1. Chemie

Der Mensch erkennt die Natur an den bestehenden "Unterschieden" in der Natur. Würde man keine Unterschiede bemerken, so könnte man auch keine Eigenschaften bestimmen.

Ein gutes Bespiel hierfür ist die Luft. Sie ist überall und an allen Stellen der Erde gleich. Man sieht sie nicht, schmeckt sie nicht. Saubere Luft man riecht nicht. Man fühlt sie zwar beim Bewegen, schreibt die Eigenschaft aber der Bewegung zu. Sie fühlt sich mal kalt, mal wrm an, wenn man sie aber die Temperatur der Haut besitz fühlt man sie gar nicht. Die Menschen haben deshalb lange Zeit keine Untersuchungen über Luft und mit Luft angestellt.

Erst durch den Vergleich der Unterschiede findet man "Gemeinsamkeiten". Aus der Zusammenfassung der Gemeinsamkeiten entstehen "Regeln". Wenn sich zu den "Regeln" keine Ausnahmen finden lassen, werden sie "Naturgesetze" genannt. Dieser Teil des Findens von Naturgesetzen beschränkt sich weitgehend auf das zufällige Entdecken von bereits vorhandenen natürlichen Gegebenheiten.

Beipiel hierfür sind die grundlegenden Gesetze der Lichtausbreitung.
1. Licht breitet sich nach allen Seiten hin aus.
2. Licht breitet sich geradlinig aus.
3. der Lichtweg ist umkehrbar.

Will man über das Finden von zufällig Verschiedenem hinaus etwas in der Natur entdecken, so muss man Fragen an die Natur in Form von Experimenten (Versuchsanordnungen) stellen.

Die Fragen an die Natur beziehen sich auf drei große Bereiche:

• Die die Gesetze über die Wechselwirkung von Teilchen (Physik),
• die Wechselwirkung von unbelebten Stoffen (Chemie) und
• die Wechselwirkung von belebten Stoffen (Biologie).

Bei einem Experiment werden Teile der Natur im Labor künstlich nachgebildet. Dann wirkt man auf die Versuchsanordnung von außen ein. Als Folge davon verändert sich der Zusatnd in der ursprüngliche Versuchsanordnung etwas. Anschließend vergleicht man die Veränderung mit dem, was man auf Grund von schon gefundenen Regeln erwartet hat. Stimmt das Ergebnis mit den Erwartungen überein, so gilt das als Bestätigung und Erweiterung der "Regel" in Richtung "Naturgesetz". Stimmen die Erwartungen nicht mit dem Ergebnis überein, kann das daran liegen, dass

• im Experiment die Natur nicht richtig nachgebildet ist,
• die angenommenen Regeln ungenau oder gar falsch sind.

Die Erweiterung der Erkenntnis durch logisches, das heißt folgerichtiges, Denken und Experimente sind Basis der "Forschung".

Das Fach Chemie gehört zu den Naturwissenschaften (wikipedia)und befasst sich speziell mit den Eigenschaften und Veränderungen von Stoffen und den Einfluss von Energie (wikipedia) auf Stoffe.

Die Arbeitsweise ist entspricht der naturwissenschaftlichen Denkweise, wie sie im Wesentlichen durch die philosophische Denkrichtung des Positivismus (wikipedia) beschrieben werden kann. Mit den Einschränkungen der so gewonnenen Naturerkenntnis befasst sich der Konstruktivismus (wikipedia).

Eine wichtige Hypothese in den Naturwissenschaften ist, dass sich in der Natur alles in ein Gleichgewicht strebt.

Ein Gleichgewicht erkennt man daran, dass sich in dem betrachten Zeitraum nichts ändert.

2. Systeme und Energie

Um Gesetzmäßigkeiten herauszufinden, teilt man von der Natur einen Teil ab und nennt diesen Teil System. Den Rest der Natur nennt man Umgebung. Zwischen System und Umgebung liegt eine gedachte Systemgrenze.

Man unterscheidet verschiedene Systeme je nachdem, was das System mit der Umgebung austauschen kann. Dazu muss die Systemgrenze durchlässig sein für:

1. Stoffe und/oder
2. Energie

Ist die Systemgrenze für Massen und Energie durchlässig, so handelt es sich um ein offenes System.

Ist die Systemgrenze nur für Energie durchlässig, so handelt es sich um ein geschlossenes System.

Ist die Systemgrenze weder für Energie noch für Massen durchlässig, so spricht man von einem isolierten System.

Eine Systemgrenze, die nur Massen, aber keine Energie durchlässt ist unvorstellbar, da Massen (Stoffe) immer eine innere Energie mit sich führen.

Um bestehende Gleichgewichte in einem System zu verändern, ist die Zufuhr von Energie notwendig. Die bisherigen naturwissenschaftlichen Erkenntnisse besagen, dass die Zufuhr von Energie oder eines Stoffes zum System eine Veränderung bewirkt (Energieerhaltungssatz). Im Falle einer stofflichen Umwandlung wird die Energie in den neu gebildeten Stoffen gespeichert. Beendet man die Stoff- oder Energiezufuhr zum System und überlässt das System sich selbst, so bildet sich das ursprüngliche Gleichgewicht wieder zurück. Dabei wird die zugeführte Energie wieder frei.

Für die Chemie typisch ist das Verändern des Gleichgewichts durch Hinzufügen oder Entfernen von Stoffen und die Untersuchung der daraufhin neugebildeten Stoffe.

3. Gleichgewicht und Erhaltungssätze

Die erste Erkenntnis, die als Erhaltungssatz verstanden werden kann, wurde von Isaac Newton aufgestellt. Es handelt sich dabei um die Newtonschen Axiome der Bewegung. Newton untersuchte Bewegungen und die sie verursachende Kräfte (1638). Newton

Der erste Erhaltungssatz ist der Satz von der Erhaltung der Masse bei chemischen Reaktionen. Er wurde ausgesprochen Antoine Lavoisier, 1789. Er besagt, dass bei einer chemischen Reaktion die Summe der Massen der Ausgangsstoffe (Edukte) vor der Reaktion gleich ist der Summe der Massen der gebildeten Stoffe (Produkte).

Der zweite Erhaltungssatz ist der Energieerhaltungssatz ist der Energie-Erhaltungssatz (um 1850).

Mit dem Verständnis des Aufbaus der Materie aus Atomen sind die Erhaltungssätze inzwischen zu sechs grundlegenden Erhaltungssätzen der Physik zusammengefasst. Diese sind

1. der Energieerhaltungssatz,
2. der Impulserhaltungssatz,
3. der Drehimpulserhaltungssatz
   
4. der Erhaltungssatz der elektrischen Ladung
5. der Baryonen-Erhaltungssatz (hierzu zählen die Neutronen und Protonen)
6. der Leptonen-Erhaltungssatz (hierzu zählen u.a. die Elektronen, Myonen und Neutrinos)

4. Gleichgewichtsbetrachtungen in der Chemie

Für die Betrachtungen in der Chemie sind die Erhaltungssätze der Energie und der elektrischen Ladung von besonderer Bedeutung. Sie regeln, welche chemischen Reaktionen möglich sind. Für den engeren Bereich der chemischen Reaktionen gelten vereinfachte:

• die Masse der beteiligten Stoffe vor und nach der chemischen Reaktion erhalten,
• ändert sich grundsätzlich der Energiegehalt im Austausch mit der Umgebung.

Das heißt nicht, dass die anderen Erhaltungssätze z.B. 5. und 6. keine Rolle spielen, sie sind jedoch erst für genauere Betrachtungen der Umwandlungen von Atomkernen und im Bereich von kernenergetischen Vorgängen wichtig.

Die Bezeichnungen für die verschiedenen Arten von Gleichgewichten sind aus der Physik der Mechanik übernommen.

Gleichgewichte können in Bezug auf die Bewegung unterschieden werden:

• statische Gleichgewichte sind in Ruhe
• dynamische Gleichgewichte sind in Bewegung

Gleichgewichte unterscheiden sich auch in ihrer die Beständigkeit. Dazu müssen die Energieinhalte benachbarter Gleichgewichte miteinander verglichen werden.

• Es gibt stabile Gleichgewichte. Diese besitzen in ihrer "nächsten Umgebung" nur Zustände mit höherem Energie. Stabile Gleichgewichte können nur durch Energiezufuhr aus der Umgebung in benachbarte Gleichgewichte überführt werden. Diese neuen Gleichgewichte werden als aktivierte Gleichgewichte bezeichnet und sind instabil. Sich selbst überlassen geben aktivierte Gleichgewichte die aus der Umgebung zugeführte Energie selbstständig ab.
  
  Instabile Gleichgewichte

• Bei indifferenten Gleichgewichten gibt es in der nächsten Umgebung energetisch gleichwertige Zustände. Indifferente Gleichgewichte können ohne Energieabgabe oder Energieaufnahme in benachbarte Gleichgewichte wechseln.
  
• Daneben gibt es noch labile Gleichgewichte. Zustände in labilem Gleichgewicht besitzen in ihrer Umgebung Zustände mit noch niedrigerem Energiegehalt. Diese werden aber nicht eingenomen, weil das Erreichen durch Hemnisse verhindert werden. Erst durch eine geringfügige Störung gehen labile Gleichgewichte unter Energieabgabe in stabile Gleichgewichte über. Diese Störung besteht aus einer Energieform, die Aktivierungsenergie genannt wird.

Chemische Gleichgewichte können durch gezielte Veränderungen von Druck, Temperatur oder Mischung verschiedener Stoffe werden chemische Gleichgewichte verändert werden, so dass sich Stoffe in andere umwandeln.

Im Labor werden chemische Gleichgewichte verändert, um Erkenntnisse über Gesetzmäßigkeiten der Stoffumwandlung zu erhalten oder neue Stoffe zu erzeugen.

5. Arbeitsgebiete der Chemie

Das Arbeitsgebiet der Chemie hat sich sehr ausgeweitet. Außerdem sind die Untersuchungsmethoden derart vielfältig geworden, dass sich eine Aufspaltung in verschiedene Teilbereiche ausgebildet hat.

Die klassischen Gebiete sind:

• Allgemeine Chemie
• Anorganische Chemie
• Organische Chemie
• Biochemie
• Physikalische Chemie
  
• Technische Chemie (als Umsetzung der Erkenntnisse zur Nutzung durch den Menschen)

Hinzu gekommen sind:

• Bioorganik wikipedia
• Nanotechnologie wikipedia
• u.v.a.m.

Klaus-G. Häusler; info. at .halbmikrotechnik.de

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wikipedia: Newtonsche Gesetze

wikipedia: Lavoisier; Lomonosov-Lavoisier: Massenerhaltungssatz

wikipedia: Energie-Erhaltungssatz

wikipedia: Erhaltungssatz

wikipedia: Gleichgewicht

wikipedia: chemisches Gleichgewicht