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Reaktionen, Verbindungen und Stoffe - Themen der Anorganischen Chemie

Die großen Teilgebiete der Chemie sind die Anorganische Chemie und die Organische Chemie. Nach „von Berzelius“ benötigen organische Verbindungen eine besondere Lebenskraft um entstehen zu können. Die organische Chemie gilt auch deshalb als die lebendige Chemie, basierend auf Kohlenstoff und seinen Verbindungen, den Kohlenstoffwasserstoffen.

Die Anorganische Chemie befasst sich mit den chemischen Elementen und Reaktionen der Stoffe, die nicht von "organischem Leben" erzeugt werden. Dies wurde durch Friedrich Wöhler unabsichtlich widerlegt. Er synthetisierte im Jahr 1828 die organische Substanz Harnstoff, statt wie geplant Ammoniumcyanat, eine ausschlaggebende Entdeckung in der Geschichte der Chemie.

Seitdem erkannte man, dass der Übergang beider Teilgebiete fließend ist. Trotzdem macht die Unterscheidung nach wie vor Sinn. Denn schaut man auf die Reaktionsmechanismen und Stoffstrukturen in der Anorganik und Organik, sind Unterschiede zu erkennen.

Aber steht lebendige Chemie für gute Chemie? Zählen die Plastiktüte oder das Benzin zu den Naturstoffen, da sie aus organischen Verbindungen entstanden sind? Welche Themen hat die Anorganik?  Willst Du Antworten und bist an chemischen Themen interessiert, dann bleib dran und lese bitte weiter.

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Und los geht's

Reaktionen lassen Verbindungen entstehen

Wir beginnen erstmal mit einer Auswahl der wichtigsten Reaktionen in der anorganischen Chemie, in der darüber hinaus eine Vielzahl von Reaktionen eine Rolle spielen. Dabei sollen komplizierte Zusammenhänge einfach aber faktisch richtig zu Euch transportiert werden.

Redoxreaktion

Viele Reaktionen in der Anorganik sind schnell und erreichen eine hohe Ausbeute. Im Gegensatz dazu sind in der organischen Chemie viele Reaktionen langsame Gleichgewichtsreaktionen, die nicht immer hohe Ausbeuten erreichen. Die Redox-Reaktionen und die Säure-Base-Reaktionen sind sogenannte Gleichgewichtsreaktionen und werden häufig von hohen Reaktionsenthalpien begleitet.

Generell gilt für Reaktionen, dass Verbindungen oder Elemente zu anderen Verbindungen reagieren.  Redox-Reaktionen heißen so , weil gleichzeitig eine Oxidation und Reduktion stattfindet, bei der negativ geladene Elektronen von einem Reaktionspartner auf den anderen übertragen werden.

Rost - Korrosion von Metallen
Rost - Eine chemische Reaktion in der Natur | Quelle: Unsplash

Die Korrosion von Metallen ist so ein Vorgang, den wir aus dem täglichen Leben kennen. Eisen reagiert mit Luftsauerstoff und Wasser zu Rost. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass Redoxreaktionen auch ohne Sauerstoff funktionieren.

Bei Kontakt mit Regenwasser und unter Einwirkung von Sauerstoff gehen beim Eisen die Elektronen auf Wanderung und es entstehen positiv geladene Eisenionen Fe2+ und negativ geladene Hydroxidion OH-, die sich in dem wässrigen Medium befinden. Der Potentialunterschied  und die Sehnsucht der beteiligten Elemente in einen noch stabileren Zustand zu gelangen ist die treibende Kraft für diese Reaktion.

2 Fe + 2 H2O + O2 ⟶  2 Fe2+ (OH)2-

Reaktionen wie diese, finden ständig in der Natur statt und führen zu anderen Stoffverbindungen. Würde es solche  Redox Reaktionen und andere Reaktionen nicht geben, wären wir und alles um uns herum nur eine Ansammlung von Atomen und den Artikel gäbe es auch nicht.

Die Schönheit eines Lebewesens beruht nicht auf den Atomen, die es enthält, sondern in der die Art, wie sich diese Atome zusammenfügen | Carl Edward Sagan

Säure-Base-Reaktionen

Bei der Säure-Base-Reaktion werden Protonen übertragen.  Hier findet wieder dieses Abgeben - Donator und Aufnehmen - Akzeptor Prinzip statt. Die Säure gibt dabei an die Base oder Lauge ein Proton bzw. ein H+ -Ion ab.  Wie ? Wasserstoffion?  Ja, ist das Elektron weg, ist Wasserstoff  nur noch ein Proton, denn ein Neutron besitzt er nicht.

Bei Säure-Base-Reaktionen bilden sich Wasser und Salze. Denken wir zum Beispiel an die Reaktion von Salzsäure mit Natronlauge zu Natriumchlorid  ( Kochsalz) und Wasser oder an die Beseitigung des abgesetzten Kalks (CaCO3) an der Keramik der Toilette.

Erst das Wasser, dann die Säure, sonst geschieht das Ungeheure. | Merksatz der Chemie

Eine wässrige stark verdünnte Salzsäure ist weder praxistauglich noch umweltfreundlich, funktioniert aber trotzdem. Wir gießen langsam und vorsichtig die Säure ins Wasser der Toilette. Sofort fängt es an zu brodeln und es entwickelt sich Wärme. Hier liegt also eine exotherme Reaktion vor, die wir uns genauer anschauen.

Redox-Reaktionen und Säure-Base-Reaktionen sind sogenannte Gleichgewichtsreaktionen, bei denen das Gleichgewicht sehr stark auf eine Seite verschoben ist und von hohen Reaktionsenthalpien begleitet wird. Beim folgenden Beispiel fungiert das Wasser H2O als Base und die Salzsäure erledigt ihren Job als Säure. Die Salzsäure löst sich im Wasser, sie dissoziiert, und es entstehen H+ bzw. H3O+ und Cl- Ionen.

HCL + H2O   → Cl- + H3O+.

Da die gebildeten Chlorid Ionen Cl- das schwache Carbonat im CaCO3 aus dem Salz verdrängen, löst sich der Kalk CaCO3 unter Bildung des wasserlöslichen Calciumchlorid, CaCl2. Auch die Kohlensäure ist nicht beständig und zersetzt sich sprudelnd in das entweichende Kohlendioxid CO2 und Wasser.

H2CO3 → H2O + CO2

Fällreaktionen

Bei Fällungen geht hingegen nichts in Lösung, sondern es werden besonders stabile Salze gebildet, die in einem bestimmten Medium unlöslich sind und deshalb in einer Fällungsreaktion ausfallen und einen festen Niederschlag erzeugen.

Dies nutzt man beispielsweise in den Wasseraufbereitungsanlagen der Kläranlagen, wo Verunreinigungen durch Fällungsreaktionen leicht separiert werden können. Auch in der analytischen Chemie nutzt man diese Reaktion zum Nachweis bestimmter Verbindungen.

Kalzinationsreaktionen - Wärme setzt Stoffe frei

Auch bei höheren Temperaturen können anorganische Verbindungen zerfallen, indem Gase entweichen. Das verwendete Backpulver beim Kuchenbacken besteht aus einem Salzgemisch, in dem Natriumhydrgencarbonat NaHCO3, ein wesentlicher Bestandteil ist.

Diese Zutat setzt durch die Wärme des Backens Kohlendioxid CO2 frei und bewirkt das „Aufblähen“ oder „Aufgehen“ des Kuchenteigs. Als „Nebenprodukte“ entstehen Wasser und Soda (Natriumcarbonat).

2 NaHCO → Na2CO3+ H2O + CO2

Die Reaktionsenthalpie

Bei allen Reaktionen spielt die Reaktionsenthalpie eine Rolle. Sie ist bei einer Reaktion der Energieumsatz bei einem konstanten Druck. An dieser Stelle ist es egal ob bei der Reaktion Energie in Form von Wärme oder Arbeit aufgenommen oder abgegeben wird. Die Differenz der Energiezustände des Produkts (Endstoff) und des Edukts (Ausgangsstoff), kennzeichnen letztendlich die Art der Reaktion.

Eine Explosion - ein Naturereignis | Quelle: Unsplash
Ein Brand oder eine Explosion setzen Energie in Form von Druck und Wärme frei | Quelle: Unsplash

Wird Energie aufgenommen und dies geschieht häufig aus der Umgebung, dann hat das Produkt eine höhere Energie als die Edukte und wir reden von einer endothermen Reaktion. Wenn das Produkt energetisch gesehen weniger Energie beinhaltet als die Ausgangsstoffe wurde Energie abgegeben. Die freigesetzte Wärme ist ein Zeichen für eine exotherme Reaktion.

Die wichtigsten Bindungstypen in der Anorganik

Atombindung

Bei einer Atombindung stellen die beteiligten Atome hauptsächlich Nichtmetallen ihre Valenzelektronen so zur Verfügung, dass am Ende alle beteiligten Elemente den Zustand der Glückseligkeit erreichen, nämlich das Oktett der Elektronen auf der Außenschale. Diese Bindungen liegen beim Wasser, beim Sauerstoff, beim Kohlendioxid und Millionen von Kohlenwasserstoffen vor.

Beim Wasser H2O stellt der Sauerstoff zwei Elektronen und die Wasserstoffe jeweils ein Elektron zur gemeinsamen Nutzung zur Verfügung. Die zwei Elektronenpaare ordnen sich so an, dass eine Duett- bzw. Oktett Elektronenanordnung gebildet wird und beide Partner eine Win Win Situation erreichen.

Die Molekülstruktur des Wassers ruft polare Effekte hervor, sodaß sich Wassermoleküle untereinander anlagern und Wasser deshalb flüssig in der Natur vorkommt, statt als Gas!

Ionenbindung oder auch Salzbindung

Bei der Ionenbindung hingegen werden die Elektronen der teilnehmenden Elemente komplett ausgetauscht und es entsteht ein Salz. Auch hier wird das Ziel ausgegeben die Edelgaskonfiguration  (Oktett) aller Beteiligten zu erreichen.

Die Aufnahme eines Elektrons erzeugt ein negatives Anion und die gleichzeitige Abgabe hinterlässt ein positives Kation. Durch Aufnahme und Abgabe von Elektronen werden geladene Ionen generiert, die in dieser Kombination stabile Zustände erreichen und zufrieden sind.

Kochsalz hat eine Kristallstruktur | Quelle: Unsplash
In Salinen wird Kochsalz gewonnen - ein kostbares Gut| Quelle: Unsplash

Diese Ionen ziehen sich aufgrund ihrer elektrostatischen Kräfte  untereinander an und es entstehen stabile Kristallgitter. Diese Strukturen beeinflussen die Eigenschaften der Salze. Die Folge sind hohe Schmelzpunkte, gute Stromleitung und eine nicht vorhandene Verformbarkeit, da sie spröde sind. Bekannte Salze sind Kochsalz oder Natriumchlorid Na+Cl- und die Oxide, bei denen Sauerstoff (O2-) das Anion ist.

Metallbindung

In Metallen werden die Struktur und die Eigenschaften  durch die metallische Bindung beeinflusst. Es bildet sich ein 3 D Metallgitter aus positiv geladenen Atomrümpfen, während die Valenzelektronen in Form einer Wolke, dem Elektronengas, über das ganze Gitter verteilt sind und sich frei bewegen können.

Wichtige Stoffgruppen in der anorganischen Chemie

Metalle umgeben uns überall

Unsere moderne Welt wäre ohne Metalle nicht denkbar. Nicht ohne Grund werden Phasen der Menschheitsentwicklung nach den verwendeten Werkstoffen als Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit bezeichnet.

Der Erdkern besteht zum größten Teil aus Eisen. Die Erdkruste enthält überwiegend Nichtmetalle, wobei sich aber auch Metalle wie Aluminium, Eisen, Mangan, Titan, Calcium, Magnesium, Natrium und Kalium dort befinden.

Tagebau eine Form des Abbaus| Quelle: Unsplash
Riesige Abbaugebiete liefern den Rohstoff zur Metallgewinnung | Quelle: Unsplash

In Gesteinen und Erzen haben sich die klassischen Werkmetalle in hohen Konzentrationen angereichert und werden weltweit über- oder unterirdisch abgebaut. Zu den wichtigsten Erzen gehören Oxide, Sulfide und Carbonate. Manche Edelmetalle, wie Gold, kommen auch gediegen, in reiner Form und nicht als Verbindung vor.

Etwa 80 % der chemischen Elemente sind Metalle, wobei der Übergang zu den Nichtmetallen über die Halbmetalle fließend ist. Als Metalle bezeichnet man alle chemischen Elemente, die sich im Periodensystem der Elemente links und unterhalb einer Trennungslinie von Bor bis Polonium befinden.

In Verbindung mit Nichtmetallen treten die Metalle im Allgemeinen als Kationen auf, d. h. die äußeren Elektronen werden vollständig an die Nichtmetallatome abgegeben und es bildet sich eine Ionenverbindung (Salz).

Eigenschaften der Metalle

Durch die Wellen des Lichts wird das Elektronengas des Metalls angeregt und Elektronen schwingen, wodurch wiederum Licht ausgesendet bzw. reflektiert wird, sodass die Metalle glänzen.

Beim weiteren Erhitzen ist das Elektronengas wegen seiner guten Beweglichkeit Triebfeder für den guten Austausch der zugeführten Energie. Irgendwann schwingt das ganze System und noch mehr Wärme wird weiter- und abgegeben, wodurch sich die gute Wärmeleitfähigkeit erklären lässt.

Auch die elektrische Leitfähigkeit, die relativ hohen Schmelzpunkte und die Duktilität also Verformbarkeit lässt sich mit Hilfe des Elektronengases und der Struktur der positiv geladenen Atomrümpfe im Metallgitter erklären.

Verwendung der Metalle - ein kleiner Überblick

Metalle finden seit Beginn der Zivilisation vielfältige Anwendungen als Werkstoffe. Aluminium als besonders bedeutendes Leichtmetall ist geeignet für die Herstellung von Profilen und Autokarosserien. Blei findet Verwendung in Autobatterien, in  Legierungen,  bei Loten und im Korrosionsschutz.

Eisen ist wohl das wichtigste Werkmetall und wird zu Gusseisen, Stählen oder auch Legierungen veredelt. Gold ist ein Schmuckmetall und wird auch als Wertanlage und zur Währungsabsicherung gerne genommen. Das Reinmetall Kupfer besitzt die zweithöchste Leitfähigkeit nach dem Silber und ist uns als Leiter in Stromkabeln bekannt .

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Legierungen - Tuning für die Metalle

Um Metalle als Werkstoff besser nutzen zu können, wurden ihnen schon früh von Menschenhand bestimmte Elemente (Legierungselemente) im schmelzflüssigem Zustand zugefügt. Kupfer und Zinn wurden wohl vor etwa 6000 - 10000 Jahren per Zufall entdeckt und bis zur Herstellung erster Legierungen (CuSn = Bronze), war es dann nur noch ein kurzer Weg. Bronze gab einer ganzen Kulturepoche ihren Namen.

Eisen-Legierungen wurden zeitweise nur in Meteoriten gefunden und bereits in der Antike verwendet. Da Meteoriten recht selten sind, waren die Gegenstände aus Eisen wertvoller als Gold. Der Grund war die größere Härte gegenüber der Bronze und dem Kupfer. Die  Menschen verbesserten die Gewinnung und Verarbeitung des Eisens und fertigten Waffen und Werkzeuge. Die Bronzezeit wurde damit von der Eisenzeit abgelöst.

Natürliche Legierungen, Eisenlegierungen, Nichteisen-Legierungen, Gusslegierungen Knetlegierungen, Pseudolegierungen und nicht zuletzt Formgedächtnis-Legierungen  zeigen die Vielfalt dieser Stoffgruppe.

Formgedächtnis-Legierungen oft auch als Memorymetalle können sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender starker Verformung erinnern. So wurde eine miniaturisierte Blutpumpe entwickelt, die sich in komprimierter Form mittels eines Katheters in ein Blutgefäß nahe dem Herzen platzieren ließ und sich im Kontakt mit dem körperwarmen Blut in die als Pumpe wirksame Form verwandelt. 

Halbmetalle - mal so mal so

Halbmetalle haben sowohl metallische als auch nichtmetallische Eigenschaften. Und aus diesem Grund sind diese Elemente im Periodensystem zwischen den Metallen und den Nichtmetallen angeordnet. Zu ihnen gehören die  Elemente Bor, Silicium, Germanium ,Arsen, Selen, Antimon, Tellur, Polonium und Astat.

Sie kommen meist in zwei allotropen Kristallmodifikationen vor. Dies bedeutet, dass die Elemente im gleichen Aggregatzustand fest, flüssig, gasförmig,  in zwei oder mehreren Strukturformen auftreten, die sich physikalisch und in ihrer chemischen Reaktionsbereitschaft voneinander unterscheiden.

Solaranlagen Technik der Zukunft | Quelle: unsplash
Solaranlagen liefern regenerative Energie - ein wichtiger Baustein im Energiemix | Quelle: unsplash

Silicium ist als elementarer Halbleiter sehr bekannt . In der Natur kommt Silicium als Sand - Siliciumdioxid  SiO2 vor und kann aufgrund seiner Elektronenkonfiguration sowohl Elektronen abgeben als auch aufnehmen. Durch seine spezielle Tetraeder Kristallstruktur ist es der Grundstoff für Solarzellen.

lm allgemeinen ist die elektrische Leitfähigkeit des Siliciums bei Raumtemperatur ziemlich klein, nimmt aber mit zunehmender Temperatur stark zu. Pflanzt man nur wenige Fremdatome  wie z.B. Bor in das Trägermaterial Silicium ein, wird durch sogenannte Störstellen die elektrische Leitfähigkeit weiter erhöht. Dieser Vorgang heißt Dotierung.

Nichtmetallverbindungen - Wasser, Luft & Co.

Die Edelgase Neon, Argon etc, die Halogene wie Iod und Chlor sowie die Elemente Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff, Phosphor, Kohlenstoff und Wasserstoff gehören zu  den Nichtmetallen. Die Nichtmetalle sind rechts im Periodensystem zu finden. Diese Gruppe der chemischen Elemente nehmen leicht Elektronen auf.

Sie sind keine guten Stromleiter und treten häufig in unterschiedlichen Erscheinungsformen, Modifikationen auf. Diamant und Graphit, unterschiedlicher geht`s wohl kaum, sind  beides Modifikationen des Kohlenstoffs. Der eine leitet den Strom und der andere tut es nicht, sieht dafür aber gut aus.

Es gibt nur wenige Kohlenstoffverbindungen in der Anorganik. Nicht alle, aber die wichtigsten Vertreter dieser Gruppe sind vor allem Kohlenstoffmonoxid  CO und Kohlendioxid CO2 und deren Derivate wie die Kohlensäure und deren Salze, die Carbonate. Der "Rest" ist Organik.

Komplexe - kompliziert aber lebenswichtig

Die Komplexchemie oder Koordinationschemie ist der Bereich, der sich mit chemischen Komplexverbindungen befasst. Das Wort Komplex leitet sich vom lateinischen Verb complecti ab, was soviel wie  umarmen, umschließen heißt.

Die Komplexbildungsreaktion ist eine klassische Säure-Base-Reaktion. Strukturell besteht der Komplex aus einem Zentralatom, meist ein Metallion, das in seiner Elektronenkonfiguration Lücken aufweist.

Um diese Lücken zu schließen, umgibt sich das metallische Zentralatom mit Liganden. Die stellen für die Verbindung mindestens ein freies Elektronenpaar zur Verfügung. Diese Form der chemischen Bindung unterscheidet sich von den anderen Bindungstypen wie Atombindung, Ionenbindung oder Metallbindung.

Häufigste Komplexzentren sind dabei Eisen, Kupfer, Zink, Calcium, Magnesium, Mangan, Calcium und  Zink, die meist als kationische Zentralionen fungieren.  Seltener sind  neutrale Verbindungen oder negative Anionen im Zentrum der Komplexe.

Passend dazu haben auch die Liganden unterschiedliche Erscheinungsformen und treten meist als negativ geladene  Anionen weniger als positive Kationen oder neutrale Verbindung  in Erscheinung. Hinzu kommen noch die wichtigen organischen Vertreter, die in der Biologie eine entscheidende Rolle spielen.

Das Porphyrin – ein katalytisch nicht aktives Protein das keiner kennt, ist wesentlicher Bestandteil des Hämoglobins. Auch Chlorophyll gehört zu dieser Stoffgruppe und verdeutlicht wie wichtig diese Verbindungen für unser Leben sind. In evolutionstheoretischer Hinsicht ist dabei interessant, dass die Struktur des Häms, der Bruder von Globin, der des Chlorophylls sehr ähnlich ist, da nur das Zentralatom wechselt, nämlich vom Magnesium zum Eisen.

Weitere aber nicht minder wichtige Teilgebiete

Dieser Artikel kann nur einen groben Überblick verschaffen, wobei viele Teilbereiche der Anorganischen Chemie noch unerwähnt sind. Die meisten Bereiche sind sehr speziell und gehen einen Schritt weiter in die Tiefe.

Die Festkörperchemie beschäftigt sich mit der Darstellung, der Struktur, den Eigenschaften von Stoffen im festen Aggregatzustand. Die Kristallographie hat sich die Untersuchung der Kristalle, ihrer Struktur, Entstehung und ihrer Eigenschaften auf die Fahne geschrieben .

Die Strukturchemie, Organometallchemie und die Kolloidchemie tragen das Forschungsgebiet im Namen. Lebensnäher ist da die Atmosphärenchemie, die die Zusammensetzung der Erdatmosphäre,  Ursachen der Luftverschmutzung und deren Wirkung auf die Erwärmung des Erdklimas untersucht.  Zuletzt noch die radioaktiven Substanzen, die sowohl in der Anorganik als auch in der Atomphysik eine Rolle spielen.

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Karl Heinz

Hi, it's me - Karl Heinz, not really new, but still active. My passions are outdoor activities. I love the nature, riding the bike, hiking through the mountains, preferably with my wife and my dog. These are opportunities to let flow my thoughts and get inspiration for writing comments and blogs.

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