"Die Wissenschaft gibt mir eine teilweise Erklärung für das Leben. Soweit es geht, basiert es auf Fakten, Erfahrungen und Experimenten."

– Rosalind Franklin

Chemie ist ein Fach, das sowohl in der weiterführenden Schule, als auch an der Universität und an Hochschulen gelernt wird.

Es gibt einige, die die grundlegenden Konzepte der Chemie interessant finden und sich daher dafür entschieden haben, mehr zu lernen und ihr Wissen zu erweitern. Andere wiederum empfinden das Fach als anstrengend und mussten sich durch den Unterricht in den letzten Jahren der weiterführenden Schule quälen.

Wenn man ehrlich ist, ist Chemie lernen eine Geschmacksache. Nicht jeder wird diese wissenschaftliche Disziplin und die damit verbundene Untersuchung von Elementen, Atomverbindungen, Molekülen und Ionen wertschätzen. Das Verständnis ihrer Komposition, Struktur, Eigenschaften und ihres Verhaltens kann für den einen der absolute Traum und gleichzeitig der schlimmste Albtraum für den anderen sein.

In jedem Fall hat das Erlernen der Grundkonzepte der Chemie viele Vorteile, denn das Fach wird als zentrale Wissenschaft gesehen, die Mathematik, Physik, Biologie und Medizin miteinander verbindet. Die Chemie ist ein weites Feld, das viele verschiedene Disziplinen und Interessante Themen umspannt, die von enthusiastischen Studenten erforscht werden können. Mehr über die wichtigsten Chemiebegriffe kannst Du in unserem dazugehörigen Artikel erfahren!

Ohne weiter Zeit zu verlieren schaut Superprof sich jetzt ein paar grundlegende Konzepte der Chemie an, wie etwa chemische Reaktionen, Elemente, die Lewis-Formel, das Periodensystem, sowie Säuren und Basen.

Egal ob Du Wissenschaft magst oder nicht, dieser Artikel vermittelt jedem die Grundlagen der Chemie und hilft dabei, ohne Probleme ein Gespräch über die angeschnittenen Themen halten zu können!

Chemische Reaktionen

Chemische Reaktionen finden überall statt. Egal ob Du gerade kochst, ein Feuer machst oder atmest, all das erzeugt eine chemische Reaktion.

Bei einer chemischen Reaktionen verändern sich Moleküle oder Ionen auf eine solche Art, dass eine neue Struktur entsteht. Der Atomkern bleibt unberührt, nur die Elektronen bewegen sich und formen chemische Verbindungen. Die Zahl der Atome des Elements verändert sich nicht und bleibt von Anfang bis Ende der chemischen Reaktion gleich. Diese Entdeckung in der Chemie stammt von einem gewissen Antoine Lavoisier, in unserem Artikel über die berühmtesten Chemiker aller Zeiten kannst Du mehr über Ihn erfahren.

Wenn Du ein Ei brätst, leitest Du eine chemische Reaktion ein.
Simple Handlungen wie ein Ei zu brate sind bereits chemische Reaktionen! | Quelle: unsplash

Es ist wichtig anzumerken, dass chemische Reaktionen etwas Anderes als physikalische Veränderungen sind. Der größte Unterschied lieft darin, dass bei einer chemischen Reaktion Atome neue Produkte, Moleküle und Verbindungen formen, während bei physikalischen Veränderungen die Atome in der gleichen Anordnung bleiben.

Es ist unmöglich, die molekulare Veränderung einer chemischen Reaktion mit bloßem Auge zu beobachten. Nichtsdestotrotz kann man anhand von bestimmten Anzeichen wie Temperaturveränderungen, Blubbern oder Farbveränderungen den Unterschied erkennen.

Die Atome und Moleküle, die miteinander interagieren, werden Edukte genannt, die Atome und Moleküle, die bei der Reaktion entstehen, nennt man Produkte. Die chemische Gleichung lässt sich also wie folgt darstellen:

Edukt 1 + Edukt 2 + … —> Produkt 1 + Produkt 2 + …

Wer Chemie studiert hat und chemische Reaktionen bereits grundlegend verstanden hat, kann die Gleichung auch in folgender abgekürzter Version schreiben:

aA + bB + —> cC + dD + …

Chemische Reaktionen können in vier verschiedene Typen eingeteilt werden:

  • Synthese oder direkte Verbindung
  • Analyse oder Stoffzerfall
  • Einfache Umsetzung
  • Metathese oder doppelte Umsetzung

Es gibt zahlreiche Beispiele für verschiedenste chemische Reaktionen, die täglich oder wöchentlich stattfinden. Hier sind ein paar bekannte Beispiele:

  • Wenn man ein Feuer anzündet oder eine Flamme erzeugt
  • Beim Backen von Kuchen
  • Beim Kochen oder Braten von Ei
  • Wenn Bananen faulen
  • Beim Grillen eines Burgers

Elemente und das Periodensystem

Ein chemisches Element ist eine reine Substanz in ihrer einfachsten Form, welche nicht mehr weiter heruntergebrachten werden kann.

Bis jetzt haben Wissenschaftler in der kompletten Geschichte der Chemie 118 chemische Elemente entdeckt. 94 dieser Elemente konnten auch in der Natur gefunden werden, während die restlichen 24 synthetisch und vom Menschen gemacht sind.

Das Periodensystem ist ein Grundgerüst für jeden Chemiker.
Das Periodensystem organisiert chemische Elemente nach ihren Eigenschaften in verschiedenen Spalten. | Quelle: unsplash

Das häufigste Element in unserem Universum ist Wasserstoff und auf der Erde Eisen. Der menschliche Körper wiederum weist am meisten Sauerstoff auf.

Ein Element hat ein einziges Atom und wird anhand der Zahl der Protonen im Atomkern definiert. Diese Zahl ist die Ordnungszahl, welche mit Z angegeben wird.

Unvermischte Elemente in ihrer reinsten Form haben alle die gleiche Zahl an Protonen. Vermischte Elemente wiederum haben verschiedene Protonen und Atome.

Es gibt nur eine Handvoll Elemente die komplett rein und noch nicht vermischt sind. Dazu gehören Kupfer, Silber, Gold und Sulfat. Ein Beispiel für ein vermischtes Element ist die atmosphärische Luft, eine Mischung aus Stickstoff, Sauerstoff und Argon.

Die verschiedenen Elemente sind in der Periodensystem eingetragen. Das erste Element, mit nur einem Proton, ist Wasserstoff. Das zweite Element ist Helium mit zwei Protonen, das dritte Lithium mit drei Protonen. Die Elemente und ihre Anzahl an Protonen gehen immer weiter, bis die Periodensystem bei 118, dem zuletzt entdeckten Element, ankommt.

Die Periodensystem ist die am häufigsten verwendete Anordnung der Elemente. Elemente werden nach der Ordnungszahl, Elektronenkonfiguration und ähnlichen chemischen Eigenschaften geordnet und aufgeteilt. Die Zeilen der Tabelle werden Perioden genannt und die Spalten heißen Gruppen.

Das Periodensystem hat 18 Gruppen bzw. Spalten, die jeweils Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften beherbergen. Acht dieser 18 Gruppen sind die sogenannten Hauptgruppen:

  • Gruppe 1: Alkalimetalle
  • Gruppe 2: Erdalkalimetalle
  • Gruppe 13: Erdmetalle
  • Gruppe 14: Tetrele
  • Gruppe 15: Pnictogene
  • Gruppe 16: Chalkogene
  • Gruppe 17: Halogene
  • Gruppe 18: Edelgase

Die Hintergrundfarbe der Elemente weist darauf hin, ob das betroffene Element ein Metall, Halbmetall oder Nichtmetall ist. Es gibt verschiedene Periodensysteme, dem die Farben sind nicht standardisiert. Sie richten sich meistens nach persönlicher Präferenz, aber die Kategorien bleiben gleich.

Mehr über das Periodensystem zu erfahren kann extrem interessant sein und Dir dabei helfen, zu verstehen, wie verschiedene Elemente verwendet werden.

Chemische Bindungen und die Lewis-Formel

Chemische Bindung heißt die Anziehung zwischen Atomen, Ionen und Molekülen, welche zur Herstellung chemischer Verbindungen führt. Diese Bindungen sind verschieden stark, beispielsweise sind kovalente, ionische und metallische Bindungen stärker, während Bindungen wie Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, London-Dispersionen und Wasserstoffbindungen schwächer sind.

Stärkere molekulare Bindungen gelten als permanent, während die schwächeren temporär sind und nach einer Weile zerfallen. Egal wie stark eine Bindung ist, sowohl unser Körper als auch das Leben an sich basiert auf darauf.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass der Hauptgrund für das Entstehen von chemischen Bindungen darin liegt, dass Atome das stabilste ihnen mögliche Level an Energie zu erreichen versuchen.

In der Chemie und im Leben im Allgemeinen ziehen sich Gegensätze an. Die Anziehung der negativ aufgeladenen Elektronen, die den Kern umkreisen, und den positiv aufgeladenen Protonen im Kern provoziert einen Spannung, die eine chemische Bindung erzeugt.

Ohne kovalente Bindungen könnte sich Unsere DNA nicht formen
Kovalente Bindungen sind essentiell für die Struktur organischer Moleküle, wie etwa unserer DNA und Proteine. | Quelle: unsplash

Es gibt verschiedene Formen von beobachtbaren chemischen Bindungen. Diese wären:

  • Ionische Bindungen: Sie entstehen durch Ionen mit einer gegensätzlichen Aufladung. Ein Beispiel dafür ist Speisesalz. Die positiv aufgeladenen Natrium-Ionen und die negativ aufgeladenen Chlorid-Ionen ziehen sich an und ergeben Natriumchlorid
  • Kovalente Bindungen: Wenn Atome Elektronen teilen, anstatt sie abzugeben oder aufzunehmen, werden sie stabiler. In den Molekülen von lebenden Organismen kommen kovalente Bindungen häufiger vor als ionische Bindungen. Je mehr Elektronen die zwei Atome teilen, desto stärker ist die kovalente Bindung
  • Polare kovalente Bindungen: Bei dieser Bindung werden die Elektronen ungleich von den Atomen geteilt und bleiben länger nah aneinander. Aufgrund dieser ungleichen Verteilung der Elektronen auf die Atome laden sich verschiedene Teile der Moleküle auf.
  • Unpolare kovalente Bindungen: Sie entstehen zwischen zwei Atomen des gleichen Elements oder zwischen Atomen verschiedener Elemente, wo die Elektronen gleich aufgeteilt sind.
  • Wasserstoffbindungen: Polare kovalente Bindungen mit Wasserstoff sind dadurch, dass die Elektronen vom anderen Element angezogen werden, leicht positiv aufgeladen. Durch diese Spannung zieht das Wasserstoff jegliche negative Aufladungen an, was man Wasserstoffbindung nennt.

Lewis-Struktur

Die Lewis-Struktur ist eine Formel zur Darstellung der Bindung zwischen Atomen und Molekülen und den freien Elektronenpaaren, die im Molekül vorkommen können.

Die Formel stellte erstmal im Jahre 1916 Gilbert N. Lewis in seinem Artikel Das Atom und das Molekül auf. Die Lewis-Struktur erweiterte das Konzept der Elektronenformel, indem sie ein paar Linien hinzufügt, um die geteilten Paare einer chemischen Bindung zu repräsentieren.

So kann die Valenzelektronenkonfiguration von einzelnen Atomen schnell und einfach dargestellt werden, wenn keine vorherigen Verbindungen oder Bindungen hergestellt worden sind.

Säuren und Basen

Substanzen können entweder sauer oder basisch sein. Eine Säure-Base-Reaktion ist eine häufige chemische Reaktion zwischen einer Säuren und einer Base. So kann der pH-Wert einer Substanz oder Flüssigkeit festgestellt werden.

Zahlreiche Wissenschaftler haben ihre eigene Säure-Base-Konzepte zur Berechnung von pH-Werten, korrekten Definition von Substanzen und methodischer Beobachtung von Reaktionen aufgestellt.

Das Säure-Base-Konzept von Svante Arrhenius

Diese Säure-Theorie ist auf 1884 zurückzuführen und noch heute eine der am häufigsten diskutierten Theorien. Arrhenius verbrachte viel Zeit damit, Salz und seine Veränderungen in Wasser zu beobachten. Diese Säure-Theorie hat als konstitutionelles Kriterium Säuren als Wasserstoffverbindung, die in einer wässrigen Lösung Wasserstoffionen liefern, während die Basen Hydroxylverbindungen sin, welche Hydroxidionen bilden.

Das Säure-Base-Konzept nach Gilbert N. Lewis

Diese Theorie wird gemeinhin als die breiteste Säure-Theorie angesehen, da nur Elektronenpaare untersucht werden und Protonen komplett außen vor gelassen werden. Zu den Grundkonzepten dieser Theorie gehört die Tatsache, dass Säuren als Elektronenpaarakzeptoren und Basen als Elektronenpaardonatoren gelten.

Die Säure-Definition nach Brønsted und Lowry

Hier werden Säure-Base-Reaktionen so definiert, dass Säuren ein Proton liefern, welches die Basen annehmen. Zu den Eigenschaften dieser Theorie gehört, dass Säuren Protonendonatoren sind, Basen Protonenakzeptoren sind, wässrige Lösungen angenommen werden, alle Baser außer Hydroxide angenommen und nur nur protische Säuren angenommen werden.

Säuren haben verschiedene Eigenschaften und lassen sich dadurch unterscheiden, dass sie sauer schmecken, sich ätzend verhalten, dass wässrige Lösungen elektrische Ströme leiten und dass sie mit Basen zu Salzen und Wasser reagieren. Dies sind nur einige der Eigenschaften, Säuren können auch auf andere Weise bestimmt werden.

Basen können von Säuren unterschieden werden, wenn sie bitter schmecken, sich glitschig oder seifig anfühlen und die Farbe von Lackmus (einem blauen Pflanzenfarbstoff) nicht verändern.

Verschiedene, häufig vorkommende Säuretypen sind:

  • Zitronensäure
  • Milchsäure
  • Essig
  • Kohlensäure
  • Ascorbinsäure

Einige Beispiele der häufigsten Basen sind:

  • Reinigungsmittel
  • Seifen
  • Lauge
  • Ammonium

Säuren und Basen können durch das Erlernen der gerade erwähnten Theorien tiefergehend studiert werden.

Chemie ist ein sehr breitgefächertes und spannendes Fach. Wenn Dich dieses wissenschaftliches Thema interessiert, solltest Du wissen, dass Du Dir die Grundlagen auch ganz gemütlich von zu Hause aus beibringen kannst. Wenn Du auf der Suche nach einer wissenschaftlichen Disziplin zum Lernen bist, triffst Du mit Chemie die richtige Wahl! Fang doch einfach mal mit der witzigen Seite der Chemie an und informiere Dich dann über die wichtigsten Laborgeräte in der Chemie!

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Siad

Student der Poltikwissenschaft, Hobbiefotograf und Kochbegeisterter. Spezialität: Hummus