Chemie – die Frage nach dem Stoff

Chemie – die Frage nach dem Stoff Was fällt Ihnen als Erstes ein, wenn Sie an Chemie denken? Glasbecher mit klaren Flüssigkeiten, die plötzlich bunt werden, möglicherweise werden dabei auch Gerüche, Funken oder Rauchschwaden frei. Dieses Beispiel zeigt, dass bei chemischen Reaktionen irgendetwas geschieht, lässt aber völlig offen, was dies ist. Diesen Hintergrund aufzuspüren ist die Aufgabe der Chemie. Die Untersuchung farbiger Lösungen sowie der nach dem Trocknen verbleibenden Rückstände führte im Lauf der Jahrhunderte zur Entdeckung immer neuer chemischer Elemente und Verbindungen. Von den vier klassischen Elementen der abendländischen Philosophie – Erde, Feuer, Wasser und Luft – ist die Menge der naturwissenschaftlich gesicherten chemischen Elemente auf 115 angewachsen. Bereits im Namen der Chemie steckt eine enge Verbundenheit zur Handwerkskunst – über »Alchemie« leitet er sich vom arabischen »al-Kimiya« ab, das so viel wie »Kunst des Legierens von Metallen« bedeutet. Eines der Hauptziele der antiken und mittelalterlichen Alchimie war die Umwandlung von Eisen oder Blei in Gold. Die Versuche blieben erfolglos – doch sie waren nicht umsonst. Neben vielen noch heute gültigen Erkenntnissen wurde dabei unter anderem das bis dahin in Europa unbekannte Geheimnis der Porzellanherstellung gelüftet. Die wachsende wirtschaftliche Bedeutung der chemischen Industrie zeigte sich Ende des 19. Jahrhunderts, als chemische Farbstoffe den Anbau natürlicher Färbereipflanzen überflüssig machten. Die neuen Chemiefabriken wuchsen zu Giganten: In den 1920er und 1930er Jahren war die I. G. Farben das mächtigste deutsche Unternehmen. Heute umfasst das Themenspektrum der Chemie weit mehr als Analysieren oder Synthetisieren von neuen Verbindungen. Medizin, Biologie, Physik und Umweltwissenschaften profitieren von chemischen Erkenntnissen. Neue, grenzüberschreitende Forschungsgebiete sind entstanden wie Pharmazie, Biochemie oder Quantenchemie – mit immenser wirtschaftlicher Bedeutung, manche werden zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts gezählt. Chemiker: Vom Goldmacher zum Moleküldesigner Was ist Chemie? Chemie ist die Wissenschaft, die sich mit den Eigenschaften und der Umwandlung von Stoffen befasst. Sie untersucht sowohl die in der Natur vorkommenden als auch künstlich hergestellte Substanzen und analysiert ihren Aufbau aus den verschiedenen chemischen Elementen. Zentral ist dabei der Begriff der chemischen Reaktion: der Umwandlung eines oder mehrerer Stoffe in andere Substanzen. Der Ursprung des Worts »Chemie« – und damit die Entstehung der heutigen Naturwissenschaft – ist unklar. Die älteste Wurzel ist »chemi«, das ägyptische Wort für »schwarz«. Das Griechische machte daraus »chy-meia«, was so viel wie »Metallguss, Legierungskunst« bedeutete. Im Arabischen hieß dies »al-Kimiya«, in Europa wurde »Alchemie« daraus, später zu »Chemie« verkürzt. Die sprachlichen Wandlungen zeigen, dass die Metallverarbeitung eine der Wurzeln des Faches ist. Die »Chemie« befasste sich demnach auch schon in früher Zeit damit, neue Stoffe aus bekannten herzustellen und die Veränderung von Substanzen zu verstehen. Wie arbeiten Chemiker? Die Tätigkeit eines Chemikers oder einer Chemikerin besteht aus zwei Hauptaufgaben: der Analyse von bestehenden und der Synthese von neuen Substanzen. Chemische Analysen nutzen ein breites Arsenal unterschiedlichster Nachweismethoden, um die Bestandteile einer Substanz sowie deren mengenmäßige Anteile zu ermitteln, dabei werden sowohl chemische als auch physikalische Methoden genutzt. In Lebensmittelkontrolle, Umweltschutz und Kriminalistik sind solche Analysen unverzichtbar. Chemische Synthesen finden nicht nur in Universitätslaboren statt. Sie sind vor allem das tägliche Brot der vielen großen und kleinen Unternehmen der chemischen Industrie. Diese beliefert uns mit Produkten vom Lippenstift über die Plastiktüte bis zum Kunstdünger – und alle sind das Ergebnis chemischer Synthesereaktionen. Im Gegensatz zu heute haftete der Arbeit der mittelalterlichen Alchemisten der Ruf von Magie und Schwarzer Kunst an. Insbesondere ihre steten (erfolglosen) Versuche, wertloses Material in gediegenes Gold zu verwandeln, waren geheimnisumwittert und Quelle immer neuer Gruselgeschichten. Dabei wurde auch damals in den Laboratorien wenig »gezaubert«. Stattdessen pulverisierte, destillierte, kochte und vermischte man unterschiedlichste Materialien – ganz ähnlich wie heute! Was ist der »Stein der Weisen«? Der sagenhafte »Stein der Weisen« soll unedle Stoffe (»Dreck«) in Gold umwandeln und darüber hinaus auch gleich noch ein Elixier für das ewige Leben liefern. Demjenigen, der ihn besaß, versprach diese Verheißung unbegrenzten Reichtum und Macht. Die Suche nach dem Stein der Weisen beherrschte daher das Tun der mittelalterlichen Alchemisten. Zwar wurde das Ziel nie erreicht, dennoch entsprangen dem Tun der Alchemisten zahlreiche erfolgreiche Methoden und Produkte: Sie entwickelten das Schwarzpulver, Verfahren zur Aufarbeitung von Metallerzen und die Destillation von Alkohol. Gibt es Designermoleküle? Nicht in dem Sinne, dass Chemiker Moleküle mit besonders ansprechender Gestalt für reiche Käuferschichten kreieren würden. Doch mit Supercomputern lassen sich heute die Eigenschaften von noch gar nicht existierenden Molekülen so genau vorausberechnen, dass mit ihrer Hilfe Moleküle mit ganz bestimmten Fähigkeiten quasi am Reißbrett entworfen werden können. Derartige Computerprogramme greifen auf riesige Datenbanken zu, in denen die Eigenschaften fast aller bekannten chemischen Verbindungen gespeichert sind. Nachdem einige besonders viel versprechende »Designermoleküle« mit solch einem Supercomputerprogramm entworfen wurden, werden sie im Labor synthetisiert, um zu überprüfen, ob die gewünschten Eigenschaften tatsächlich vorliegen. Mit welchen Disziplinen ist die Chemie verwandt? Die Chemie hat Berührungspunkte mit Physik, Geowissenschaften und Biologie und spielt auch in der Medizin eine immer größere Rolle. Besonders eng verzahnt ist die Chemie mit der Physik, etwa wenn die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen untersucht wird. Die Chemie nutzt auch physikalische Analysemethoden, etwa die Röntgenstruktur- und die Spektralanalyse mithilfe von Laserlicht. Den Geowissenschaften hilft die Chemie bei der Untersuchung der Zusammensetzung von Gesteinen oder des Verhaltens von Schadstoffen in der Umwelt. Befasst sie sich mit Reaktionen und chemischen Grundlagen von Lebensvorgängen, wirkt die Biologie mit der Chemie zusammen, oft redet man hier auch einfach von »Biochemie«. Die »medizinische« Chemie beschreibt die Wirkung von Medikamenten auf molekularer Ebene. Dies greift die Pharmazie auf, die diese Substanzen herstellt. Die Labormedizin oder »klinische Chemie«, kommt ins Spiel, wenn Blut-, Urin- oder andere Proben analysiert werden sollen. Wussten Sie, dass … derselbe Stoffe unterschiedlich aussehen kann? Beispielsweise enthalten die (blaue) Kornblume und der (rote) Klatschmohn denselben Farbstoff. Der Saft der Kornblume ist allerdings basisch (seifig), Klatschmohn hingegen hat sauren Saft. es im 20. Jahrhundert tatsächlich gelungen ist, mit physikalischen Mitteln Quecksilber in Gold umzuwandeln? Dieses Gold ist jedoch um ein Mehrfaches teurer als »echtes« Gold. die moderne, auf überprüfbaren experimentellen Ergebnissen beruhende Chemie erst im Zeitalter der Aufklärung (Ende des 18. Jahrhunderts) entstand? Spekulative und quasireligiöse Theorien verloren seitdem auch hier ihre früher große Bedeutung. der Begründer der modernen Chemie, Antoine Lavoisier, in der Zeit der Französischen Revolution geköpft wurde? Daran war jedoch nicht seine wissenschaftliche Tätigkeit schuld, sondern seine »Vergangenheit« als königlicher Steuereinnehmer. Wie viele Elemente gibt es? Die moderne Chemie kennt 115 verschiedene chemische Elemente. Die meisten davon kommen in der Natur vor, etwa Gold, Eisen, Sauerstoff oder Kohlenstoff. Andere, insbesondere die schwersten, sind dagegen radioaktiv, d. h., sie wandeln sich nach einer gewissen Zeit in andere, leichtere Elemente um. Mithilfe von Teilchenbeschleunigern lassen sie sich heute künstlich herstellen, wobei manchmal auch neue, bisher unbekannte Elemente produziert werden. Zuletzt wurden im Jahr 2003 die Elemente mit den Ordnungszahlen 113 und 115 auf diese Weise »entdeckt«. Die Welt der Chemie: Elemente und Stoffe Was ist ein chemisches Element? Ein Element ist ein Grundstoff, der sich mit chemischen Mitteln nicht in weitere Bestandteile zerlegen lässt. Die Atome eines Elementes sind alle völlig gleichartig. Unterschiedlich ist nur die Art, ob und wie die Atome miteinander verbunden sind. Chemische Elemente sind beispielsweise Eisen, Stickstoff oder Quecksilber. Keine Elemente sind dagegen Wasser oder Luft: Wasser ist eine chemische Verbindung der Elemente Wasserstoff und Sauerstoff, Luft ein Gasgemisch, das sowohl gasförmige Elemente (Stickstoff, Sauerstoff, Argon und andere Edelgase) als auch Verbindungen (wie z. B. Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan) enthält. Während reine Elemente aus den Atomen des jeweiligen Elements zusammengesetzt sind, ist der Grundbaustein einer Verbindung ein Molekül. Bis heute sind 115 verschiedene Elemente bekannt. 93 kommen in der Natur vor, die übrigen lassen sich künstlich erzeugen. Praktisch alle besitzen ein oder mehrere Isotope. Was sind Isotope? Isotope sind Abwandlungen eines chemischen Elements. Bei einem Element und seinen Isotopen ist die Kernladungszahl im Atomkern (die Zahl der positiven Ladungen, also der Protonen) identisch, allerdings unterscheidet sich die Zahl der Neutronen, der neutralen Teilchen im Kern. Für die Chemie haben Isotope nur geringe Bedeutung, da sich alle Isotope eines Elements chemisch völlig identisch verhalten und nur mit physikalischen Verfahren getrennt werden können. Unterscheiden sich Stoffe nur in ihrer chemischen Zusammensetzung? Nein, doch die in einem Stoff vorkommenden Elemente sind der wichtigste ihre Eigenschaften beeinflussende Faktor. Oft bewirkt schon der Austausch eines einzigen Atoms in einem Molekül durch eines, das einem anderen Element angehört, ganz neue Eigenschaften der Verbindung! Es ist aber eben auch wichtig, wie die chemischen Elemente in einem Molekül miteinander verknüpft sind. So besteht ein Molekül Ether (ein Narkosemittel) genau wie ein Molekül Ethanol (Trinkalkohol) aus zwei Kohlenstoffatomen, sechs Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Da diese Elemente in beiden Molekülen jedoch unterschiedlich verknüpft sind, stellen Ether und Ethanol zwei verschiedene Substanzen mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften dar. Noch ähnlicher sind sich Diamant, Steinkohle und Graphit: Alle drei Stoffe sind nur aus Kohlenstoffatomen aufgebaut, doch ihre mechanischen und optischen Eigenschaften sind äußerst verschieden. Der Grund hierfür liegt darin, dass in diesen drei sog. Modifikationen des Kohlenstoffs die einzelnen Atome auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden sind. Noch erstaunlicher ist die Tatsache, dass bestimmte Biomoleküle sich biochemisch anders verhalten als ihre Spiegelbilder. So war der Wirkstoff, der den Contergan-Skandal in den 1960er Jahren auslöste, die gespiegelte Version einer ansonsten harmlosen Verbindung. Woher kommen die chemischen Elemente? Die Antwort liegt in den Sternen – ganz buchstäblich. Nach der Entstehung des Universums im Urknall bildeten sich zunächst nur die beiden leichtesten Elemente Wasserstoff und Helium sowie Spuren des nächstschweren Lithiums. Später ballten sich Wasserstoff- und Heliumatome zu Sternen zusammen, in deren Innern Kernfusionen die Energie freisetzen, welche diese riesigen Gasbälle leuchten lässt. Kernfusion aber bedeutet nichts anderes, als dass leichtere Elemente in schwerere umgewandelt werden. Denn der Hauptunterschied zwischen zwei Elementen ist die elektrische Ladung der jeweiligen Atomkerne und die addiert sich, wenn zwei Kerne verschmelzen. In normalen Sternen können Elemente bis zum Eisen entstehen. Größere und schwerere Elemente werden kurz vor oder während einer Supernova, einer gewaltigen Sternenexplosion, erzeugt. So ist alles Silber, Gold und Blei auf der Erde das Produkt einer solchen Supernova in der fernen kosmischen Vergangenheit. Man könnte also mit Recht sagen, dass die gesamte Erde mit all ihren Bewohnern inklusive uns Menschen größtenteils aus Sternenstaub besteht. Wieso finden sich die Elemente zu Verbindungen zusammen? Weil in der den Atomkern umgebenden Elektronenwolke bei allen Elementen mit Ausnahme der Edelgase (und mit Einschränkungen auch der Edelmetalle) zu viele oder zu wenige Elektronen im Vergleich zum energetisch optimalen Zustand vorhanden sind. Der Ausgleich dieser Unterschiede erfolgt durch Bildung einer chemischen Verbindung, wenn also ein »Lückenelement« wie etwa Sauerstoff sich mit einem »Überschusselement« wie Eisen zusammentut (in diesem Fall ist das Ergebnis Rost). Was ist ein Atommodell? Allgemein gesagt eine Vorstellung, wie diese sinnlich nicht erfahrbaren, submikroskopischen Materiebausteine aufgebaut sind. In der modernen Wissenschaft handelt es sich dabei in der Regel um mathematische Formeln und Gleichungssysteme, doch es gibt auch recht anschauliche Formulierungen, die der Wahrheit recht nahe kommen. Für die Chemie und die chemische Bindung genügt oft das Atommodell des dänischen Physikers Niels Bohr (1885–1962). Ihm zufolge bestehen Atome aus einem Kern, der von Elektronen umkreist wird, so wie die Sonne von den Planeten. Dieses Modell lässt sich aber nicht in Einklang mit der Quantenmechanik bringen und wurde daher durch das sog. Schalenmodell ersetzt. Dabei werden nicht mehr die Aufenthaltsorte einzelner Elektronen betrachtet. An deren Stelle treten den Atomkern umgebende Schalen und Unterschalen, in denen sich von innen nach außen immer mehr Elektronen befinden können. Der wichtigste Grundsatz des Schalenmodells ist, dass bei aufeinanderfolgenden chemischen Elementen (also zunehmender Kernladungszahl) die Schalen von innen nach außen gefüllt werden. Das bedeutet, dass bei den Elementen Wasserstoff und Helium, die ein bzw. zwei Elektronen besitzen, nur die innerste Schale gefüllt ist, welche zwei Elektronen aufnimmt. Die nächsten Schalen können dann bereits 8, 18 und 32 negative Ladungsträger enthalten. Die am weitesten außen sitzenden Elektronen sind gewöhnlich diejenigen, welche die chemischen Bindungen bewirken, man bezeichnet sie auch als »Valenzelektronen«. Lassen sich die Elemente systematisch anordnen? Ja, im sog. Periodensystem der chemischen Elemente. Dem liegt zum einen die Idee zugrunde, dass die Ladung des Atomkerns (die zugleich die Anzahl der Elektronen in der Atomhülle angibt) das entscheidende Ordnungsmerkmal der Elemente ist. Man bezeichnet diese Kernladungszahl deshalb auch als Ordnungszahl (OZ). Wasserstoff als das leichteste Element, dessen Kern eine elektrische Elementarladung trägt, hat die OZ 1, Helium mit zwei Ladungseinheiten ist Element Nr. 2, Kohlenstoff 6 und Uran 92. Das schwerste bekannte Element hat die Ordnungszahl 115, und es ist mit der Entdeckung noch schwererer Elemente zu rechnen. Zum anderen spiegelt sich im Periodensystem die Schalenstruktur der Elektronenhülle wider. Das Periodensystem wird nämlich gemeinhin als Tabelle dargestellt, deren Zeilen –die Perioden – Elemente einnehmen, deren äußerste Elektronen in derselben Schale sitzen. Die Spalten der Tabelle bilden die sog. Elementgruppen (z. B. Alkalimetalle, Halogene oder Edelgase). Diese weisen jeweils ähnliche chemische Eigenschaften auf. Dies liegt daran, dass sie zwar unterschiedlich viele Elektronenschalen besitzen – die jeweils äußerste Schale ist aber bei ihnen immer mit der gleichen Anzahl von Elektronen gefüllt. Und da die Elektronen der äußersten Schale die chemischen Eigenschaften eines Elements prägen, verhalten sich die Gruppenmitglieder jeweils ähnlich. Warum wurde das Periodensystem entwickelt? Der russische Chemiker Dimitrij Mendelejew (1834–1907) ordnete die damals bekannten 60 chemischen Elemente nach Ähnlichkeiten und fand dabei Lücken in seinem System. Ende der 1860er Jahre veröffentlichte er Vorschläge zur Neuordnung der Elemente; unabhängig und fast zeitgleich hatte der Deutsche Lothar Meyer (1830–1895) dasselbe System erfunden. Der entscheidende Fortschritt gegenüber früheren Versuchen bestand darin, dass Meyers und Mendelejews Periodensysteme den chemischen Eigenschaften den Vorrang vor der Masse als Kriterium gaben und damit erstmals die Elemente Tellur und Iod aus heutiger Sicht korrekt anordneten. In den 1870er Jahren machte Mendelejew die damals sehr gewagte Vorhersage, dass für jede Lücke in seinem Periodensystem ein bisher unentdecktes Element stehen müsse. Und nicht nur dies: Er konnte auch deren chemische Eigenschaften und ihre ungefähre Atommasse »prophezeien«. Als dann tatsächlich die Metalle Gallium (1875) und Germanium (1886) mit genau den von Mendelejew vorausgesagten Eigenschaften entdeckt wurden, war Mendelejews Triumph perfekt. Meyers System geriet jedoch in Vergessenheit. Übrigens: Mitte des 20. Jahrhunderts wurde Mendelejew selbst im Periodensystem verewigt: Das 1955 entdeckte radioaktive Element 101 erhielt ihm zu Ehren den Namen Mendelevium. Das stabilste Isotop dieses Elements zerfällt mit einer Halbwertszeit von 51,5 Tagen. Was ist eine Verbindung? Verbindungen bestehen aus chemischen Elementen, die durch Bindungskräfte zusammengehalten werden. Sie heißen auch Moleküle. Im Wesentlichen kommen vier verschiedene Bindungsarten in der Chemie vor, die alle auf elektromagnetischen Kräften beruhen. In den meisten Fällen teilen sich die beteiligten Atome ein oder mehrere Elektronen, bisweilen sind es nur die Anziehungskräfte zwischen Atomen und Elektronen, die eine chemische Bindung ermöglichen. Aus dem Gemisch dieser vier Kräfte entstehen die, besonders in der Biochemie, oft komplexen Formen der chemischen Verbindungen. Was stellten sich die Menschen früher unter den Elementen vor? Die im Abendland verbreitete Vier-Elemente-Lehre wurde erstmals von dem griechischen Philosophen Empedokles im 5. Jahrhundert v. Chr. aufgeschrieben, ist jedoch vermutlich noch weit älter. Danach ist die gesamte Natur aus den Grund-»Essenzen« Feuer, Wasser, Erde und Luft aufgebaut. Aristoteles fügte eine fünfte Essenz, also eine »Quintessenz«, hinzu: den Äther. Dieses sagenumwobene fünfte Element kam noch in den letzten Jahren in einem Actionfilm zu Ehren. In China hingegen ging man immer von fünf Ursubstanzen aus: Holz, Feuer, Erde, Metall und Wasser. Diese ursprünglich daoistische Einteilung findet man auch bei den im Westen verbreiteten Lehren des Fengshui und Qigong wieder. Wussten Sie, dass … das mit Abstand häufigste Element des Universums Wasserstoff ist? Das häufigste Element auf der Erde ist Silicium, gefolgt von Sauerstoff. die einzigen bei »Normalbedingungen« flüssigen Elemente Brom und Quecksilber sind? Helium das einzige Element ist, das selbst am absoluten Temperaturnullpunkt nicht fest wird? Es kann dazu nur durch starken Druck gezwungen werden. nicht nur nach Deutschland (Germanium, Ge) und Frankreich (Francium, Fr) ein Element benannt worden ist, sondern auch nach dem Land Hessen und der Stadt Darmstadt? Es handelt sich um die überschweren und sehr kurzlebigen Transurane »Hassium« (Hs) und »Darmstadtium« (Ds), die beide in Darmstadt entdeckt wurden. quantenmechanische Rechnungen vorhersagen, dass Elemente mit Ordnungszahlen im Bereich um 120 möglicherweise stabile Isotope besitzen könnten? Diese würden dann neuartige Werkstoffe mit ungeahnten Eigenschaften darstellen und wären vermutlich wertvoller als alle Edelmetalle der Welt zusammen. Gibt es alle Elemente in der Natur? Nein, einige wenige Elemente im Periodensystem nämlich Technetium, Promethium und alle Elemente jenseits von Uran sind radioaktiv mit so kurzen Halbwertszeiten, dass sie in der Natur nicht vorkommen können. Sie sind dennoch von Interesse, weil sie wertvolle Informationen für die Kernphysik liefern und medizinische Anwendungen ermöglichen. Aggregatzustände: Erscheinungsformen der Materie Was sind Aggregatzustände? Die drei verschiedenen Zustandsformen einer Substanz: fest, flüssig oder gasförmig. Im Gegensatz zum Atomgewicht oder der Ordnungszahl der enthaltenen Elemente ist der Aggregatzustand eines Stoffes keine Eigenschaft, die zu seiner Charakterisierung herangezogen werden kann. Im Gegenteil: Jede Substanz kann durch eine geeignete Kombination aus Temperatur und Druck fest, flüssig oder gasförmig gemacht werden. Generell bewirkt dabei Erwärmen eine »Auflockerung« – fest wird flüssig, flüssig wird gasförmig –, zunehmender Druck erreicht das Gegenteil. Bei manchen Stoffen ist es etwas mühsam, sie in einen gewünschten Aggregatzustand zu bringen: So wird Kohlendioxid nur unter hohem Druck flüssig und Helium gefriert ebenfalls nur unter großem Druck. Der Begriff Aggregatzustand kommt von dem lateinischen Wort aggregare für »zusammenlagern«. Und genau darum geht es hier: ob und wie sich die Atome bzw. Moleküle einer Substanz zu größeren Aggregaten zusammenfinden. Was ist an Wasser so besonders? Es ist in allen drei Aggregatzuständen Teil unseres Alltags. Als Eis ist Wasser hart und fest. Es behält die Form bei, in der es eingefroren wurde, etwa die Form eines Eiswürfelbehälters. Das Volumen eines Eiswürfels ändert sich zwar geringfügig mit der Temperatur, doch merkliche Formänderungen erreicht man nur durch Einsatz äußerer Kräfte (zum Beispiel mit einem Eispickel). Schmilzt Eis, wird es also flüssig, ist es vorbei mit der Formstabilität. Ohne Behälter würde das Wasser so lange nach unten fließen, bis es auf eine wasserundurchlässige Sperre träfe. Wird das Schmelzwasser allerdings in demselben Behälter aufgefangen, in dem der Eiswürfel ursprünglich entstanden war, dann sieht man, dass es in etwa das gleiche Volumen einnimmt wie der Eiswürfel. Und mit einer Waage kann man feststellen, dass die Masse beim Schmelzen exakt gleich geblieben ist. Lässt man Wasser in einem Glas stehen, scheint es zu verschwinden. Bei dieser sog. Lufttrocknung verdunstet die Flüssigkeit allmählich, d. h., Wassermoleküle treten in die Gasphase und werden so Teil des Gasgemischs Luft. Würde man das Wasser auf 100 °C erhitzen, so könnte man diesen Vorgang in kurzer Zeit erzwingen. Auch dann lässt sich feststellen (z. B. wenn der Dampf in einem Ballon aufgefangen wird), dass die Masse gleich bleibt. Allerdings ist nun das Volumen viel größer als beim Eis oder beim flüssigen Wasser. Und bei weiterem Erwärmen des Ballons stellt man fest, dass dessen Ausdehnung sich mit der Temperatur deutlich ändert. Was geschieht beim Sieden und Gefrieren? Die Wärmeenergie der betrachteten Substanz über- bzw. unterschreitet einen Schwellenwert, bei dem sie die natürlichen Bindungskräfte zwischen den Atomen oder Molekülen gerade kompensieren kann. Man erinnert sich vielleicht noch an den Schulunterricht: Wärme ist die ungerichtete Bewegungsenergie von Atomen und Molekülen. Ist diese Energie gering, so reicht sie nur aus, um die fest aneinander gebundenen Bausteine eines Festkörpers (auch Kristall genannt) um ihre Ruhelage schwingen zu lassen. Wird der Gefrier- bzw. Schmelzpunkt überschritten, so ist die Wärmeenergie groß genug, damit sich die Teilchen gegeneinander verschieben und ihre Plätze tauschen können, sie kommen jedoch nicht vollständig voneinander los – der Stoff ist flüssig geworden. Am Siedepunkt schließlich übersteigt die Wärmeenergie alle Anziehungskräfte zwischen den Molekülen. Sie können sich frei und unabhängig voneinander bewegen, die Substanz ist zu Gas geworden. Kann man Stoffe elektrisch verfestigen? Ja, die Flüssigkristalle. Sie sind aus langen, stäbchenförmigen Molekülen aufgebaut. In Abwesenheit elektrischer Felder sind diese, wie die Moleküle in normalen Flüssigkeiten, frei gegeneinander beweglich. Legt man aber eine elektrische Spannung an, dann richten sich die molekularen Stäbchen plötzlich parallel zueinander aus und bilden eine kristallartige Struktur. Dadurch ändert sich ihre Lichtdurchlässigkeit. Fachsprachlich sagt man, das Licht werde im Flüssigkristall polarisiert. Für einfache LCDs wie die in Digitaluhren genügt der erste Effekt: Das elektrische Feld schaltet die Anzeigeelemente zwischen »hell« und »dunkel«. Ausgefeiltere Geräte benutzen sog. Polarisatoren, mit denen sich komplexere Lichteffekte erzielen lassen. Flüssigkristalle sind nur ein Beispiel für eine ganze Klasse von Stoffen, die im festen und/oder flüssigen Zustand von dem oben beschriebenen einfachen Modell Abweichungen zeigen. Ein Beispiel, das jedem bekannt ist, ist Eiweiß. Dieses ist bei Raumtemperatur flüssig, wird jedoch beim Kochen fest und bleibt dies auch, wenn es wieder abgekühlt ist. Dies liegt daran, dass die langen, kettenartigen Eiweißmoleküle miteinander verkleben, wenn die Temperatur deutlich über 40 °C steigt. Gibt es noch weitere Aggregatzustände? Ja. Im Alltag treten sie nur selten in Erscheinung, doch Chemie und Physik haben im Laufe der Zeit weitere Zustandsformen der Materie gefunden, die bisweilen als vierter, fünfter usw. Aggregatzustand bezeichnet werden. Bei hohen Energien geben die Atome eines Stoffes ihre Elektronen nach und nach ab, dieser Zustand heißt Plasma und ist eine Art Gas mit elektrisch geladenen Bestandteilen. In Energiesparlampen und (natürlich) Plasmabildschirmen ist dieser Zustand zu finden. Bei extrem niedrigen Temperaturen, die nur Bruchteile eines Grads über dem absoluten Nullpunkt liegen, kann es zur Bildung eines sog. Bose-Einstein-Kondensats kommen. Dieser exotische Aggregatzustand lässt alle Atome zu einem einzigen Quantenobjekt verschmelzen; er ist seit seiner Entdeckung in den 1990er Jahren Gegenstand intensiver Forschung. Wussten Sie, dass … man den direkten Übergang zwischen Festkörper und Gas, wie er bei Kohlendioxid auftritt, Sublimation nennt? Trockeneis gefrorenes Kohlendioxid ist? man zwischen kristallinen und amorphen Festkörpern unterscheidet? Erstere sind aus einem oder mehreren durchgehenden dreidimensionalen Gittern aus miteinander verbundenen Atomen aufgebaut, Letztere weisen keine solche Struktur auf. zur »weichen Materie« die meisten Kunststoffe zählen und paradoxerweise auch das gar nicht weiche Glas? Aber diese Stoffe sind alle dadurch gekennzeichnet, dass sie keinen festen Schmelzpunkt haben, sondern bei Erhitzung langsam dünnflüssig werden. der Firmenname »Osram« sich aus den beiden Metallen »Osmium« und »Wolfram« zusammensetzt? Diese haben extrem hohe Schmelzpunkte von über 3000 °C, was sie zum idealen Material für die Glühfäden von Glühbirnen macht. Helium zwar bei Normaldruck niemals fest wird, jedoch unterhalb von etwa 4 Kelvin (– 269 °C) in einen sog. superflüssigen Zustand übergeht, in dem es ohne Reibung fließen kann? Chemische Reaktionen: Gestaltung, Umgestaltung Was heißt »Reaktion«? Eine chemische Reaktion ist eine Stoffumwandlung, deren Produkt andere Eigenschaften hat als die Ausgangsstoffe haben, die man auch »Edukte« nennt. Beim Ablauf einer Reaktion können sich verschiedene Begleiterscheinungen zeigen: Energie in Form von Wärme kann freigesetzt oder verbraucht werden, Rauch und/oder Gase können sich entwickeln, Stoffe sich absetzen, Licht kann ausgesandt werden, oder es sind Geräusche zu hören. Manchmal ist das Ergebnis einer Reaktion nicht direkt zu beobachten, da Aussehen, Geruch etc. der beteiligten Stoffe sich nicht geändert haben. Erst wenn geeignete Hilfssubstanzen verwendet werden – z. B. Indikatorpapiere oder Nachweisreagenzien –, zeigt ein Farbumschlag, dass eine Reaktion stattgefunden hat. Andere Reaktionen sind allerdings sehr wohl zu bemerken und mitunter sehr eindrücklich, etwa Explosionen von Sprengladungen oder Treibstoff. Eine chemische Reaktion meint also etwas anderes als in der Umgangssprache: Im Alltag reagiert man auf Situationen oder Ereignisse. Laufen Reaktionen immer gleich schnell ab? Ganz und gar nicht! Chemische Reaktionen können sehr langsam oder sehr schnell ablaufen. Ein Beispiel einer langsamen Reaktion ist das Verrosten von Eisen. Eine schnelle Reaktion ist dagegen diejenige von Kalium in Wasser: Sie verläuft unter Abgabe von Licht und Wärme, zusätzlich entwickelt sich Rauch. Noch schneller ist die Explosion von Schwarzpulver bei einem Feuerwerk oder von Benzin im Automotor. Die Geschwindigkeit einer Reaktion hängt immer sowohl von den beteiligten Substanzen als auch von den Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder pH-Wert (Säuregehalt) ab. Allgemein gilt, dass Reaktionen umso schneller ablaufen, je höher die Temperatur ist. Der schwedische Chemiker Svante Arrhenius (1859–1927) fand hierzu eine heute nach ihm benannte Gleichung. Anwenden kann man sie z. B. beim Entkalken eines Wasserkochers: Mischt man den Essig mit heißem Wasser, löst sich der Kalkbelag um ein Vielfaches schneller als in kalter Essiglösung. Was passiert bei einer chemischen Reaktion? Atome gehen neue chemische Bindungen ein – werden zu Molekülen oder Teilchenverbänden –, lösen bisherige Bindungen oder es geschieht beides zugleich. Es gibt verschiedene Wege, wie sich Atome binden können. Dabei spielen elektrische Anziehungskräfte, aber auch das Bestreben der Atome, ihre Elektronenschalen möglichst vollständig zu besetzen, eine Rolle. Doch nicht nur Atome, auch Moleküle können miteinander reagieren. Die Elektronen gruppieren sich immer so, dass sie solche Plätze in den Schalen einnehmen können, die möglichst nah am Atomkern liegen. »Tun« sich nun Atome mit anderen »zusammen« – gehen sie eine chemische Bindung ein –, so können besonders viele Elektronen auf solche bevorzugten Plätze gelangen. Je nachdem, wie die Elektronenschalen bei den Bindungspartnern besetzt werden, kann es zu ganz unterschiedlichen Bindungsformen kommen. Es gibt die Atom- oder kovalente Bindung, die Ionenbindung und die Metallbindung. Erstere beruht darauf, dass Elektronen quasi beiden Bindungspartnern gleichzeitig gehören. Die Ionenbindung rührt von der elektrischen Anziehung zwischen geladenen Atomen (»Ionen«) her. Die Metallbindung ist ein Spezialfall der kovalenten: Hier sind die Elektronen der äußeren Schalen der Atome im ganzen Metallkörper frei beweglich und gehören allen Atomen gemeinsam. Bei allen drei Bindungstypen ist der gebundene Zustand für die beteiligten Atome und Moleküle energetisch günstiger als der ungebundene. Damit lässt sich verstehen, was bei einer Reaktion im Einzelnen geschieht, z. B. bei der Bildung von Kochsalz (Natriumchlorid): Kommen sich ein Natrium- und ein Chloratom nahe genug, so ist es für beide energetisch günstiger, wenn ein Elektron das Natriumatom verlässt – wodurch dieses zu einem positiv geladenen Ion wird – und zum Chloratom hinüberwechselt. Aus dem Chloratom ist jetzt ein negatives Chlorion geworden. Allein durch den Elektronenwechsel kommt es bereits zur chemischen Bindung. Diese wird noch dadurch verstärkt, dass sich die entgegengesetzt geladenen Ionen elektrisch anziehen. Verbinden sich nicht nur einzelne, sondern sehr viele Natrium- und Chlorionen miteinander, so entsteht ein Salzkristall. Welche Typen von Verbindungen gibt es? Moleküle und Teilchenverbände. Beide Verbindungsarten unterscheiden sich durch ihren Aufbau. In Molekülen sind Atome desselben Elements oder verschiedener Elemente zu kleinsten Einheiten – eben den Molekülen –zusammengetreten. Innerhalb eines Moleküls sind die Atome fest aneinander gebunden, und zwar mittels kovalenter Bindung. Ein Teilchenverband dagegen besteht aus einer großen Zahl von Atomen, die durch Ionen- oder Metallbindung miteinander verbunden sind. Bestehen die Moleküle aus nur einem Element, dann spricht man von Elementmolekülen, ein Beispiel ist das Sauerstoffmolekül. Bestehen Moleküle dagegen aus verschiedenen chemischen Elementen, werden sie Verbindungsmoleküle genannt, wie im Beispiel des Wassermoleküls, das aus Wasserstoff und Sauerstoff gebildet wird. Auch Teilchenverbände bestehen aus einem einzelnen Element oder aus einer Elementmischung. Graphit ist z. B. ein Teilchenverband, der sich nur aus dem Element Kohlenstoff zusammensetzt, Kochsalz ein Teilchenverband aus mehreren Elementen: aus Natrium und Chlor. Was hält Eis zusammen? Es sind sog. Wasserstoffbrückenbindungen. Wie andere Feststoffe besteht auch Wassereis aus einem regelmäßigen Gitter, dessen Grundbaustein in diesem Fall das Wassermolekül (H 2 O) ist. Zwischen den Wasserstoffatomen eines Moleküls und und dem Sauerstoffatom eines benachbarten Moleküls herrscht eine im Vergleich zur Bindung im Kochsalz schwache elektrische Anziehung, die aber bei einer Temperatur von 0 °C oder darunter ausreicht, damit sich die Wassermoleküle zu einem Gitter zusammenfinden. Was hatte Goethe mit Chemie zu tun? Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832) war nicht nur Dichter, sondern sah sich selbst auch als Naturwissenschaftler und beschäftigte sich u. a. mit chemischen Reaktionen. Diese hatte ein Chemiker vor ihm als »Wahlverwandtschaften« von Stoffen bezeichnet, die sich »zueinander hingezogen« fühlen. Goethe griff dies auf und übertrug es in seinem Roman »Die Wahlverwandtschaften« auf zwischenmenschliche Beziehungen. Und auch der Vers »Gestaltung, Umgestaltung, Des ewigen Sinnes ewige Unterhaltung« (Schlussszene Faust II) spiegelt Goethes Weltbild und Naturverständnis wider, das geistige wie natürliche Stoffe in ewiger Umwandlung begriff. Wussten Sie, dass … in vielen Gemüsegärten ein guter Säureindikator wächst? Der Saft von gekochtem Rotkraut (Rotkohl) färbt sich rot, wenn die Flüssigkeit leicht sauer ist. Wird das Kraut in einer basischen Umgebung gekocht (z. B. mit Natron), färbt sich die Flüssigkeit blau, es wird zum Blaukraut. man die Reaktionsgeschwindigkeit mithilfe von sog. Katalysatoren erheblich erhöhen kann? fast alle Lebensvorgänge wie Atmung, Verdauung oder die Umsetzung des genetischen Codes auf chemischen Reaktionen beruhen? Katalysatoren: Nicht nur im Auto Welche Stoffe reagieren ohne Reaktion? Katalysatoren – Moleküle oder Atome, die an einer Reaktion teilnehmen, diese sogar erheblich beschleunigen, selbst aber unverändert bleiben. Dieses Verhalten ist beileibe keine Kuriosität, die nur für Fachleute interessant wäre. Weil Katalysatoren »ohne Reaktion« Umwandlungen anderer Stoffe fördern, genügt eine kleine Menge an Katalysatormaterial, um eine im Prinzip unendlich große Menge eines anderen Stoffes zu verändern. Und dies ist nicht nur die Grundlage von vielen, meist sehr gewinnträchtigen Prozessen in der chemischen Industrie, sondern ist ein Vorgang, ohne den kein Lebewesen existieren könnte. Aus historischen Gründen werden allerdings Biomoleküle, die Reaktionen wie etwa die Verdauung katalysieren, meist »Enzyme« und nicht »Biokatalysatoren« genannt. Was entfernt Ei, Blut und Kakao aus schmutziger Wäsche? Die Enzyme Amylase (Kakao und Stärke) und Proteinase (Eiweiß und Blut), die in geringer Menge jedem Waschmittel beigefügt sind. Beide Moleküle kommen in praktisch allen Organismen vor und helfen diesen, komplexere Biomoleküle in ihre Bestandteile zu zerlegen. Amylase beispielsweise wird beim Menschen in den Speicheldrüsen und im Pankreas (der Bauchspeicheldrüse) gebildet und sorgt dafür, dass Brot nach längerem Kauen einen süßlichen Geschmack erhält: Es zerlegt die im Mehl enthaltene Stärke in einzelne Zuckermoleküle. Weitere waschaktive Biokatalysatoren sind Lipasen (Abbau von Butter, Öl und anderen Fetten) und Cellulasen. Letztere zerlegen Cellulose, Grundbaustein pflanzlicher Zellwände und häufigste organische Verbindung auf der Erde. Was ist ein 3-Wege-Kat? Wie der Name schon andeutet, ein Katalysator, der den Abbau von schädlichen Verbindungen in Autoabgasen befördert. Er besteht aus einem hochporösen Keramikträger, der mit einer hauchdünnen Lage eines katalytisch aktiven Edelmetalls, normalerweise Platin, beschichtet ist. An deren Oberfläche lagern sich unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Kohlenmonoxid an, zersetzen sich und werden als unschädliche Abbauprodukte wieder abgegeben. »3-Wege-Katalysator« nennt man den am häufigsten eingesetzten Abgaskatalysatortyp, da er die drei genannten Schadstoffgruppen parallel, also auf »drei Wegen« behandelt. Er funktioniert jedoch nur, wenn der Sauerstoffanteil im Luft-Kraftstoff-Gemisch genau geregelt wird, hierzu dient die sog. Lambdasonde. Stecken Katalysatoren nur im Auspuff? Nein, auch an einer anderen Stelle spielen Katalysatoren eine zunehmend wichtige Rolle im Automobil. Und zwar werden sie benötigt, um den Brennstoff für den zukunftsträchtigen Antriebstyp »Brennstoffzelle« aufzubereiten. Klassische Brennstoffzellen verbinden Wasserstoffgas mit Luftsauerstoff zu Wasserdampf. Dabei wird auf sehr effiziente Weise eine elektrische Spannung erzeugt, mit der ein Elektromotor angetrieben werden kann. Wasserstoff ist aber in Reinform schwer zu handhaben und auch noch recht teuer. Deswegen haben Ingenieure einen Weg ersonnen, aus Methanol (Methylalkohol) oder anderen Kohlenwasserstoffen mithilfe eines Katalysators Wasserstoff zu gewinnen, der dann in die Brennstoffzelle eingespeist werden kann. Dieser Vorgang heißt auch »Reformierung«. Wer führte den Begriff »Katalyse« ein? Der berühmte schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius (1779–1848). Er prägte das Fachwort »Katalyse« im Jahr 1835. Er ging dabei von dem griechischen Wort Katalysis aus, was »Auflösung« bedeutet. Doch beschreibt dies eigentlich nur einen Teil der katalytischen Prozesse, denn genau gibt es Reaktionen, bei denen Stoffe mithilfe eines Katalysators beschleunigt miteinander verbunden werden. Übrigens: Die chinesische Sprache bezeichnet die Katalyse als »tsoo mei«, was wörtlich übersetzt »Heiratsvermittlung« bedeutet. Damit wird gerade die andere Seite der Medaille betrachtet, die »Verkupplung« chemischer Elemente zu mehr oder weniger stabilen Paaren. Man könnte also sagen, dass das ganze Wesen der Katalyse, nämlich die Beschleunigung sowohl von Auf- als auch Abbaureaktionen, sprachlich nur von Ost und West gemeinsam erfasst wird. Gibt es Biokatalyse ohne Enzyme? Obwohl es eigentlich ein Widerspruch in sich ist, wurden Prozesse entdeckt, bei denen in einer Zelle eine Katalyse geschieht, ohne dass Enzyme beteiligt sind. Gefunden wurden solche Reaktionen bei einem zu den Archaebakterien zählenden Einzeller. Dies ist eine Gruppe von meist sehr extreme Lebensräume besiedelnden Organismen, die weder mit den Bakterien noch höheren Lebewesen wie Tieren und Pflanzen verwandt sind. In solchen Mikroorganismen wurde nachgewiesen, dass Stoffe wie das Mineral Pyrit (Eisensulfit) Stoffwechselreaktionen per Katalyse beschleunigen. Dies ist aus folgendem Grund interessant: Zur Entstehung des Lebens waren sicherlich katalytische Reaktionen erforderlich, doch Enzyme gab es damals noch nicht, sie wurden ja erst im Laufe der Evolution entwickelt. Anorganische Katalysatoren wie das erwähnte Pyrit könnten deshalb – etwas pathetisch ausgedrückt – die Hebammen bei der Geburt des Lebens selbst gewesen sein! Wussten Sie, dass … der 3-Wege-Katalysator nur bei Autos mit Ottomotor eingesetzt werden kann? Für Dieselfahrzeuge wurde der sog. Diesel-Oxidationskatalysator entwickelt, der außer Platin auch Palladium enthalten kann. 3-Wege-Kats im Verdacht stehen, Ammoniak zu produzieren, das wie Gülle zu einer Überdüngung von Pflanzen in der Nähe von Straßen führt? schon 1783 der britische Theologe und Chemiker Joseph Priestley (1733 bis 1804) eine katalysierte Reaktion beschrieb (Alkohol bzw. Ethanol wurde mithilfe von Tonmineralen zu Ethen umgesetzt)? bei 80 % aller chemischen Erzeugnisse ein Katalysator im Herstellungsprozess eingesetzt wird? katalytische Prozesse auch bei Photosynthese und Atmung vorkommen? Säuren und Basen: Ätzend, aber wichtig Warum sind Säuren und Basen so ätzend? Der Grund für die Aggressivität, mit der starke Säuren andere Materialien angreifen, ist, dass sie sehr viele Protonen, oder, was das Gleiche ist, elektrisch positive Wasserstoff-Ionen enthalten. Diese sind hochreaktiv und können darum fast alle anderen Stoffe und Chemikalien anätzen oder sogar vollständ