Lexikon: Chemie

 

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Image:Science-symbol-2.png|left|60px Die Chemie (von Arabische Sprache|arabisch al-kimiya' , dieses von griechische Sprache|griechisch χημεία, chemeia), eine exakte Naturwissenschaft, ist die Lehre vom Aufbau, Verhalten und der Umwandlung der chemischen Elemente und ihren Verbindungen sowie den dabei geltenden Naturgesetz|Gesetzmäßigkeiten.

Sie entstand in ihrer heutigen Form im 17. Jahrhundert|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 Lavoisier|Marie, Joseph-Louis Proust und Antoine Laurent de Lavoisier|Antoine Lavoisier und Justus von Liebig. Bild: Spiritusflamme_mit_spektrum.png

Was ist Chemie?

Stoff und Stoffumsetzung

Chemie ist die von den Stoff (Chemie)|Stoffen (Substanzen) und den Stoffumsetzungen (Chemische Reaktion|chemischen Reaktionen) und wird in mehrere Fachgebiete, u.a. die anorganische Chemie, die organische Chemie, die physikalische Chemie und die , getrennt. Sie beschäftigt sich in der Analytik damit, die uns umgebenden e in Reinstoffe aufzutrennen, und diese zu identifizieren. Eine weitere Hauptaufgabe, die Synthese (Chemie)|Synthese, ist die gezielte Herstellung von Stoffen, beispielsweise von naturidentischen Stoffen (etwa Farben, Aroma|Aromen oder n) und von Stoffen mit zweckmäßigen bzw. verbesserten Eigenschaften (zum Beispiel e, Pestizide und e).

Die beiden Hauptaufgaben der Chemie werden auch Chemische Analyse|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 Chemisches Element|Elemente, welche sich zu Chemische Verbindung|chemischen Verbindungen zusammenschließen. Eine Stoffumsetzung nennt man chemische Reaktion. Sie steht im Zentrum der Chemie.

Atom und Molekül

Bild: Atom.png-Atoms: Zwei en umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei en]] 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 () bestehen, die sich in der Anzahl an Neutronen im Kern unterscheiden. Verschiedene Isotope zeigen gleiches chemisches, aber unterschiedliches physikalisches Verhalten (z.B. , ). 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 e ganz bei einem Bindungspartner lokalisiert ist. Verbindungen in denen die Elemente kovalent miteinander gebunden sind nennt man e. 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 e sie enthält, sondern wie diese miteinander verbunden sind (siehe Chemische Bindung). Bei bestimmten chemischen Verbindungen, vor allem bei en, sind nicht nur die Bindungen zwischen den en maßgeblich für die chemischen Eigenschaften sondern auch die räumliche Ausrichtung dieser Chemische Bindung|Bindungen.

Die Herausforderung bei der Synthese (Chemie)|chemischen Synthese besteht in der Regel darin, selektiv Bindungen zwischen einzelnen en oder en zu knüpfen, um dadurch eine gewünschte Substanz herzustellen.

Definition der Chemie, Abgrenzung zur Atomphysik

Die Chemie ist die 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 en und Ionen sind Kenntnisse des baus (Atomkern, bestehend aus Protonen und en), sowie der Elektronenhülle von Bedeutung. Für die Chemie ist in vielen Fällen lediglich der Aufbau der Elektronenhülle eines s relevant. Die meisten chemischen Vorgänge spielen sich in ihr ab. Atome, die sich lediglich im Aufbau des Atomkern unterscheiden, sogenannte , 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. eine bedeutendere Rolle (z.B. Kernspaltung und ). 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 baus, wie z.B. den Elementarteilchen Quark (Physik)|Quarks, gehören nicht zur Chemie, sondern sind Bestandteil der .

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 üblich waren. Die mysteriöse Art ihrer Tätigkeit und die dabei fabrizierten farbigen n, oder Explosionen führten dazu, dass sie als Zauberer|Magier und Hexer bekannt und teilweise verfolgt wurden. Für ihre Experimente entwickelten die Alchemisten die gleichen Apparaturen, wie sie heute noch in der Chemische Verfahrenstechnik|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 . Kein Alchemiker hat allerdings je den Stein der Weisen entdeckt und im 17. Jahrhundert wurde die alchemistische Arbeitsweise durch liche 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.

Bild: Liebig_small.jpg

Entscheidende Impulse erhielt die Chemie als 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 ien waren der Auslöser für die bahnbrechenden Entwicklungen der Organische Chemie|organischen Chemie und der . Auf beiden Gebieten hatte man in bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts eine absolute Vorrangstellung. Dieser Wissensvorsprung ermöglichte es beispielsweise, den zur Führung des Erster Weltkrieg|ersten Weltkrieges notwendigen Sprengstoff statt aus importierten en mit Hilfe der aus dem der zu gewinnen (siehe ).

Die Autonomiebestrebungen der Nationalsozialisten gaben der Chemie als Wissenschaft weitere Impulse. Um von den Importen von 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 Radreifen|Fahrzeugreifen.

In der heutigen Zeit ist die Chemie ein wichtiger Bestandteil der Kultur|Lebenskultur geworden. Chemische Produkte umgeben uns überall, ohne dass wir uns dessen bewusst sind. Allerdings haben Unfall|Unfälle der chemischen Industrie|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. . 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 (Orbitalmodell|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 (). Eine gut beobachtbare chemische Reaktion ist die .

Haarfärbung, Verbrennungsmotoren, Handy-Displays, , 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) n. 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. 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 Chemisches Element|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 und , aber auch im Bereich der (zum Beispiel Herstellung neuer Supraleiter). An der Schnittstelle zwischen Chemie und hat sich als weites Fachgebiet die etabliert, die für das Verständnis der Lebensvorgänge, die untrennbar mit Stoffumsätzen verbunden sind, unentbehrlich ist. Dieser Sachverhalt wird manchmal mit dem Satz "Alles 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 en und bei der Herstellung von n 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 - ein sehr bedeutender Wirtschaftszweig: In Deutschland liegt der Erlös|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 oder her - oft im Maßstab von Millionen von Tonnen jährlich -, die sie dann zum Beispiel zur Produktion von n und en verwendet. Andererseits produziert sie viele komplexe Stoffe, insbesondere e, maßgeschneidert für spezielle Zwecke. Auch die Herstellung von n, Kraftstoff|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 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 bestimmt wird, die anorganische Chemie oft von Ion (Chemie)|Ionen, Kristallen, Komplexverbindungen und Kolloiden. Ein Gebiet, in dem sich die beiden Fachbereiche stark überlappen, ist die Organometallchemie.

Die in lebenden Organismus|Organismen vorkommenden und umgesetzten Stoffe sind Thema der . Die für lebende Organismen schädlichen Substanzen werden in der 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 Chemie|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.

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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


Kategorie:Naturwissenschaft

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