Chemische Grundbegriffe

Der Artikel Chemische Grundbegriffe führt kurz in die grundlegenden Bezeichnungen und Begriffe der Chemie ein und verweist auf die jeweiligen Fachartikel.

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Grundlegende Begriffe und Konzepte der Chemie

Stoffe, Substanzen, Verbindungen

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 gemeinsam („flüssig“, „farblos“ und viele mehr), dass man beides unter dem Stoffnamen „Wasser“ zusammenfasst.

Gemisch – Verbindung – Element

Stoffgemische lassen sich mit mechanischen Methoden wieder voneinander trennen (Beispiel: Zucker und Zimt; Sauerstoff und Stickstoff der Luft). Als Reinstoffe bezeichnet man chemisch einheitliche Substanzen. Das sind einerseits die chemischen Verbindungen, die sich mit chemischen oder thermischen Methoden wieder in ihre Bestandteile zerlegen lassen (Beispiele: Wasser, Kochsalz, Zucker). Das sind andererseits die chemischen Elemente, die sich mit chemischen oder thermischen Methoden nicht weiter zerlegen lassen (Beispiele: Gold, Eisen, Aluminium, Sauerstoff).

Verschiedene Elemente unterscheiden sich in der Anzahl der in ihrem Atomkern enthaltenen einfach positiv geladenen Protonen, d. h. die Kernladungszahlen (anderer Begriff dafür: Ordnungszahlen) sind bei den Atomen eines bestimmten Elementes gleich, bei unterschiedlichen Elementen jedoch verschieden. Die Atome der Elemente bestehen weiterhin aus einer Hülle mit um den Atomkern kreisenden, einfach negativ geladenen Elektronen. Atome sind nach außen elektrisch neutral: die Anzahl der Elektronen ist jeweils identisch mit der Anzahl der Protonen.

Elemente enthalten nur eine einzige Sorte von Atomen, die bezüglich der Elektronenhülle untereinander alle gleich aufgebaut sind, Verbindungen enthalten verschiedene Atomsorten. Die Chemie befasst sich mit den Elementen und vor allem mit deren Verbindungen, ihrer Analyse und Synthese.

• Für die Chemie maßgeblich ist allein die Elektronenhülle.
• Die Atomkerne sind Arbeitsgebiet der Physik:

Die Atomkerne enthalten außer den Protonen Neutronen. Jede durch eine bestimme Ordnungszahl (Protonenzahl) und bestimmte Neutronenzahl charakterisierte Atomsorte nennt man ein Nuklid. Isotope sind Nuklide eines Elements mit gleicher Ordnungszahl (d. h. gleicher Anzahl an Protonen und somit Elektronen und folglich auch chemisch gleichem Verhalten), aber verschiedener Neutronenzahl. Gibt es von einem Element nur ein Isotop, nennt man es Reinelement, gibt es mehrere Isotope, spricht man von einem Mischelement.

Elemente lassen sich durch Kernspaltung oder Kernverschmelzung in andere Elemente umwandeln. Solche Kernumwandlungen unterscheiden sich von chemischen Reaktionen durch die erheblich – rund eine Million Mal – höheren Energien, die dafür nötig sind oder dabei gewonnen werden.

Fachbegriffe

• Das Periodensystem ist eine geordnete Auflistung aller Elemente; die Anordnung erfolgt nach der aufsteigenden 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 Übergangsmetalle, die Lanthanoide und die Actinoide haben viele Gemeinsamkeiten.
• Wichtige Stoffe sind beispielsweise Wasser, Kohlenstoffdioxid, Ammoniak, 1-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 (Kationentrenngang) mit seinen Nachweisreaktionen für bestimmte Kationen.

• Analysenverfahren
  • Spektroskopie: Atomabsorptionsspektroskopie – Auger-Elektronen-Spektroskopie – Fluoreszenzspektroskopie – Infrarotspektroskopie – Kernresonanzspektroskopie – Massenspektrometrie – Mössbauerspektroskopie – Neutronenaktivierungsanalyse – Ramanspektroskopie – Photoelektronenspektroskopie
  • Chromatographie: Gaschromatographie – HPLC

Chemische Reaktionen

• Eine chemische Reaktion ist eine Stoffumsetzung. Die Reaktionsgeschwindigkeit gibt an, wie schnell die Umsetzung verläuft; sie kann mit einem Katalysator beschleunigt werden. Chemische Reaktionen werden symbolisch in Form eines Reaktionsschemas wiedergegeben („Reaktionsgleichung“).
• 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, die Identifikation eines unbekannten Stoffes durch Synthese gut erkennbarer, charakteristischer Produkte Nachweisreaktion.

Siehe auch

• Grundgesetze der Chemie
• Grundlagen der Chemie