Curso de alemán nivel medio con audio/Lección 001fc

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Lección 001fc → Lección 002fc

Fachkurs Chemie

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Chemie (Teil 1)

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Chemie ([çeˈmi:]; mittel- und norddeutsch auch [ʃeˈmi:]; süddeutsch: [keˈmi:]) ist eine Naturwissenschaft, die sich mit dem Aufbau, den Eigenschaften und der Umwandlung von Stoffen beschäftigt. Die Stoffportionen enthalten Atome (z. B. Metalle wie Eisen), Moleküle (z. B. Wasser) oder Ionen (z. B. Salze wie Kochsalz). Die chemischen Reaktionen sind Vorgänge in den Elektronenhüllen der Atome, Moleküle und Ionen.

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Zentrale Begriffe der Chemie sind chemische Reaktionen und chemische Bindungen. Durch chemische Reaktionen werden chemische Bindungen gebildet oder gebrochen. Dabei verändert sich die Elektronenaufenthaltswahrscheinlichkeit in den Elektronenhüllen der beteiligten Stoffe und damit deren Eigenschaften. Die Herstellung von Stoffen (Synthese) mit von der Menschheit benötigten Eigenschaften ist heute das zentrale Anliegen der Chemie.

Versuchsapparatur im Gasabzug eines Chemielabors

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Chemie (Teil 2)

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Traditionell wird die Chemie in Teilgebiete unterteilt. Die wichtigsten davon sind die organische Chemie, die kohlenstoffhaltige Verbindungen untersucht, die anorganische Chemie, die alle Elemente des Periodensystems und deren Verbindungen behandelt, sowie die physikalische Chemie, die sich mit den grundlegenden Phänomenen, die der Chemie zu Grunde liegen, beschäftigt.

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Die Chemie entstand in ihrer heutigen Form als exakte Naturwissenschaft im 17. und 18. Jahrhundert allmählich aus der Anwendung rationalen Schlussfolgerns, basierend auf Beobachtungen und Experimenten der Alchemie.

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Die chemische Industrie zählt zu den wichtigsten Industriezweigen. Sie stellt Stoffe her, deren Eigenschaften von modernen Menschen zur Herstellung von Alltagsgegenständen (z. B. Grundchemikalien, Kunststoffe, Lacke), Lebensmitteln (z. B. Düngemittel und Pestizide) oder zur Verbesserung der Gesundheit (z. B. Pharmazeutika) benötigt werden.

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Chemie (Teil 3)

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Die Chemie in der Neuzeit erhielt als Wissenschaft entscheidende Impulse im 18. und 19. Jahrhundert: Sie wurde auf die Basis von Messvorgängen und Experimenten gestellt, v. a. durch Gebrauch der Waage, sowie auf die Beweisbarkeit von Hypothesen und Theorien über Stoffe und Stoffumwandlungen.

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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 mithilfe der Katalyse aus dem Stickstoff der Luft zu gewinnen.

CCCC (Teil 4)

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.

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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 oder Kunststoff aufbauen. Die Art der Zusammensetzung bestimmt schließlich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Stoffe und macht damit die Chemie zu einer umfangreichen Wissenschaft.

CCCC (Teil 5)

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 und der Ingenieurwissenschaften. Außerdem erlauben sie es häufig, die Produktionskosten für viele Industrieprodukte zu senken. Beispielsweise führen verbesserte Katalysatoren zu schnelleren Reaktionen und dadurch zur Einsparung von Zeit und Energie in der Industrie. Neu entdeckte Reaktionen oder Substanzen können alte ersetzen und somit ebenfalls von Interesse in der Wissenschaft und Industrie sein.

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Für die Medizin ist die Chemie bei der Suche nach neuen Medikamenten und bei der Herstellung von Arzneimitteln unentbehrlich.

Die Ingenieurwissenschaften suchen häufig, je nach Anwendung, nach maßgeschneiderten Materialien (leichte Materialien für den Flugzeugbau, beständige und belastbare Baustoffe, hochreine Halbleiter…). Deren Synthese ist eine der Aufgaben der Chemie.

In der Physik werden zum Beispiel zur Durchführung von Experimenten oft hochreine Stoffe benötigt, deren Herstellung spezielle Synthesemethoden erfordern.

CCCC (Teil 6)

Die Chemie gehört wie die Physik und die Biologie zu den Naturwissenschaften. Jede Wissenschaft hat bestimmte Aufgaben, die sie lösen muss. Die Chemie untersucht die Zusammensetzung von Körpern.

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Man weiß, dass alle Körper aus Stoffen bestehen. Es ist eine Aufgabe der Wissenschaft Chemie zu untersuchen, wie sich die Stoffe zusammensetzen. Mit Hilfe der Chemie kann man auch wichtige Stoffe herstellen, die man in der Technik und für das tägliche Leben braucht.

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Alle Stoffe haben bestimmte Eigenschaften. Eine wichtige Eigenschaft ist z. B. der Aggregatzustand, d. h. die Stoffe können fest, flüssig oder gasförmig sein. Der Aggregatzustand ist von der Temperatur abhängig. Eisen ist z. B. bei Zimmertemperatur fest und bei 2.000 °C flüssig. Wichtige Eigenschaften sind auch die Farbe, die Dichte, der Geruch und der Geschmack. Oft ist es auch wichtig zu wissen, ob ein Stoff brennbar ist.

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An seinen Eigenschaften kann man einen Stoff erkennen. So sind z. B. Eisen silbergrau und nicht brennbar. Im Unterschied dazu hat Glas keine Farbe. ES hat auch keinen Geschmack und keinen Geruch. Glas ist farblos, geruchlos, geschmacklos und nicht brennbar.

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Stoffe unterscheiden sich durch ihre Eigenschaften. Schwefel und Zucker unterscheiden sich z. B. durch ihre Farbe und ihren Geschmack. Sie unterscheiden sich nicht in ihrer Brennbarkeit. Man kann die Stoff durch ihre Eigenschaften unterscheiden, die charakteristisch für sie sind. Diese charakteristischen Eigenschaften bezeichnet man auch als spezifische Merkmale. Ein spezifisches Merkmal von Schwefel ist z. B. die Farbe.

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das Silber (KEIN Plural)

silbergrau

das Quecksilber (KEIN Plural)

das Eisen

der Schwefel (KEIN Plural)

das Gas

fest

der Aggregatzustand

die Dichte

geruchlos

das Merkmal

die Luft (KEIN Plural)

gasförmig

der Geruch

der Körper (Plural: Körper)

der Stoff (der chemische Stoff)

charakteristisch

der Geschmack

flüssig

das Stichwort (Plural: Stichworte; Stichwörter)

spezifisch

erkennen an (Dativ) (erkennen - erkannte - hat erkannt)

unterscheiden sich durch (Akkusativ) - Sie unterscheiden sich durch ihr Verhalten.

unterscheiden sich in (Dativ) - Sie unterscheiden sich in ihrem Verhalten.

unterscheiden - (unterscheiden - unterschied - hat unterschieden)

zusammensetzten - sich zusammensetzen aus (Dativ)

brennbar

bestehen aus (Dativ) (bestehen - bestand - hat bestanden)

geschmacklos

farblos

das Gas

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Ein Chemiker bei der Arbeit. Er arbeitet in einem Abzug, falls giftige Dämpfe entstehen.

Chemie

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Chemie ist eine Naturwissenschaft und auch ein Schulfach. Das Wort stammt aus der altägyptischen Sprache und bedeutet „schwarze Erden“. Bei der Chemie geht es darum, welche Stoffe es gibt und was für Eigenschaften sie haben. Eine weitere Aufgabe von Chemikern ist es, neue Stoffe zu finden, die besondere Eigenschaften haben.

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Wichtige Stoffe sind zum Beispiel Eisen, Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenstoff. Die Chemie untersucht auch Umwandlungen, bei denen neue Stoffe entstehen, die sogenannten chemischen Reaktionen. Eine chemische Reaktion ist zum Beispiel das Brennen einer Kerze, zu erkennen an der Flamme: Aus dem Kerzenwachs entstehen beim Verbrennen Gase wie Kohlendioxid und Wasserdampf. Eine chemische Reaktion gibt es auch beim Backen von Kuchen: Aus dem flüssigen Teig entstehen neue Stoffe und man hat dann den festen Kuchen. Auch eine Explosion ist eine chemische Reaktion.

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Ein Modell eines Wassermoleküls

Atome

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Das Wichtigste für die Chemiker sind die Atome. Es sind die kleinen Teilchen aus denen alles um uns herum aufgebaut ist, auch wir Menschen. Allerdings kann man Atome mit den bloßen Augen und auch mit den besten Mikroskopen nicht wirklich sehen, weil sie so klein sind. Zehn Millionen Atome nebeneinander wären etwa einen Millimeter breit.

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Wenn Atome dauerhaft zusammenhalten hat man Moleküle. Die meisten Stoffe bestehen aus Molekülen. Das wohl bekannteste Molekül schreiben die Chemiker als H2O auf – es ist das Molekül von Wasser. Die Schreibweise bedeutet, dass das Wassermolekül aus zwei Wasserstoffatomen H und einem Sauerstoffatom O besteht.

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Ein Chemiker aber muss die Atome kennen. Er muss wissen, wie sie sich verhalten, wenn sie aufeinander treffen und wie sie zusammenhalten. Es ist aber nicht einfach zu verstehen, was man nicht sieht. Deshalb haben Kinder das Fach Chemie erst in höheren Klassen.

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Das dicke X auf dieser Flasche mit WC-Reiniger ist ein Gefahrensymbol. Es zeigt an, dass der Inhalt reizend wirkt, also zum Beispiel die Haut röten kann.

Das Schulfach Chemie

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Chemie gibt es als Schulfach in Deutschland meist erst ab der 7. Klasse oder sogar noch später. Das hängt vom Bundesland ab, in dem die Schule steht. Im Schulfach Chemie macht man unter anderem Experimente. Dabei benutzt man besondere Geräte und chemische Stoffe, die der Chemielehrer ausgewählt hat.

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Allerdings dürfen Schüler nicht alle Experimente machen, die sie durchführen wollen. Denn das kann sehr gefährlich werden. Der Chemielehrer kennt sich damit aus, denn er hat Chemie an der Universität studiert. Deshalb erklärt er den Schülern genau, was sie machen sollen und worauf sie zur Sicherheit achten müssen.

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Chemie spielt auch im Haushalt eine wichtige Rolle. Denn viele Reinigungsmittel sind nicht ganz ungefährlich. Im Chemie-Unterricht lernen die Schüler, wie man mit solchen gefährlichen Stoffen umgeht.

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Reagenzgläser, um kleine Mengen an Flüssigkeiten untersuchen zu können

Chemiker

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Viele Jahre haben Chemiker hieran geforscht: Welche Atome und Moleküle sorgen dafür, dass ein bestimmter Stoff bestimmte Eigenschaften hat? Inzwischen ist vermutlich das Wichtigste bekannt. Dennoch haben Chemiker immer noch wichtige Aufgaben.

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Chemiker erfinden neue Stoffe: Sie wissen, wie ein Molekül aussehen muss, damit ein Stoff fest, weich oder gummi-artig ist. Sie wissen auch, warum Stoffe durchsichtig oder undurchsichtig sind. Deshalb können sie genau solche Stoffe gezielt herstellen. Während früher vor allem Erdöl für die Herstellung solcher Kunststoffe verwendet wurde, benutzen die Chemiker heute eher Naturstoffe, die ein Landwirt herstellen kann.

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Chemiker untersuchen außerdem die Umwelt auf Stoffe. Dabei gehen sie zum Beispiel diesen Fragen nach: Ist das Wasser sauber? Kann man das da essen oder sind da Gifte enthalten? Da man Gifte nicht immer sehen, schmecken oder riechen kann, muss das zur Sicherheit überprüft werden. Die Chemiker kennen die Eigenschaften aller Stoffe, also auch der Gifte. So können sie mit Hilfe spezieller chemischer Reaktionen und Geräten die Gifte nachweisen.

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Die Chemiker im Mittelalter, die Alchemisten, versuchten Gold aus billigen Stoffen wie Blei herzustellen. Das ist aber keine chemische Reaktion und auch gar nicht möglich. Dazu müsste man die Atome verändern, das wäre unheimlich teuer.

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Aggregatzustand

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Als Aggregatzustände werden die unterschiedlichen Zustände eines Stoffes bezeichnet, die sich durch bloße Änderungen von Temperatur oder Druck ineinander umwandeln können. Es gibt die drei klassischen Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig sowie in der Physik weitere nicht klassische Zustände wie z. B. das Plasma.

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Die drei klassischen Aggregatzustände

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Es gibt drei klassische Aggregatzustände:

1.) fest (Festkörper): In diesem Zustand behält ein Stoff meist sowohl Form als auch Volumen bei; siehe Festkörper.

2.) flüssig (Flüssigkeit): Hier wird das Volumen beibehalten, aber die Form ist unbeständig und passt sich dem umgebenden Raum an.

3.) gasförmig (Gas): Hier entfällt auch die Volumenbeständigkeit, ein Gas füllt den zur Verfügung stehenden Raum vollständig aus.

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Für feste Stoffe und flüssige Stoffe gibt es den zusammenfassenden Begriff kondensierte Materie.

Bei Feststoffen unterscheidet man auch nach anderen Merkmalen:

1.) kristallin: Ein Feststoff, der seine Form nicht verändert. Seine Bausteine, die Kristalle, weisen eine Fernordnung auf.

2.) amorph: Ein Feststoff, der lediglich durch eine Nahordnung ausgezeichnet ist, siehe amorphes Material. Ein amorpher Festkörper ist metastabil.

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Teilchenmodell eines kristallinen Feststoffes

Festkörper

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Die kleinsten Teilchen sind bei einem Feststoff nur wenig in Bewegung. Sie schwingen um eine feste Position, ihren Gitterplatz, und rotieren meist um ihre Achsen. Je höher die Temperatur wird, desto heftiger schwingen bzw. rotieren sie, und der Abstand zwischen den Teilchen nimmt (meist) zu.

- Die Form des Feststoffes bleibt unverändert.

- Stoffe im festen Aggregatzustand lassen sich nur schwer aufteilen.

- Sie lassen sich nur schwer verformen (geringe Verformbarkeit, spröde).

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Zwischen den kleinsten Teilchen wirken verschiedene Kräfte, nämlich die Van-der-Waals-Kräfte, die elektrostatische Kraft zwischen Ionen, Wasserstoffbrückenbindungen oder kovalente Bindungen. Die Art der Kraft ist durch den atomaren Aufbau der Teilchen (Ionen, Moleküle, Dipole, …) bestimmt. Bei Stoffen, die auch bei hohen Temperaturen fest sind, ist die Anziehung besonders stark.

Durch die starke Anziehung sind die Teilchen eng beieinander (hohe Packungsdichte).

Temperaturänderungen bewirken eine Veränderung des Volumens nach den Gesetzen der Wärmeausdehnung.

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Teilchenmodell einer Flüssigkeit bzw. eines amorphen Festkörpers

Flüssigkeit

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Die Teilchen sind nicht wie beim Feststoff ortsfest, sondern können sich gegenseitig verschieben. Bei Erhöhung der Temperatur werden die Teilchenbewegungen immer schneller.

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Durch die Erwärmung ist die Bewegung der Teilchen so stark, dass die Wechselwirkungskräfte nicht mehr ausreichend sind, um die Teilchen an ihrem Platz zu halten. Die Teilchen können sich nun frei bewegen.

Ein flüssiger Stoff verteilt sich von allein, wenn er nicht in einem Gefäß festgehalten wird.

Ein Farbstoff verteilt sich von allein in einer Flüssigkeit (Diffusion).

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Obwohl der Abstand der Teilchen durch die schnellere Bewegung ein wenig größer wird (die meisten festen Stoffe nehmen beim Schmelzen einen größeren Raum ein), hängen die Teilchen weiter aneinander. Für die Verringerung des Volumens einer Flüssigkeit durch Kompression gilt ähnliches wie bei einem Festkörper.

Bei einer Temperaturverringerung wird das Volumen ebenfalls kleiner, bei Wasser jedoch nur bis zu einer Temperatur von 4 °C (Anomalie des Wassers), während darunter bis 0 °C das Volumen wieder ansteigt.

Obwohl die Teilchen sich ständig neu anordnen und Zitter-/Rotationsbewegungen durchführen, kann eine Anordnung festgestellt werden. Diese Nahordnung ist ähnlich wie im amorphen Festkörper, die Viskosität ist jedoch sehr viel niedriger, d. h. die Teilchen sind beweglicher.

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Teilchenmodell eines Gases

Gas

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Bei Stoffen im gasförmigen Zustand sind die Teilchen schnell in Bewegung. Ein Gas oder gasförmiger Stoff verteilt sich schnell in einem Raum. In einem geschlossenen Raum führt das Stoßen der kleinsten Teilchen gegen die Wände zum Druck des Gases.

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Beim gasförmigen Zustand ist die Bewegungsenergie der kleinsten Teilchen so hoch, dass sie nicht mehr zusammenhalten. Die kleinsten Teilchen des gasförmigen Stoffes verteilen sich gleichmäßig im gesamten zur Verfügung stehenden Raum.

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Durch die schnelle Bewegung der Teilchen in einem Gas sind sie weit voneinander entfernt. Sie stoßen nur hin und wieder einander an, bleiben aber im Vergleich zur flüssigen Phase auf großer Distanz. Ein gasförmiger Stoff lässt sich komprimieren, d. h. das Volumen lässt sich verringern.

Wegen der Bewegung sind die Teilchen ungeordnet.

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In der physikalischen Chemie unterscheidet man zwischen Dampf und Gas. Beide sind physikalisch gesehen nichts anderes als der gasförmige Aggregatzustand; die Begriffe haben auch nicht direkt mit realem Gas und idealem Gas zu tun. Was umgangssprachlich als „Dampf“ bezeichnet wird, ist physikalisch gesehen eine Mischung aus flüssigen und gasförmigen Bestandteilen, welche man im Falle des Wassers als Nassdampf bezeichnet.

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Dichte des Wassers in Abhängigkeit von der Temperatur

Anomalie des Wassers

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Bei Normaldruck hat Wasser seine größte Dichte von ca. 1.000 Kilogramm pro Kubikmeter bei 3,98 °C und ist flüssig. Unterhalb von 3,98 °C dehnt sich Wasser bei (weiterer) Temperaturverringerung – auch beim Wechsel zum festen Aggregatzustand – (wieder) aus. Die Anomalie des Wassers besteht also im Bereich zwischen 0 °C und 3,98 °C, das Eis verhält sich nicht anomal, wenn auch untypischerweise die Dichte des Eises geringer ist als die des flüssigen Wassers.

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Im festen Aggregatzustand – in diesem Fall bei Eis – wird normalerweise eine hohe Fernordnung durch Ausbildung eines Kristallgitters im Zuge der Kristallisation erreicht. Im flüssigen Zustand herrscht eine Mischung von Ordnung und Chaos, wobei die Moleküle aufgrund ihrer höheren Geschwindigkeit ein größeres Volumen ausfüllen. Es erhöht sich also das Volumen, die Dichte wird damit geringer. Im gasförmigen Zustand ist die maximale Unordnung erreicht, d. h. die Atome verteilen sich dementsprechend gleichmäßig über den maximal zur Verfügung stehenden Raum.

Temperaturverteilung in einem stehenden See im Sommer und Winter

Der Grund der Anomalie des Wassers liegt in der Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen. Durch sie benötigt die Struktur im festen Zustand mehr Raum als bei beweglichen Molekülen. Die Strukturbildung ist ein fortschreitender Vorgang, das heißt, es sind schon im flüssigen Zustand so genannte Cluster aus Wassermolekülen vorhanden. Bei 3,98 °C ist der Zustand erreicht, bei dem die einzelnen Cluster das geringste Volumen einnehmen und damit die größte Dichte haben. Wenn die Temperatur weiter sinkt, wird durch einen stetigen Wandel der Kristallstrukturen mehr Volumen benötigt. Wenn die Temperatur steigt, benötigen die Moleküle wieder mehr Bewegungsfreiraum, wodurch das Volumen ebenfalls steigt.

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Der Grund der Anomalie des Wassers liegt in der Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen. Durch sie benötigt die Struktur im festen Zustand mehr Raum als bei beweglichen Molekülen. Die Strukturbildung ist ein fortschreitender Vorgang, das heißt, es sind schon im flüssigen Zustand so genannte Cluster aus Wassermolekülen vorhanden. Bei 3,98 °C ist der Zustand erreicht, bei dem die einzelnen Cluster das geringste Volumen einnehmen und damit die größte Dichte haben. Wenn die Temperatur weiter sinkt, wird durch einen stetigen Wandel der Kristallstrukturen mehr Volumen benötigt. Wenn die Temperatur steigt, benötigen die Moleküle wieder mehr Bewegungsfreiraum, wodurch das Volumen ebenfalls steigt.

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