Chemie kompakt für Dummies
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2. Auflage 2020
© 2020 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Original English language edition © 2010 by Wiley Publishing, Inc. All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.
Copyright der englischsprachigen Originalausgabe © 2010 by Wiley Publishing, Inc.
Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.
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Coverfoto: © vectortatu/stock.adobe.com
Korrektur: Isolde Kommer
Print ISBN: 978-3-527-71745-3
ePub ISBN: 978-3-527-82748-0
Die erste Hürde für das Verständnis der Chemie haben Sie bereits überwunden: Sie haben sich dieses Buch ausgesucht. Ich könnte mir vorstellen, dass viele Leute den Titel lesen, das Wort Chemie sehen und sich wieder entfernen, als flüchteten sie vor Pest-Bakterien.
Ich weiß nicht mehr, wie oft ich mich schon im Urlaub mit jemandem unterhalten habe, bis die gefürchtete Frage kam: »Was machen Sie eigentlich?«
»Ich bin Lehrer«, antwortete ich.
»Echt? Und was unterrichten Sie?«
Ich wappne mich, knirsche mit den Zähnen und antworte mit meiner freundlichsten Stimme: »Chemie.«
Ich sehe den gewissen Gesichtsausdruck und höre: »Wow, habe ich in der Schule abgewählt.« »War einfach zu schwierig.« Oder: »Sie müssen ziemlich schlau sein, wenn Sie Chemie unterrichten.« Oder auch nur: »Tschüss!«
Ich glaube, viele Leute denken ähnlich, weil sie vermuten, die Chemie sei zu abstrakt, zu mathematisch und zu weit weg von der Realität ihres Lebens. Auf die eine oder andere Weise kommen wir jedoch alle mit Chemie in Berührung.
Erinnern Sie sich daran, wie Sie als Kind Wasser zum Sprudeln gebracht und aus Essig einen kleinen Vulkan gemacht haben? Kochen oder putzen Sie oder benutzen Sie Nagellackentferner? All das ist Chemie. Ich hatte als Kind niemals einen Chemiebaukasten, mochte aber schon immer die Naturwissenschaft. Mein Chemielehrer auf der High-School war ein großartiger Biologielehrer, hatte aber nicht so viel Ahnung von Chemie. Als ich jedoch auf einer anderen Schule meinen ersten Chemiekurs hatte, nahm mich das Labor regelrecht gefangen. Ich hatte Spaß an den vielen Farben und auch an den festen Stoffen, die man aus Lösungen gewinnen konnte. Und ich war davon fasziniert, neue Verbindungen synthetisch herzustellen, d. h. etwas zu produzieren, das vielleicht vorher noch niemand erzeugt hatte. Ich wollte unbedingt in einem Chemieunternehmen arbeiten und Forschung betreiben. Aber dann entdeckte ich meine zweite Leidenschaft: die Lehre.
Chemie wird manchmal »zentrale Wissenschaft« genannt (meistens von Chemikern), denn um Biologie, Geologie oder sogar Physik zu verstehen, wird ein gutes Verständnis der Chemie vorausgesetzt. Unsere Welt ist eine chemische, und ich hoffe, es wird ihnen Spaß machen, die chemische Natur unserer Welt zu entdecken – und dass Sie dann das Wort Chemie nicht mehr so schrecklich finden.
Mein Ziel ist nicht, Sie mit diesem Buch zu einem Chemieguru zu machen. Ich möchte Ihnen einfach ein grundlegendes Verständnis einiger chemischer Schwerpunkte vermitteln, die im Allgemeinen an höheren Schulen vorkommen. Wenn Sie einen Kurs besuchen, benutzen Sie dieses Buch einfach als Referenz in Verbindung mit Ihren Notizen und Ihrem Lehrbuch.
Den Leuten einfach nur beim Tennis zuzuschauen, aus welchem Grund auch immer, macht Sie noch nicht zu einem Tennisstar. Sie benötigen Praxis. Das Gleiche gilt natürlich auch für die Chemie. Sie ist kein Zuschauersport. Wenn Sie einen Chemiekurs besuchen, sollten Sie unbedingt auch praktisch arbeiten. Ich zeige Ihnen, wie man bestimmte Problemtypen anpackt – die Gasgesetze zum Beispiel. Benutzen Sie aber bitte das Lehrbuch für praktische Aufgaben. Okay, das ist Arbeit, kann aber eine Menge Spaß machen.
Wenn Sie schon andere für Dummies-Bücher gelesen haben, dann kennen Sie natürlich die Icons, die in diesem Buch verwendet werden. Aber hier ist noch mal eine kurze Erklärung für all diejenigen, die damit nicht so vertraut sind:
Teil I
Kapitel 1
IN DIESEM KAPITEL
Wenn Sie nicht daran interessiert sind, Chemiker zu werden, warum sollten Sie trotzdem an Chemie interessiert sein? Chemie ist ein integraler Bestandteil unserer täglichen Welt und etwas über Chemie zu wissen hilft, mit unserer alltäglichen technischen und chemischen Umwelt besser zurechtzukommen.
Mir macht Chemie richtig Spaß. Sie ist viel mehr als eine einfache Sammlung von Fakten und ein Gebilde von Wissen. Ich denke, es ist faszinierend zu beobachten, wie chemische Veränderungen stattfinden, Unbekanntes herauszufinden, Instrumente zu benutzen, die Sinne zu erweitern und Voraussagen zu machen und zu begreifen, warum sie richtig oder falsch sind. Alles fängt hier mit den Grundlagen an – herzlich willkommen in der faszinierenden Welt der Chemie.
Einfach ausgedrückt behandelt dieser ganze Zweig der Wissenschaft alles über Materie, die irgendetwas ist, das Masse hat und Platz einnimmt. Chemie ist die Studie über die Zusammensetzung und die Eigenschaften der Materie und die Veränderungen, denen sie ausgesetzt ist.
Chemie kommt hauptsächlich dort ins Spiel, wo Veränderungen stattfinden. Materie besteht entweder aus reinen Substanzen oder aus Mischungen davon. Die Veränderung von einer Substanz in eine andere nennen die Chemiker chemische Änderung oder chemische Reaktion.
Chemie ist so umfassend, dass sie anfänglich in verschiedene Spezialbereiche unterteilt wurde. Heute jedoch gibt es ein hohes Maß an Überlappung zwischen den verschiedenen Bereichen der Chemie. Hier sind die traditionellen Bereiche der Chemie:
Die meisten Chemiker arbeiten wie selbstverständlich in zwei Welten. Die eine ist die makroskopische Welt, die wir wahrnehmen, fühlen und berühren. Dies ist die Welt der fleckigen Laborkittel und Dinge wie Natriumchlorid abzuwiegen, um Dinge wie Wasserstoffgas zu schaffen. Dies ist die Welt der Versuche.
Aber Chemiker arbeiten auch in der mikroskopischen Welt, die Sie und ich nicht direkt sehen, fühlen oder berühren können. Hier arbeiten Chemiker mit Theorien und Modellen. Sie können das Volumen und den Druck eines Gases in der makroskopischen Welt messen, aber sie müssen die Messungen geistig in die mikroskopische Welt übersetzen, wie klein die Gaspartikel auch sind.
Kapitel 2
IN DIESEM KAPITEL
Betreten Sie ein Zimmer und schalten Sie das Licht an. Schauen Sie sich um– was sehen Sie? Es könnten ein Tisch, einige Stühle, eine Lampe oder ein eingeschlafener Computer sein. Aber alles, was Sie sehen, ist in Wirklichkeit Materie und Energie. Es gibt viele Arten von Materie und von Energie, aber wenn alles gesagt und getan ist, bleiben Materie und Energie übrig. Wissenschaftler pflegten zu glauben, dass diese beiden Dinge getrennt und verschieden sind, heute aber müssen sie feststellen, dass Materie und Energie miteinander verbunden sind. In einer Atombombe oder einem Atomreaktor wird Materie in Energie umgewandelt. Die Science-Fiction des »Star Trek« wird eventuell eines Tages Realität und es wird vielleicht alltäglich, den menschlichen Körper in Energie zu verwandeln, zu befördern und wieder in Materie zurückzuverwandeln. Aber ich bleibe inzwischen bei den Grundlagen von Materie und Energie.
In diesem Kapitel behandele ich die zwei Grundbestandteile des Universums – Materie und Energie. Ich prüfe die verschiedenen Zustände von Materie und das, was geschieht, wenn Materie von einem Zustand in einen anderen übergeht. Ich zeige Ihnen, wie das metrische System verwendet wird, um Materie und Energie zu messen, und wie ich die verschiedenen Arten der Energie prüfe und messe.
Sehen Sie sich um. All das Zeug um Sie herum, das Sie sehen – der Stuhl, das Wasser, das Sie trinken, das Papier, worauf dieses Buch gedruckt ist, ist Materie. Materie ist der materielle Teil des Universums. Sie ist irgendetwas, das Masse hat und Platz einnimmt. (Später in diesem Kapitel stelle ich Ihnen die Energie, den anderen Teil des Universums, vor.) Materie kann in einem von drei Zuständen existieren: fest, flüssig und gasförmig.
Die makroskopische Ebene ist diejenige, in der wir direkt mit unseren Sinnen einen festen Körper bemerken, mit einer festen Form und einem festen Volumen. Denken Sie an einen Eiswürfel in einem Glas – es ist ein Festkörper. Sie können den Eiswürfel leicht wiegen und sein Volumen messen. Auf der mikroskopischen Ebene (wo Sachen so klein sind, dass der Mensch sie nicht direkt beobachten kann) sind die Partikel, die das Eis ausmachen, sehr nah zusammen und bewegen sich nur geringfügig (siehe Abbildung 2.1).
Abbildung 2.1: Fester, flüssiger und gasförmiger Zustand der Materie
Der Grund, warum die Partikel, die das Eis ausmachen, (auch als Wassermoleküle bekannt), nah beisammen sind und nur kleine Bewegungen machen, ist der, dass in vielen Festkörpern die Partikel in eine starre, regelmäßig aufgebaute Struktur, das Kristallgitter, eingebunden sind. Die Partikel, die im Kristallgitter enthalten sind, bewegen sich zwar immer noch, aber sehr wenig – es ist mehr eine leichte Vibration. Je nach den Partikeln kann dieses Kristallgitter von verschiedenster Form sein.
Wenn ein Eiswürfel schmilzt, wird er eine Flüssigkeit. Im Gegensatz zu Festkörpern haben Flüssigkeiten keine feste Form, aber sie haben ein festes Volumen, genau wie feste Körper. Zum Beispiel hat eine Tasse Wasser in einem hohen engen Glas eine andere Form als eine Tasse Wasser auf einem Suppenteller, aber in beiden Fällen ist das Volumen der Tasse gleich – eine Tasse. Warum? Die Partikel in Flüssigkeiten sind viel weiter auseinander als die Partikel in Festkörpern, und sie bewegen sich auch viel mehr herum (siehe Abbildung 2.1 b). Obwohl die Partikel in Flüssigkeiten weiter auseinander sind als in Festkörpern, kann es sein, dass einige Partikel in Flüssigkeiten immer noch nahe beieinander sind, zusammengeballt in kleinen Gruppen. Weil die Partikel in Flüssigkeiten weiter auseinander sind, sind die Anziehungskräfte zwischen ihnen nicht so stark, wie sie in Festkörpern sind, weshalb Flüssigkeiten ja keine feste Form haben. Jedoch sind diese Anziehungskräfte stark genug, die Substanz in einer großen Masse – einer Flüssigkeit – gefangen zu halten.
Wenn Sie Wasser erhitzen, können Sie es in Dampf umwandeln, die gasförmige Form des Wassers. Ein Gas hat keine feste Form und kein festes Volumen. In einem Gas sind Partikel viel weiter voneinander entfernt als in Festkörpern oder Flüssigkeiten (siehe Abbildung 2.1 c) und sie bewegen sich weitestgehend unabhängig voneinander. Wegen der Entfernung zwischen den Partikeln und der unabhängigen Bewegung dehnt sich Gas aus, um den Bereich zu füllen, in dem es sich befindet.
Wenn eine Substanz von einem Zustand der Materie in einen anderen übergeht, nennen wir diesen Prozess eine Änderung des Aggregatszustandes. Während dieses Prozesses passieren einige ziemlich interessante Dinge.
Stellen Sie sich vor, Sie nehmen ein großes Stück Eis aus Ihrem Kühlschrank und legen es in einen großen Topf auf Ihrem Herd. Wenn Sie die Temperatur des Eises messen, kann es sein, dass Sie zum Beispiel –5° Celsius messen. Wenn Sie die Temperatur ablesen, während Sie das Eis erhitzen, stellen Sie fest, dass die Temperatur des Eises anzusteigen beginnt, da die Hitze vom Ofen bewirkt, dass die Eispartikel beginnen, schneller und schneller im Kristallgitter zu vibrieren. Nach einer Weile bewegen sich manche der Moleküle so schnell, dass sie frei das Gitter verlassen und das Kristallgitter (das seinen festen Körper zunächst behält) schließlich auseinanderbricht. Der Festkörper beginnt, von einem festen Zustand in einen flüssigen überzugehen, was wir schmelzen nennen. Die Temperatur, bei der das Schmelzen beginnt, wird Schmelzpunkt (GP wie Gefrierpunkt) der Substanz genannt. Die Schmelztemperatur für Eis ist 0° Celsius.
Wenn Sie die Temperatur des Eises beobachten, wenn es schmilzt, sehen Sie, dass die Temperatur bei 0° C konstant bleibt, bis das ganze Eis geschmolzen ist. Während Änderungen des Zustands (Phasenänderungen) bleibt die Temperatur konstant, obwohl die Flüssigkeit mehr Energie als das Eis enthält (weil sich die Partikel in Flüssigkeiten schneller als die Partikel in Festkörpern bewegen, wie im vorherigen Abschnitt erwähnt).
Wenn Sie einen Topf Wasser erhitzen (oder wenn Sie fortfahren, den im vorangegangenen Abschnitt erwähnten Topf mit dem Eiswürfel zu erhitzen), steigt die Temperatur des Wassers an, und die Partikel bewegen sich schneller und schneller, während sie die Hitze absorbieren. Die Temperatur steigt an, bis das Wasser die nächste Änderung des Zustands erreicht. Wenn sich die Partikel schneller und schneller bewegen, je nachdem, wie sie erhitzt werden, beginnen sie, die Anziehungskräfte untereinander zu überwinden und als Dampf aufzusteigen. Der Prozess, bei dem sich eine Substanz vom flüssigen in den gasförmigen Zustand bewegt, wird Sieden genannt. Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit zu kochen beginnt, wird der Siedepunkt (SP) genannt. Der SP ist vom atmosphärischen Druck abhängig, aber für Wasser auf Meereshöhe liegt er bei 100 °C. Die Temperatur des kochend heißen Wassers bleibt konstant, bis alles verdampft ist.
Es gibt sowohl Wasser als auch Dampf bei 100 °C. Sie haben dieselbe Temperatur, aber der Dampf hat viel mehr Energie (weil sich die Partikel unabhängig und ziemlich schnell bewegen). Weil Dampf mehr Energie hat, sind Verbrennungen durch Dampf normalerweise viel ernster als die durch kochendes Wasser, weil viel mehr Energie auf Ihre Haut übertragen wird. Ich wurde hieran eines Morgens erinnert, als ich versuchte, eine Falte aus meinem Hemd zu bügeln, das ich anhatte. Meine Haut und ich können bestätigen – Dampf enthält viel Energie!
Ich kann den Prozess des Wassers, das sich von einem Festkörper zu einer Flüssigkeit verwandelt, wie folgt zusammenfassen:
Weil das Grundteilchen in Eis, Wasser und Dampf das Wassermolekül H2O ist, kann derselbe Prozess auch so dargestellt werden:
Hierbei steht (s) für Festkörper, das (l) steht für Flüssigkeit und (g) für Gas. Die Abkürzungen s, l, g sind die Anfangsbuchstaben der englischen Bezeichnungen für solid, liquid und gas. Diese zweite Darstellung ist viel besser, weil die meisten Substanzen im Gegensatz zu H2O keine unterschiedlichen Namen für ihren festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand haben.
Wenn Sie eine gasförmige Substanz abkühlen, können Sie die Phasenänderungen genauso beobachten. Die Phasenänderungen sind:
Die Gaspartikel haben viel Energie, aber da sie abgekühlt sind, ist diese Energie reduziert. Die Anziehungskräfte haben jetzt eine Chance, die Partikel enger zusammenzuziehen, wobei sich Flüssigkeit bildet. Dieser Prozess wird Kondensation genannt. Die Partikel sind jetzt in Klumpen (wie er bei Partikeln in einem flüssigen Zustand charakteristisch ist), aber da mehr Energie durch Abkühlen entfernt wird, beginnen die Partikel, sich auszurichten, und ein Festkörper entsteht. Dieser ist bekannt als Eis. Die Temperatur, bei der dies geschieht, wird Gefriertemperatur (GP) der Substanz genannt.
Die Gefriertemperatur ist die gleiche wie die Schmelztemperatur – es ist der Punkt, an dem die Substanz in der Lage ist, eine Flüssigkeit oder ein Festkörper zu sein.
Ich kann Wasser als Zustandsänderung eines Gases in einen Festkörper darstellen:
Die meisten Substanzen gehen durch die »logische« Fortentwicklung vom Fest- körper zur Flüssigkeit, sobald sie erhitzt werden – oder umgekehrt, wenn sie abgekühlt werden. Aber einige Substanzen gehen direkt vom Festkörper in den gasförmigen Zustand über, ohne jemals eine Flüssigkeit zu werden. Wissenschaftler nennen das Sublimation. Trockeneis – festes Kohlenstoffdioxid CO2
Der Prozess der Sublimierung wird so dargestellt:
Abbildung 2.2
Abbildung 2.2: Klassifizierung der Materie
reine Substanz
Eine reine Substanz kann entweder ein Element oder eine Verbindung sein, aber die Zusammensetzung einer reinen Substanz variiert nicht.
Kapitel 3
Das Wichtigste, das Sie sich in diesem Augenblick merken können, ist, dass Elemente die Bausteine von Materie sind. Und sie befinden sich in einer eigenartigen Tabelle, die Sie vielleicht irgendwann einmal gesehen haben – dem Periodensystem der Elemente. (Wenn Sie nie zuvor eine solche Tabelle gesehen haben – sie ist einfach eine Liste von Elementen.)
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Mischungen können entweder homogen oder heterogen sein.
Homogene Mischungen, manchmal Lösungen genannt, sind in der Zusammensetzung relativ gleichförmig; jeder Teil der Mischung ist wie jeder andere Teil. Wenn Sie Zucker in Wasser auflösen und ihn wirklich gut mischen, ist Ihre Mischung grundsätzlich gleich, egal, wo Sie das prüfen.
Wenn Sie aber etwas Zucker in einen Topf geben, etwas Sand hinzuzufügen und dann ein paar Mal schütteln, hat Ihre Mischung nicht überall in dem Topf dieselbe Komposition. Weil der Sand eine höhere Dichte hat, gibt es wahrscheinlich mehr Sand unten auf dem Topfboden und mehr Zucker im oberen Teil. In diesem Fall haben Sie eine heterogene Mischung, eine Mischung, deren Komposition je nach Ort innerhalb der Probe variiert.
Energie kann mehrere Formen haben wie Hitzeenergie, Lichtenergie, elektrische Energie oder mechanische Energie. Aber zwei allgemeine Kategorien von Energie sind Chemikern besonders wichtig – kinetische und potenzielle Energie.
Kinetische Energie ist die Energie der Bewegung. Ein Baseball, der durch die Luft in Richtung des Schlagmanns fliegt, hat ein großes Maß an kinetischer Energie. Fragen Sie irgendjemanden, der jemals von einem Baseball getroffen wurde, und ich bin sicher, er stimmt Ihnen zu! Chemiker studieren manchmal Teilchen, die sich bewegen, besonders bei Gasen, weil die kinetische Energie dieser Partikel hilft, zu klären, ob eine bestimmte Reaktion stattfinden kann. Der Grund ist, dass Zusammenstöße zwischen Partikeln eine Übertragung von Energie bewirken, sodass chemische Reaktionen ablaufen können.
Die kinetische Energie kann von einem Partikel auf ein anderes übertragen werden. Haben Sie jemals Pool-Billard gespielt? Sie übertragen kinetische Energie von Ihrem Stock auf den Spielball und (hoffentlich) auf den Ball, auf den Sie zielen.
Kinetische Energie kann in andere Arten von Energie umgewandelt werden. In einem Wasserkraftwerk wird die kinetische Energie des fallenden Wassers in elektrische Energie umgewandelt. In der Tat gibt ein wissenschaftliches Gesetz – das Gesetz der Erhaltung der Energie – an, dass in gewöhnlichen chemischen Reaktionen (oder physikalischen Prozessen) Energie weder geschaffen noch zerstört wird, aber aus einer Form in eine andere umgewandelt werden kann.
Es braucht viel Energie, einen menschlichen Körper in Betrieb zu halten. Was wäre, wenn es keine Möglichkeit gäbe, die Energie aus der Nahrung zu speichern? Sie würden die ganze Zeit essen müssen, nur um Ihren eigenen Körper auf Betriebstemperatur zu halten (meine Frau behauptet, dass ich sowieso die ganze Zeit esse!), aber Menschen können Energie in chemischen Verbindungen speichern. Später, wenn wir diese Energie dann brauchen, können unsere Körper diese Verbindungen aufbrechen und die Energie wieder freigeben.
Dasselbe gilt für die Treibstoffe, die wir überall verwenden, um unsere Häuser zu heizen und unsere Autos zu fahren. Energie ist in diesen Treibstoffen – Benzin zum Beispiel – gespeichert und wird freigegeben, wenn chemische Reaktionen stattfinden.
Die Einheit der Wärme ist das Joule (J). Die meisten von uns verwenden immer noch die metrische Einheit von Wärme, die Kalorie (cal). Hier ist die Beziehung zwischen den beiden:
