Chemie
Sie entstand in ihrer heutigen Form im 17 und 18. Jahrhundert allmählich aus der Anwendung rationalen Denkens auf Beobachtungen und Experimente der Alchemie. Einige der ersten großen Chemiker waren Robert Boyle, Jöns Jacob Berzelius, Joseph Louis Gay-Lussac, Marie, Joseph-Louis Proust und Antoine Lavoisier und Justus von Liebig.
Was ist Chemie?
Stoff und Stoffumsetzung
Chemie ist die Wissenschaft von den Stoffen (Substanzen) und den Stoffumsetzungen (chemischen Reaktionen) und wird in mehrere Fachgebiete, u.a. die anorganische Chemie, die organische Chemie, die physikalische Chemie und die Biochemie, getrennt. Sie beschäftigt sich in der Analytik damit, die uns umgebenden Gemische in Reinstoffe aufzutrennen, und diese zu identifizieren. Eine weitere Hauptaufgabe, die Synthese, ist die gezielte Herstellung von Stoffen, beispielsweise von naturidentischen Stoffen (etwa Farben, Aromen oder Heilmitteln) und von Stoffen mit zweckmäßigen bzw. verbesserten Eigenschaften (zum Beispiel Kunststoffe, Pestizide und Medikamente).Die beiden Hauptaufgaben der Chemie werden auch Analyse (Untersuchung der Zusammensetzung, Auftrennung) und Synthese (Aufbau, Herstellung von Stoffen) genannt. Die Grundstoffe, aus denen man mittels chemischer Reaktion alle uns umgebenden Materialien gewinnen kann, sind die Elemente, welche sich zu chemischen Verbindungen zusammenschließen. Eine Stoffumsetzung nennt man chemische Reaktion. Sie steht im Zentrum der Chemie.
Atom und Molekül
-Atoms: Zwei Elektronen umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen Atome sind für den Chemiker die Grundbausteine der Materie, da sie sich chemisch nicht in kleinere Einheiten spalten lassen. Ein chemisches Element besteht aus Atomen mit einer bestimmten Anzahl an Protonen im Kern. Chemische Elemente können dennoch aus verschiedenen Atomen (Isotope) bestehen, die sich in der Anzahl an Neutronen im Kern unterscheiden. Verschiedene Isotope zeigen gleiches chemisches, aber unterschiedliches physikalisches Verhalten (z.B. Siedepunkt, Schmelzpunkt). Die chemischen Elemente können in mannigfaltiger Weise chemische Bindungen untereinander eingehen. Dann spricht man von einer Chemischen Verbindung. Je nach Polarität der Bindung zwischen den Elementen unterscheidet man unpolare kovalente Bindungen, polare kovalente Bindungen und ionische Bindungen, in denen mindestens ein Elektron der miteinander eine chemische Verbindung eingehenden Elemente oder Moleküle ganz bei einem Bindungspartner lokalisiert ist. Verbindungen in denen die Elemente kovalent miteinander gebunden sind nennt man Moleküle. Verbindungen, die ionisch aufgebaut sind, nennt man Salze. Von Molekülionen spricht man, wenn elektrisch geladene Moleküle vorliegen. Des weiteren spricht man von einer metallischen Bindung, wenn die äußeren Elektronen, die für eine chemische Bindung zur Verfügung stehen, zwischen den Atomen delokalisiert und frei beweglich sind. Die chemischen Elemente selbst liegen als Metalle, als Moleküle (z. B. die zweiatomigen Gase der 2. Periode: O2, N2, F2) oder als Atome (ausschließlich die Edelgase: He, Ne, Ar, Kr, Xe und Rn) vor. Die Art und Weise, wie sich die Atome eines Elementes verbinden, kann dabei immer noch unterschiedlich sein und zu so unterschiedlichen Substanzen wie Graphit und Diamant führen, beides Modifikationen elementaren Kohlenstoffs. Auch kann ein Element als eine metallische und als eine Modifikation mit kovalenten Bindungen vorliegen, z. B. Zinn.Für die chemischen Eigenschaften einer Verbindung ist es jedoch nicht nur entscheidend, welche Atome sie enthält, sondern wie diese miteinander verbunden sind (siehe Chemische Bindung). Bei bestimmten chemischen Verbindungen, vor allem bei Proteinen, sind nicht nur die Bindungen zwischen den Atomen maßgeblich für die chemischen Eigenschaften sondern auch die räumliche Ausrichtung dieser Bindungen.
Die Herausforderung bei der chemischen Synthese besteht in der Regel darin, selektiv Bindungen zwischen einzelnen Atomen oder Molekülen zu knüpfen, um dadurch eine gewünschte Substanz herzustellen.
Definition der Chemie, Abgrenzung zur Atomphysik
Die Chemie ist die Wissenschaft von der Struktur der Materie: Ihre Aufgabe ist die Bestimmung der Art und Anzahl der Atome im Molekül bzw. der Ionen in Salzen, sowie die Bestimmung ihrer genauen räumlichen Anordnung. Die weitere Aufgabe der Chemie ist die planmäßige Darstellung von Stoffen mit gewünschten Eigenschaften, d.h. die gezielte Herstellung von Molekülen mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung bzw. Struktur.Für das Verständnis des Aufbaus von Molekülen und Ionen sind Kenntnisse des Atombaus (Atomkern, bestehend aus Protonen und Neutronen), sowie der Elektronenhülle von Bedeutung. Für die Chemie ist in vielen Fällen lediglich der Aufbau der Elektronenhülle eines Atoms relevant. Die meisten chemischen Vorgänge spielen sich in ihr ab. Atome, die sich lediglich im Aufbau des Atomkern unterscheiden, sogenannte Isotope, sind chemisch gesehen in den meisten Fällen identisch und verhalten sich in chemischen Reaktionen nahezu gleich. Sie unterscheiden sich z.B. in ihrer Reaktionsgeschwindigkeit. Der Kern spielt in der Kernchemie bzw. Kernphysik eine bedeutendere Rolle (z.B. Kernspaltung und Kernfusion). Bei radioaktiven Elementen "zerfallen" die Kerne unter Energiefreisetzung. Es werden hierbei verschiedene Zerfallsarten unterschieden, bei denen jeweils charakteristische Teilchen aus dem Kern emmittiert werden.
Noch tiefergehende Studien des Atombaus, wie z.B. den Elementarteilchen Quarks, gehören nicht zur Chemie, sondern sind Bestandteil der Kernphysik.
Bedeutung der Chemie
Geschichte der Chemie
Die Chemie entwickelte sich aus der Alchemie, die in China, Europa und Indien schon seit Jahrtausenden praktiziert wurde.
Alchemie war die Untersuchung von Materie, wobei die Vorstellungswelt der Alchemisten nicht auf wissenschaftlichen Untersuchungen basierte, sondern auf Erfahrungstatsachen und empirischen Rezepten. Das Ziel ihrer Untersuchungen war eine Substanz mit dem Namen Stein der Weisen, die Stoffe wie Blei in Gold verwandeln sollte. Alchemisten führten eine große Auswahl Experimente mit vielen Substanzen durch, um diesen Stoff zu finden. Sie notierten ihre Entdeckungen und verwendeten für ihre Aufzeichnungen die gleichen Symbole, wie sie auch in der Astrologie üblich waren. Die mysteriöse Art ihrer Tätigkeit und die dabei fabrizierten farbigen Flammen, Rauch oder Explosionen führten dazu, dass sie als Magier und Hexer bekannt und teilweise verfolgt wurden. Für ihre Experimente entwickelten die Alchemisten die gleichen Apparaturen, wie sie heute noch in der chemischen Verfahrenstechnik verwendet werden.
Ein bekannter Alchemiker war Albertus Magnus. Er befasste sich als Kleriker mit diesem Themenkomplex und fand bei seinen Experimenten ein neues chemisches Element, das Arsen. Kein Alchemiker hat allerdings je den Stein der Weisen entdeckt und im 17. Jahrhundert wurde die alchemistische Arbeitsweise durch wissenschaftliche Methodik ersetzt. Einiges vom Wissen der Alchemisten wurde von den ersten Chemikern verwendet, die ihre Arbeit auf logische Schlussfolgerungen ihrer Beobachtungen gründeten und nicht auf der Idee, beispielsweise Blei in Gold zu verwandeln.
Entscheidende Impulse erhielt die Chemie als Wissenschaft im 19. Jahrhundert. Die Arbeiten von Justus von Liebig über die Wirkungsweise von Dünger begründeten die Agrarchemie und lieferten wichtige Erkenntnisse über die anorganische Chemie. Die Suche nach einem synthetischen Ersatz für den Farbstoff Indigo zum Färben von Textilien waren der Auslöser für die bahnbrechenden Entwicklungen der organischen Chemie und der Pharmazie. Auf beiden Gebieten hatte man in Deutschland bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts eine absolute Vorrangstellung. Dieser Wissensvorsprung ermöglichte es beispielsweise, den zur Führung des ersten Weltkrieges notwendigen Sprengstoff statt aus importierten Nitraten mit Hilfe der Katalyse aus dem Stickstoff der Luft zu gewinnen (siehe Haber-Bosch-Verfahren).
Die Autonomiebestrebungen der Nationalsozialisten gaben der Chemie als Wissenschaft weitere Impulse. Um von den Importen von Erdöl unabhängig zu werden, wurden Verfahren zur Verflüssigung von Steinkohle entwickelt (Fischer-Tropsch-Synthese). Ein weiteres Beispiel war die Entwicklung von synthetischem Kautschuk für die Herstellung von Fahrzeugreifen.
In der heutigen Zeit ist die Chemie ein wichtiger Bestandteil der Lebenskultur geworden. Chemische Produkte umgeben uns überall, ohne dass wir uns dessen bewusst sind. Allerdings haben Unfälle der chemischen Großindustrie wie beispielsweise die von Seveso und Bhopal der Chemie ein sehr negatives Image verschafft, so dass Slogans wie "Weg von der Chemie!" sehr populär werden konnten.
Die Forschung entwickelte sich um die Wende zum 20. Jahrhundert soweit, dass vertiefende Studien des Atombaus nicht mehr zum Bereich der Chemie gehören, sondern zur Atomphysik bzw. Kernphysik. Diese Forschungen lieferten dennoch wichtige Erkenntnisse über das Wesen der chemischen Stoffwandlung und der chemischen Bindung. Weitere wichtige Impulse gingen dabei auch von Entdeckungen in der Quantenphysik aus (Elektronen-Orbitalmodell).
Chemie im Alltag
Chemische Reaktionen im Alltag finden zum Beispiel beim Kochen, Backen oder Braten statt, wobei oft gerade die hier ablaufenden, recht komplexen Stoffumwandlungen zum typischen Aroma der Speise beitragen. Weiterhin wird Nahrung chemisch zerlegt und mit körpereigenen Abbauvorgängen in Bestandteile und auch Energie umgewandelt (Biochemie). Eine gut beobachtbare chemische Reaktion ist die Verbrennung.Haarfärbung, Verbrennungsmotoren, Handy-Displays, Waschmittel, Dünger, u.v.m sind weitere Beispiele für Anwendungen der Chemie im alltäglichen Leben.
Im Alltag wird der Begriff 'Chemie' oft in einem eingeschränkten Sinn als Abkürzung für 'Produkt der chemischen Industrie' verwendet, zum Beispiel bei der 'Chemischen Reinigung': Diese reinigt Textilien mit (synthetischen) Lösungsmitteln. Der Reinigungsvorgang selbst ist in der Regel ein Lösen der Verunreinigung (beispielsweise eines Fettflecks) im Lösungsmittel und damit kein chemischer Prozess (Stoffumwandlung) im eigentlichen Sinne, sondern ein physikalischer Vorgang (Lösen)! Im Gegensatz dazu ist das manchmal als 'Putzen ohne Chemie' gepriesene Auflösen von Kalkflecken mit Essig oder Zitronensaft sehr wohl ein chemischer Vorgang, da dabei festes Calciumcarbonat (Kalk) durch die Säuren zu löslichem Hydrogencarbonat bzw. Kohlenstoffdioxid umgesetzt wird.
Chemie als Wissenschaft
Die Chemie befasst sich mit den Eigenschaften der Elemente und Verbindungen, mit den möglichen Umwandlungen eines Stoffes in einen anderen, macht Vorhersagen über die Eigenschaften für bislang unbekannte Verbindungen, liefert Methoden zur Synthese neuer Verbindungen und Messmethoden um die chemische Zusammensetzung unbekannter Proben zu entschlüsseln.
Obwohl alle Stoffe aus vergleichsweise wenigen "Bausteinsorten", nämlich aus etwa 80 bis 100 der 118 bekannten Elemente aufgebaut sind, führen die unterschiedlichen Kombinationen und Anordnungen der Elemente zu einigen Millionen sehr unterschiedlichen Verbindungen, die wiederum so unterschiedliche Materieformen wie Wasser, Sand, Pflanzen- und Tiergewebe aufbauen. Die Art der Zusammensetzung bestimmt schließlich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Stoffe und macht damit die Chemie zu einer recht umfangreichen Wissenschaft.
Wie in allen Naturwissenschaften ist auch in der Chemie das Experiment die tragende Säule. An ihm werden Theorie über die Art der Umwandlung eines Stoffes in einen anderen Stoff entworfen, überprüft, erweitert und wenn nötig auch verworfen.
Fortschritte in den verschiedenen Teilgebieten der Chemie sind oftmals die unabdingbare Voraussetzung für neue Erkenntnisse in anderen Disziplinen, besonders in den Bereichen Biologie und Medizin, aber auch im Bereich der Physik (zum Beispiel Herstellung neuer Supraleiter). An der Schnittstelle zwischen Chemie und Biologie hat sich als weites Fachgebiet die Biochemie etabliert, die für das Verständnis der Lebensvorgänge, die untrennbar mit Stoffumsätzen verbunden sind, unentbehrlich ist. Dieser Sachverhalt wird manchmal mit dem Satz "Alles Leben ist Chemie" zum Ausdruck gebracht, da die meisten 'greifbaren' und messbaren Vorgänge im lebenden Organismen auf chemischen Reaktionen beruhen.
Für die Medizin ist die Chemie bei der Suche nach neuen Medikamenten und bei der Herstellung von Arzneimitteln unentbehrlich. Die Ingenieurwissenschafften suchen häufig je nach Anwendung nach maßgeschneiderten Materialien (leichte Materialien im Flugzeugbau, beständige und belastbare Baustoffe, hochreine Halbleiter...). Hier hat sich als Schnittstelle zwischen Chemie und den Ingenieurswissenschaften die Materialwissenschaft entwickelt.
Wirtschaftliche Bedeutung der Chemie
Die chemische Industrie ist - gerade auch in Deutschland - ein sehr bedeutender Wirtschaftszweig: In Deutschland liegt der Umsatz der Chemieindustrie bei über 100 Milliarden Euro, die Zahl der Beschäftigten lag nach der Wiedervereinigung Deutschlands bei über 700 000 und ist jetzt unter 500 000 gesunken. Sie stellt einmal Grundchemikalien wie beispielsweise Schwefelsäure oder Ammoniak her - oft im Maßstab von Millionen von Tonnen jährlich -, die sie dann zum Beispiel zur Produktion von Düngemitteln und Kunststoffen verwendet. Andererseits produziert sie viele komplexe Stoffe, insbesondere Medikamente, maßgeschneidert für spezielle Zwecke. Auch die Herstellung von Computern, Kraft- und Schmierstoffen für die Automobilindustrie und vielen anderen technischen Produkten ist ohne industriell hergestellte Chemikalien unmöglich.Ansehen der Chemie
Die Chemie hat in der Öffentlichkeit - auch aufgrund von Chemiekatastrophen und Umweltskandalen - ein relativ schlechtes Ansehen. Viele Fachleute empfinden dies angesichts des Nutzens und der allgemeinen Bedeutung der Chemie und bezogen auf die heutige Situation in Europa für nicht gerechtfertigt, weil hier unter anderem durch eine ziemlich strikte Gesetzgebung (etwa das Chemikaliengesetz) eine vergleichsweise sichere Handhabung von Chemikalien gewährleistet ist. Um dem entgegenzuwirken, wurde das Jahr 2003 von verschiedenen Trägerorganisationen zum "Jahr der Chemie" (Netseite) erklärt.Fachrichtungen
Die Chemie lässt sich einmal nach den untersuchten Stoffen einteilen, wobei vor allem die traditionelle Unterteilung in Organische Chemie (Chemie der Kohlenstoffverbindungen) und Anorganische Chemie (Chemie der Elemente und der Verbindungen ohne Kohlenstoffkette) bedeutend ist. Diese etwas willkürliche Einteilung wird auch heute noch beibehalten, unter anderem deswegen, weil die organische Chemie stark vom Molekül bestimmt wird, die anorganische Chemie oft von Ionen, Kristallen, Komplexverbindungen und Kolloiden. Ein Gebiet, in dem sich die beiden Fachbereiche stark überlappen, ist die Organometallchemie.Die in lebenden Organismen vorkommenden und umgesetzten Stoffe sind Thema der Biochemie. Die für lebende Organismen schädlichen Substanzen werden in der Toxikologie behandelt.
Die Kernchemie, auch Radiochemie genannt, behandelt die Eigenschaften und Umsetzungen radioaktiver Stoffe und stellt damit ebenfalls ein mit der Physik überlappendes Fachgebiet dar.
Eine weitere und unabhängige Einteilung der Chemie ist die nach der Zielrichtung in die untersuchende, 'zerlegende' Analytische Chemie und in die aufbauende, produktorientierte Präparative oder Synthetische Chemie. In der Lehrpraxis der Universitäten ist die Analytische Chemie meist als Unterrichtsfach vertreten, während die Synthetische Chemie im Rahmen der organischen oder anorganischen Chemie behandelt wird.
Weitere Fachrichtungen sind die Allgemeine Chemie, die sich mit den Grundlagen der Chemie befasst, und die Physikalische Chemie, die chemische Fragestellungen und Systeme mit physikalischen Methoden untersucht. Sehr wichtig ist auch die Theoretische Chemie, welche quantenmechanische Modelle benutzt, um Eigenschaften von Molekülen vorherzusagen (Quantenchemie). Auch die Petrochemie, die chemische Verfahrenstechnik und die Polymerchemie sind weitere (kleinere) Fachgebiete der Chemie. Die Chemie im Weltall wird von der Kosmochemie behandelt, und die Geochemie beschäftigt sich mit dem stofflichen Aufbau der Erde.
Chemie in der Wikipedia
Das Wikipedia-Chemie-PortalAllgemeine Chemie
- Chemische Grundbegriffe
- Elemente (alphabetisch)
- Periodensystem der chemischen Elemente
- Atommodell
- Substanzen
- Chemische Reaktionen
- Verbindungen
- Liste von chemischen Verbindungen
- Liste der Säuren
- Liste der Laborgeräte
- chemische Gefahrenzeichen
Anorganische Chemie
Organische Chemie
Physikalische Chemie
Biochemie
- Genetik
- Biotechnologie
- Medizinische Chemie
- Pharmazeutische Chemie
Theoretische Chemie
(Grenzgebiete zur Physik)Analytische Chemie
- Qualitative Analyse
- Quantitative Analyse
- Anorganische analytische Chemie
- Organische analytische Chemie
- Lebensmittelchemie
- Mikrochemie und Spurenanalyse
- Klinische Chemie (vgl. Labormedizin) und Toxikologie
- Chemometrik
- Chromatographische Analysenverfahren
- Spektroskopische Analysenverfahren
Technische Chemie
Spezielle Chemie
- Bioanorganische Chemie
- Geochemie
- Kosmochemie
- Lebensmittelchemie
- Metallorganische Chemie (oder Organometallchemie)
- Umweltchemie
- Wasserchemie
Chemische Grundbegriffe
Chemischer Formalismus
- chemischer Formalismus
Berühmte Chemiker
- Bedeutende Chemiker (chronologisch) (nach Geburtsdatum geordnet)
- Bedeutende Chemiker (alphabetisch)
- Bedeutende Chemiker (Kategorien) (nach den Fachgebieten geordnet, dort alphabetisch)
- Liste der Nobelpreisträger für Chemie, Nobelpreisträger
Literatur
- Eine Zusammenstellung von ausgewählten Beiträgen aus Spekturm der Wissenschaft: Digest: Moderne Chemie. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg, Juni 1995, ISSN 0945-9537
- Pedro Cintas: Der Weg zu chemischen Namen und Eponymen: Entdeckung, Priorität und Würdigung. Angewandte Chemie 116(44), S. 6012 - 6018 (2004), ISSN 0044-8249
Weblinks
- http://www.chemipedia.org/
- Chemie-Portal mit Forum und einem Chemiechat,Tomchemie
- Portal mit Forum zur Chemie
- Chemieforum und Experimente
- ChemieOnline - Information, Service und Wissen
- ChemPage
- Chemie-Portal ChemLin
- Organische Chemie
- chemie-master.de - Website für den Chemieunterricht
- Chemiestudent.de - Information, Uni-Ranking und Forum
- Vernetztes Studium - Chemie: Lehr- und Lernmaterial für Studenten
- diplomchemiker.de - Forum für Chemiestudenten
- Atomy.de.vu - Infos für Chemiestudenten
- Allgemeine Einführung in die Chemie und ihre Begriffe
- Alltagschemie sehr gut aufbereitet
- Struktur und Wirkungsdenken in der Chemie
- Diskussionsboard für Chemie
- Online-Werkzeuge für das Gefahrstoffmanagement
- Linksammlung Chemie
- Chemguide - Helping you to understand Chemistry (engl.)
- Chemical Heritage Foundation - The History of Chemistry (engl.)
- Chemspy - The internet navigator for the chemical industry (engl.)
- Vortragsfolien, Fotos, Cliparts speziell für ChemielehrerInnen
