Chemische Grundbegriffe
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Grundlegende Begriffe und Konzepte der Chemie
Stoffe
Die uns umgebende Materie besteht aus Stoffen. Ein Goldring, eine Goldkette sowie ein Klumpen Gold haben verschiedene Gestalt, der Begriff des chemischen Stoffes abstrahiert aber von der äußeren Form und von der Größe und betont, dass zwischen den drei Gegenständen viele Gemeinsamkeiten bestehen, die im Stoffbegriff "Gold" zusammengefasst werden. Auch von der Größe (dem Volumen und der Masse) wird abstrahiert: ein Tropfen Wasser und die Füllung eines Trinkwasserspeichers haben eine so große Anzahl von Eigenschaften gemein ("flüssig", "durchsichtig" und viele mehr), dass man beides unter dem Stoff "Wasser" zusammenfasst.
Element und Verbindung
Reinstoffe werden weiter unterteilt in chemische Elemente und chemische Verbindungen. Verbindungen lassen sich mit chemischen oder thermischen Methoden wieder in ihre Ausgangselemente zerlegen. Elemente lassen sich chemisch nicht weiter zerlegen, daher spricht man von chemischen Elementen. Nur durch Kernspaltung oder Kernverschmelzung lassen sich Elemente umwandeln. Die Kernverschmelzung erfordert sehr hohe Teilchenenergien und damit sehr hohe Temperaturen und Drücke - wie beispielsweise im Inneren der Sonne herrschen - oder spezielle Beschleuniger. Durch die mit derartigen Prozessen verbundenen Energien unterscheiden sich solche Kernumwandlungen von chemischen Reaktionen. Verbindungen enthalten verschiedene Atomsorten, Elemente enthalten Atome, deren Reaktivität alle gleich sind: Elemente enthalten nur eine chemisch unterscheidbare Atomsorte. Die Kernladungszahl und damit auch die Ordnungszahl aller Atome eines gegebenen Elements ist gleich. Im Falle der Reinelemente sind auch die Kernmassen aller Atome gleich. Bei den Mischelementen treten verschiedene Isotope auf, die sich chemisch praktisch nicht unterscheiden. Eine durch Ordnungszahl (Protonenzahl) und Neutronenzahl charakterisierte Atomsorte nennt man Nuklid. Isotope sind Nuklide eines Elements mit gleicher Ordnungszahl (Anzahl an Protonen), aber verschiedener Neutronenzahl.
- Das Periodensystem ist eine geordnete Auflistung aller Elemente; die Anordnung erfolgt nach der Kernladungszahl.
- Eine Chemische Formel gibt an, welche Elemente eine Verbindung enthält, gleichzeitig gibt sie also an, welche Atome ein Molekül oder eine Einheit der Verbindung enthält. Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle.
- Als Isomerie bezeichnet man das Auftreten verschiedener Moleküle mit derselben Summenformel. Ein Spezialfall ist die Stereoisomerie, siehe Stereochemie und Chiralität.
- Die Atome sind in Molekülen oder Salzen durch chemische Bindungen miteinander verknüpft.
- Chemische Reaktionen sind mit einem Energieumsatz, meist in Form von Wärme, verknüpft. Die chemische Thermodynamik befasst sich mit solchen Energie- und Wärmeänderungen und dem chemischen Gleichgewicht. Dieses ist erreicht, wenn chemische Reaktionen ablaufen können, aber kein Nettoumsatz mehr stattfindet. Das Massenwirkungsgesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen den Konzentrationen (oder genauer: den Aktivitäten) der Edukte und Produkte, die dann vorhanden sind.
- Die Zerlegung von Verbindungen nennt man Analyse. Im Gegensatz dazu ist die Synthese der Aufbau einer Verbindung. Auch die Untersuchung eines Stoffgemischs nennt man Analyse, siehe Analytische Chemie.
Stoffe und Stoffgruppen
Die Stoffe lassen sich nach verschiedenen Kriterien in Kategorien einteilen.
- Kohlenstoffhaltige Verbindungen fasst man als Organische Stoffe zusammen, alle anderen sind anorganische Stoffe.
- Metalle, Nichtmetalle und Halbleiter unterscheiden sich besonders in der elektrischen Leitfähigkeit.
- Säuren und Basen (gelöst als Lauge) geben Protonen ab oder nehmen sie auf. - Gleiche Stoffmengen an Säuren und Basen ergeben jeweils Wasser und ein Salz - Salzbildner
- Gruppen des Periodensystems, also Gruppen von Elementen, die im Periodensystem untereinander stehen und chemische Ähnlichkeiten miteinander aufweisen, sind zum Beispiel die Alkalimetalle, die Erdalkalimetalle, die Halogene und die Edelgase. Auch die laut Periodensystem nebeneinander auftretenden Übergangselemente, die Lanthanoiden und die Actinoiden haben viele Gemeinsamkeiten.
- Wichtige Stoffe sind beispielsweise Wasser, Kohlenstoffdioxid, Ammoniak, Butanol und Benzol.
- Kunststoffe werden auch als Polymere bezeichnet; sie werden aus den Monomeren hergestellt, die schließlich als vielfach wiederholte Bausteine den Kunststoff bilden.
- Echte Lösungen, Emulsion, Kolloid
Stofftrennung und Analyse
- Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen
- Die Trennung von Stoffgemischen und die Reinigung von Stoffen erfolgen meist mittels physikalischer Verfahren. Diese machen sich Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften wie zum Beispiel Dichte oder Siedepunkt zunutze und erfolgen ohne Stoffumwandlung. Dennoch gehören sie zu den wichtigsten und häufigsten Aufgaben des Chemikers.
- Adsorption - Chromatographie - Destillation - Extraktion - Filtration - Flotation - Magnetseparation - Sedimentation - Umkristallisieren - Zentrifugation - Zonenschmelzen
- Chemische Trennverfahren können beispielsweise auch zur Racematspaltung angewandt werden. Chemische Trennverfahren benutzen oft Fällungsreaktionen, um einen Stoff aus einer Lösung als Feststoff abzuscheiden. Eine Folge solcher Fällungsreaktionen ist der Trennungsgang.
- Analysenverfahren
- Spektroskopie: Atomabsorptionsspektroskopie - Augerelektronenspektroskopie - Fluoreszensspektroskopie - Infrarotspektroskopie - Kernresonanzspektroskopie - Massenspektroskopie - Mössbauerspektroskopie - Neutronenaktivierungsanalyse - Ramanspektroskopie - Photoelektronenspektroskopie
Chemische Reaktionen
- Eine chemische Reaktion ist eine Stoffumsetzung. Die Reaktionsgeschwindigkeit gibt an, wie schnell die Umsetzung verläuft; sie kann mit einem Katalysator beschleunigt werden.
- Die Verbrennung ist ein Spezialfall der Oxidation. Der Gegensatz davon ist die Reduktion. Oxidation und Reduktion treten in der Redoxreaktion gemeinsam auf.
- Säuren und Basen reagieren miteinander in der Säure-Base-Reaktion. Ein Spezialfall ist die Neutralisation; dazu müssen im einfachsten Fall der einwertigen und starken Säuren und Basen gleiche Stoffmengen von Säure und Base zusammengegeben werden.
- Die Zerlegung eines Stoffes nennt man auch Analyse. Bei der Synthese wird ein Stoff gezielt hergestellt, wobei oft ein Aufbau des gewünschten Moleküls in mehreren Schritten erfolgt. Die Planung einer Synthese, die von dem Zielmolekül rückwärts zu einfachen Stoffen erfolgt, nennt man Retrosynthese.