jede Zelle schottet sich durch Membranen von der Umgebung ab und bildet damit ihr eigenes Reich. Jedes Wasserlebewesen ist erst durch wasserunlösliche Stoffe an seiner Körperoberfläche existenzfähig. Aber auch der Mensch profitiert davon. Denn es wäre schlimm, wenn sich unsere Haut bei jedem Regenguss auflösen würde. Oder die Knochen, die Zähne, die Schleimhäute sich in Wasser leicht lösen würden. Und umgekehrt: Ohne die Löslichkeit von Sauerstoff, Kochsalz, Zuckern und vielen anderen Stoffen könnte sich kein Lebewesen ernähren (Abb. 7).

Abb. 7: Die Löslichkeit verschiedener Stoffe in Wasser ist sehr unterschiedlich

Eine der wichtigsten Kenngrößen eines Stoffes ist sein Aggregatzustand bei Raumtemperatur und Normaldruck (1013 Hektopascal). Leben ist nur durch die Gase Sauerstoff und Kohlendioxid denkbar, wenn genügend viel flüssiges Wasser vorhanden ist. Für die mechanische Stabilität der Lebewesen ist die Existenz vom Feststoffen notwendig. Die Cellulose der Pflanzen, das Chitin der Insektenpanzer und die Knochen der Wirbeltiere. Die Lage der Schmelztemperatur und der Siedetemperatur sind daher nicht nur für Chemiker relevante Größen in den Stoffdatenbanken (Abb. 8).

Abb. 8: Schmelz- und Siedetemperatur eines Stoffes gehören zu seinen charakteristischen Eigenschaften

Zum Weiterlesen:

→ Der weite Weg zur Wissenschaft Chemie

→ Nicht nur sauber, sondern rein – Reinstoffe – Trennverfahren

→ Modelle und