Chemie

allgemeine_chemie.html 28.02.2018

 

Inhaltsverzeichnis

1. Naturwissenschaft Chemie
2. Systeme und Energie
3. Gleichgewicht und Erhaltungssätze
4. Gleichgewichtsbetrachtungen in der Chemie
5. Arbeitsgebiete
6. Arbeitsmethoden

Stoffarten


 

1. Chemie

Der Mensch erkennt die Natur an den bestehenden "Unterschieden" in der Natur. Würde man keine Unterschiede bemerken können, so kan man auch keine Eigenschaften bestimmen. Ein gutes Bespiel hierfür ist die Luft. Sie ist überall und an allen Stellen der Erde gleich. Die Menschen habe 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.

Will man über das Finden von zufäälig Verschiedenem hinaus etwas in der Natur entdecken, so muss man Fragen an die Natur in Form von spezielle Versuchsanordnungen stellen. Die Anordnungen werden Experimente genannt. 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. Da wirkt man auf die Versuchsanordnung von außen ein. Als Folge davon verändert sich die ursprüngliche Versuchanordnung 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).

 

 

Naturwissenschaft Chemie
 

Eine wichtige Hypothese in den Naturwissenschaften ist, dass sich in der Natur alles im Gleichgewicht befindet.

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

 

Natur und Gleichgewicht

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 offenens 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.

 

Systeme

 

 

 

Energie

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)

 

Gleichgewicht

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 in benachbarte Gleichgewichte überführt werden. Diese neuen Gleichgewichte werden als aktivierte Gleichgewichte bezeichnet und sind instabil.

    Instabile Gleichgewichte
  • Bei indifferenten Gleichgewichten gibt es in der nächsten Umgebung energetisch gleichwertige Zustände. Indifferente Gleichgewichte können ohne Energieabgabe in benachbarte Gleichgewichte überführt werden.
  • labile Gleichgewichte sind Gleichgewichte, die in der Umgebung energetisch niedrigere Zustände. Diese werden aber nicht eingenomen, weil das Erreichen durch Hemnisse verhindert werden. Erst durch eine geringfügige Störung gehen labile Gleichgewichte in stabille Gleichgewichte unter Energieabgabe über.

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 mit der Absicht verändert, um Erkenntnisse über Gesetzmäßigkeiten der Stoffumwandlung zu erhalten oder neue Stoffe zu erzeugen.

 

Gleichgewichts-betrachtungen

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:

 

 

Arbeitsgebiete der Chemie

6. Arbeitsmethoden

Die Materie besteht aus Millionen von Verbindungen und gut 100 natürlichen und künstlich hergestellten Elementen. Um Aussagen über Stoffe und ihre Veränderbarkeit machen zu können, muss man zunächts die in der Natur vorkommenden Stoffe trennen bis man zu Reinstoffen gelangt. Reinstsoffe sind Stoffe, die an jeder Stelle die gleiche Zusammensetzung besitzen. Die Auftrennung und Beschreibung der Eigenschaften von Stoffen nennt man Analyse.

Um neue Stoffe zu erhalten, muss man verschiedene Stoffe in neuer Art wieder miteinander verbinden. Die Bildung von Stoffen aus anderen Stoffen nennt man Synthese.

Ob die Zusammensetzung eines Stoffes vollständig erkannt ist, wird immer durch die Kombination von Analyse und Synthese überprüft. Insbesondere bei Naturstoffen wird durch die Analyse der Stoff so lange in Untereinheiten zerlegt, bis jeder Bestandteil und seine Einbindung in den Naturstoff eindeutig bekannt ist. Anschließend werden die so identifizierten Bestandteile durch chemische Synthesen wieder in der ermittelten Form zusammengefügt. Nur , wenn der aus einzelnen Komponenten neu synthetisierte Stoffes vollständig gleiche Eigenschaften und in der Bioorganik auch gleiche Wirkungen besitzt, kann die Stoffaufklärung als erfolgreich angesehen werden.

Das Zerlegen eines Stoffes geschieht mit chemischen und physikalischen Methoden. Bei chemischen Zerlegungen entstehen neue Stoffe. Die so analysierten Stoffe sind nicht mehr vorhanden, so gesehen sind sie "zer-stört" worden. Werden Stoffe mit physikalischen Methoden analysiert, so bleiben sie erhalten, sie sind also während der Analyse "ge-Stört" worden. Am Ende der Untersuchung sind sie noch als solche erhalten.

Es ist demnach vorteilhaft, bei der Analyse physikalische Methoden anzuwenden, da bei diesen Methoden in der Regel schonender mit den Stoffen umgegangen wird. Will man z.B. ein altes Gemälde auf Echtheit untersuchen, so sind spektroskopische Methoden, bei denen das reflektierte Licht untersucht wird, sicher schonender als eine chemische Untersuchung, bei der Stücke der Farbe vom Gemälde abgetragen und chemisch zersetzt wird. Da hierbei das Gemaölde zerstört wird, sollten die chemischen Analysen mit geringsten Stoffportionen auskommen.

Hat man neue Stoffe hergestellt, so will man diese häufig auch in der Technik, dem täglichen Leben oder der Medizin auch benutzen. Daher werden chemische Methoden der Synthese beginnend mit mikrotechnischen Methoden (Milligramm-Portion) über Methoden des Labormaßstabes (Gramm-Portion) und technischen Maßstab (Kilogramm-Portion) bis hin zum industriellem Maßstab (Tonnen-Portion) angewendet.

 

 

Literatur

Autor:

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

Quelle:

wikipedia: Newtonsche Gesetze

wikipedia: Lavoisier; Lomonosov-Lavoisier: Massenerhaltungssatz

wikipedia: Energie-Erhaltungssatz

wikipedia: Erhaltungssatz

wikipedia: Gleichgewicht

wikipedia: chemisches Gleichgewicht