Über die Autoren

Peter Mikulecky wuchs in Milwaukee auf, in einer Region von Wisconsin, in der deutlich mehr Rinder als Menschen leben. Nach einer ereignisreichen, vier Jahre währenden Zeit beim Militär erhielt Peter seinen akademischen Abschluss, den Bachelor of Science, in Biochemie und Molekularbiologie von der University of Wisconsin‐Eau Claire und promovierte in Biochemie an der Indiana University. Da sein Herz leidenschaftlich für die Wissenschaft schlug, wollte er auch andere mit seiner Begeisterung für die molekularen Wunderwelten anstecken. Nachdem er bereits Studenten unterrichtet und in Labors betreut hatte, war Peter überglücklich, am Fusion Learning Center und an der Fusion Academy unterzukommen. Dort bereitet es ihm bis heute Freude, seine Studenten davon zu überzeugen, dass Biologie und Chemie faszinierende Wissensgebiete darstellen und nicht nur dazu erdacht wurden, unglückliche Teenager zu quälen. Seine militärische Ausbildung ist ihm bei dieser Tätigkeit von gewissem Nutzen.

Katherine (Kate) Brutlag ist eine eingefleischte Wissenschaftsfanatikerin, seitdem sie als kleines Kind zum ersten Mal ein Buch über Dinosaurier in den Händen hielt. Da sie in Minnesota geboren wurde, liebt Kate typisch regionale Aktivitäten wie Wintersport und Käseessen. Kate verließ Minnesota als Jugendliche, um am Middlebury College in Vermont zu studieren und graduierte dort in den Fächern Physik und Japanische Sprache. Weil sie diese beiden grundverschiedenen Leidenschaften miteinander verbinden wollte, verbrachte sie danach ein Jahr in Kyoto (Japan), um dort mit einem Fulbright‐Stipendium auf dem Gebiet der Astronomie zu forschen. Kate zog es jedoch schon bald wieder zur reinen Wissenschaft zurück, und durch ihre Arbeit an der Fusion Academy entdeckte sie ihre Liebe zur Pädagogik: Dort unterrichtet sie in der Oberstufe Naturwissenschaften und Japanisch.

Michelle Rose Gilman ist sehr stolz darauf, Noahs Mutter genannt zu werden. Nach dem Abgang von der University of Florida fand Michelle ihren Platz sehr schnell; sie arbeitete schon mit 19 Jahren mit psychisch kranken und lernbehinderten Studenten in Krankenhäusern. Mit 21 zog sie nach Kalifornien, wo sie eine Leidenschaft dafür entwickelte, Kindern dabei zu helfen, die Schule und das Leben zu meistern. Was als Nebenbeschäftigung in der Garage auf ihrem Grundstück begann, nahm bald solche Ausmaße an, dass die Straße in ihrem Wohnbezirk mit Verkehrsschildern ausgestattet werden musste.

Heute ist Michelle Gründerin und Hauptgeschäftsführerin des Fusion Learning Centers und der Fusion Academy, einer Privatschule und Prüfungsvorbereitungsstätte in Solana Beach, Kalifornien, die jährlich über 2000 Schüler aufnimmt. Michelle ist Autorin von »ACT For Dummies«, »Pre‐Calculus For Dummies«, »AP Biology For Dummies«, »AP Chemistry for Dummies«, »GRE For Dummies« und einiger weiterer Bücher zu den Themen Selbstbewusstsein, Schreiben und Motivation. Michelle hat in den letzten 20 Jahren Dutzende von Programmen initiiert, die Jugendlichen dabei helfen sollen, sich zu gesunden Erwachsenen zu entwickeln. Derzeit spezialisiert sie sich auf die Arbeit mit unmotivierten Halbwüchsigen, betreut die betroffenen Eltern und steht den 35 Mitarbeitern ihrer Lehrstätte mit Rat und Tat zur Seite.

Michelle lebt nach dem Motto: Es gibt Menschen, die sich mit Sehnsüchten begnügen; ich gehöre nicht dazu.

Brian Petersons Liebe zur Wissenschaft reicht bis zu seinem Leistungskurs Biologie in der Schule zurück. An der University of San Diego belegte Brian als Hauptfach Biologie und als Nebenfach Chemie und konzentrierte sich dabei verstärkt auf medizinische Themen. Anstatt jedoch im Anschluss auf eine medizinische Fakultät zu wechseln, schlug Brian als junger Erwachsener einen »lehrreichen« Umweg ein und landete so am Fusion Learning Center und an der Fusion Academy. Dort wurde es schon bald seine Leidenschaft, Studenten etwas beizubringen. Jahre später ist er nun Leiter der Wissenschaftsabteilung der Fusion Academy und hat einen Stab von 11 Lehrern unter sich. Brian, der den Spitznamen »Beeps« von seinen Studenten erhielt, vermittelt seinen Studenten die Liebe zur Wissenschaft mithilfe einzigartiger und innovativer Kursinhalte.

Widmung

Wir möchten dieses Buch unseren Familien und Freunden widmen, die uns während des Schreibens unterstützt haben. Es ist auch unseren Studenten gewidmet, die uns dazu motivieren, bessere Lehrer zu werden, indem wir mit ungewöhnlichen und unkonventionellen Wegen ihr Interesse wecken.

Danksagungen der Autoren

Ein Dank geht an Bill Gladstone von Waterside Productions, einen tollen Agenten und Freund. Wir danken Georgette Beatty, unserer Projektherausgeberin, für ihre klaren Rückmeldungen und wertvolle Unterstützung. Ein besonderer Applaus gilt unserer Lektorin Lindsay Lefevere, die aus bisher unklaren Gründen auch weiterhin mit uns arbeiten möchte. Anerkennung schulden wir auch unserer Redakteurin Vicki Adang sowie unserem Fachgutachter Michael Edwards.

Einleitung

»Das Allerwichtigste für das Verständnis der Chemie ist, dass man praktisch arbeiten und Experimente durchführen sollte; derjenige, der weder praktisch arbeitet noch Experimente durchführt, wird niemals zur Meisterschaft gelangen.«

Jäbir ibn Hayyän, 8. Jahrhundert

»Eines der Wunder dieser Welt besteht darin, dass schon die kleinsten Dinge Großes bewirken können: Jedes sichtbare Klümpchen – so winzig es auch sein möge – enthält mehr Atome als Sterne in unserer Galaxis vorhanden sind.«

Peter W. Atkins, 20. Jahrhundert

Die Chemie ist praktisch und gleichzeitig wundersam, bescheiden und zugleich majestätisch. Und für denjenigen, der sie zum ersten Mal studiert, kann Chemie auch ganz schön knifflig sein.

Aus diesem Grund haben wir dieses Buch geschrieben. Die Chemie ist erstaunlich. Arbeitsbücher sind praktisch. Dies ist ein Arbeitsbuch der Chemie.

Über dieses Buch

Wenn Sie sich im Dickicht der Stöchiometrie verlaufen haben oder bis zum Hals im Sumpf der Pufferlösungen stecken, dann haben Sie vermutlich wenig Sinn für die hinreißende Poesie des atomaren Glanzes des Universums. Was Sie brauchen, ist ein bisschen praktischer Beistand. Thema für Thema, Problem für Problem, dieses Buch reicht Ihnen eine helfende Hand, um sich aus jedem Sumpf und Dickicht zu befreien.

Die Themen, die dieses Buch behandelt, werden häufig in Grundkursen für Chemie gelehrt. Wir konzentrieren uns hier auf Aufgaben – Aufgaben, denen Sie wahrscheinlich häufig bei Hausarbeiten oder in Prüfungen begegnen. Wir vermitteln Ihnen gerade soviel Theorie, dass Sie verstehen, wo der Hund bei einem bestimmten Problem begraben liegt. Dann konfrontieren wir Sie mit einigen Beispielen. Und dann sind Sie an der Reihe, diese Aufgaben zu lösen.

Dieses Arbeitsbuch ist aus Modulen aufgebaut. Sie können sich einfach ein bestimmtes Kapitel und die dazugehörigen Aufgabentypen heraussuchen, mit denen Sie am meisten zu kämpfen haben; Sie müssen dieses Buch nicht von vorne bis hinten durchlesen, wenn Sie nicht unbedingt möchten. Wenn bei bestimmten Problemen zuvor Wissen über andere Themengebiete erforderlich ist, werden wir Ihnen das mitteilen und Sie in die richtige Richtung schicken. Und was ziemlich wichtig ist – fertig ausgearbeitete Lösungen und Erläuterungen werden für jedes Problem gleich mitgeliefert.

Konventionen in diesem Buch

Wir haben die folgenden Markierungen gewählt, um Sie durch dieses Buch zu leiten:

Kursivschrift hebt Definitionen sowie bestimmte Wörter hervor und macht auf Formelvariablen aufmerksam.
Fettgedrucktes markiert Schlüsselbegriffe in Listen und Aufzählungen.

Törichte Annahmen über den Leser

Wir gehen davon aus, dass Sie bereits Gelegenheit gehabt haben, mit Algebra und Arithmetik auf Tuchfühlung zu gehen. Sie sollten wissen, wie man einfache Gleichungen mit einer Unbekannten löst. Sie sollten auch in der Lage sein, mit Exponenten und Logarithmen umzugehen. Soweit zu Ihren mathematischen Fähigkeiten, die wir voraussetzen. Seien Sie jedoch beruhigt, denn wir werden nicht von Ihnen verlangen, dass Sie sich zum Beispiel mit den Widersprüchlichkeiten zwischen der Schrödinger‐Gleichung und der stochastischen Wellenfunktion auseinandersetzen.

Wir nehmen an, dass Sie ein Schüler oder Student sind und mindestens ein weiteres Chemiebuch für Schule oder Studium besitzen oder irgendein anderes Grundlagenbuch wie zum Beispiel »Chemie für Dummies« (von John T. Moore, EdD, Wiley‐VCH Verlag). Wir vermitteln Ihnen in diesem Arbeitsbuch ausreichend Theorie, um Probleme verstehen und angehen zu können, aber Sie werden von ausführlicherer Literatur sicherlich profitieren. Mit zusätzlicher Literatur werden Sie besser verstehen, wie sich die kleinen Dinge in der Chemie zu einem übergreifenden Ganzen verbinden – Sie werden den Wald aus lauter Bäumen sehen, wenn man so will.

Wir nehmen zudem an, dass Sie keine Zeit verschwenden wollen. Das wollen wir auch nicht. Chemiker sind im Allgemeinen nicht gerade versessen darauf, Zeit zu verschwenden; wenn Sie also ungeduldig nach Fortschritt verlangen, sind Sie zumindest im Herzen bereits ein kleiner Chemiker.

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Dieses Arbeitsbuch ist nach Themen unterteilt. Es ist jedoch keineswegs absolut notwendig, alle Kapitel eines Teils durchzulesen, und es ist auch nicht erforderlich, im Buch brav von einem Teil zum nächsten zu wandern. Diese Vorgehensweise kann jedoch durchaus empfehlenswert sein, falls Sie sich noch im Zustand Totaler Chemischer Verwirrung (T.C.V.) befinden.

Teil I: Mit Zahlen, Atomen und Elementen anbandeln

Chemiker sind Wissenschaftler, daher behandeln sie Zahlen mit Sorgfalt und halten sich an allgemeingültige Regeln. Die Gründe für diese Akribie werden verständlich, wenn Sie sich bewusst werden, mit welch riesigen Teilchenzahlen Chemiker für gewöhnlich rechnen müssen. Die bekanntesten Teilchen heißen Atome. Dieser Abschnitt vermittelt Ihnen Basiswissen über Zahlen in der Chemie, beschreibt die grundlegende Struktur der Atome und erklärt, wie Atome zu den verschiedenen Elementen werden und wie sie in unterschiedlichen Substanzen miteinander interagieren.

Teil II: Verbindungen aufbauen und erneuern

Reaktionen sind dramatische Vorgänge in der Chemie. Atome verbinden sich zu Molekülen, und Moleküle reagieren miteinander zu Substanzen. Dieser Teil gibt Ihnen das grundlegende Werkzeug in die Hand, um diese Dramen zu verstehen. Wir vermitteln Basiswissen über Bindungen und erklären die Nomenklatur für chemische Substanzen. Wir machen Sie mit dem Mol bekannt, lassen Sie Kontakt mit chemischen Gleichungen aufnehmen und die Welt der Stöchiometrie erforschen; Sie finden hier einfache Konzepte, die für Sie in Ihrer Chemielaufbahn sicherlich von Nutzen sind – egal ob diese lang oder kurz sein wird.

Teil III: Veränderungen auf energetischer Ebene betrachten

Chemie ist gleich Veränderung. Veränderung kann stattfinden oder aber auch nicht. Veränderungen können schnell oder langsam ablaufen. Arbeitsam und fleißig wie Chemiker nun mal sind, wollen sie stets wissen, ob eine chemische Veränderung eintritt und wie lange diese anhalten wird. Dieser Teil beschäftigt sich mit den verschiedenen Arten der Veränderung, die in chemischen Systemen auftreten können, und betrachtet auch die Systeme – nennen wir sie Lösungen –, in denen diese Veränderungen ablaufen. Wir definieren den Unterschied zwischen Gleichgewicht (wird es sich einstellen?) und Reaktionsgeschwindigkeit (wie lange dauert es, bis etwas passiert?) und setzen beide in Beziehung zu verschiedenen energetischen Zuständen. Da in der Chemie sowohl Energie als auch Materie transformiert werden, erkunden wir einige Möglichkeiten, wie Chemiker die Energieänderungen erklären, durch die chemische Reaktionen angetrieben werden.

Teil IV: Ladung wechsle dich

Die Ladung ist ein wichtiges Thema in der Chemie. Geladene Teilchen sind die wichtigsten Spieler auf dem Spielfeld der Chemie, und dieser Teil des Buchs untersucht deren Spielstrategie näher. Säure‐Basen‐Reaktionen sind lebhafte, chemische Ereignisse, die stark von den Wirkungen geladener Teilchen wie Wasserstoff‐ und Hydroxidionen (H+ und OH–… dazu später mehr) abhängig sind. Oxidations‐Reduktions‐ (oder kurz »Redox«‐) Reaktionen bilden eine weitere wichtige Reaktionsgruppe; hier werden Elektronen übertragen, jene winzigen, negativ geladenen Partikel, die am meisten zu einer chemischen Reaktion beitragen. Abschließend werden wir Ihnen noch einen Überblick über die Kernchemie geben, den speziellen Zweig der Chemie, der sich mit Teilchentransformationen innerhalb des positiv geladenen Kerns eines Atoms beschäftigt.

Teil V: Jetzt wird's organisch

Da viele Chemiker quicklebendig sind, ist es nicht verwunderlich, dass sich viele von ihnen für die Chemie des Lebens interessieren. Die Chemie, die sich mit den Vorgängen in lebenden Organismen beschäftigt, wird insgesamt als Organische Chemie oder als Chemie der Kohlenstoffverbindungen bezeichnet. Obwohl die Organische Chemie für lebende Organismen kennzeichnend ist, beschränkt sie sich jedoch nicht ausschließlich darauf. Die Energie‐ und Materialindustrien sind zum Beispiel randvoll mit Wissenschaftlern, die sich mit Organischer Chemie beschäftigen. Dieser Teil liefert einen kurz gefassten Überblick über die Grundlagen der Organischen Chemie, beschreibt einfache Strukturen und Strukturmotive und stellt einige der für die Biologie wichtigen Gruppen organischer Moleküle vor.

Teil VI: Der Top‐Ten‐Teil

Es ist recht leicht, sich in einer Wissenschaft verloren zu fühlen, die sich so vielen Dingen widmet – angefangen von subatomaren Teilchen über Handy‐Akkus bis hin zu den Atomspektren weit entfernter Sterne. Wenn Ihnen von all dem schwindelig wird und Sie sich in einem T.C.V.‐Zustand befinden, hilft Ihnen der Top‐Ten‐Teil dabei, wieder festen Boden unter den Füßen zu bekommen. Dieser Teil ist erfreulich kurz und praktisch zugleich, bietet eine Sammlung von Gleichungen, die Sie wirklich brauchen, und hilfreiche Eselsbrücken zu kniffligen Sachverhalten. Die Zeit, die Sie damit verbringen im Top‐Ten‐Teil zu schmökern, ist nie verschwendete Zeit.

Symbole in diesem Buch

Sie werden einigen hilfreichen Symbolen begegnen, die von Zeit zu Zeit hübsch ordentlich an den Rändern dieses Arbeitsbuches auftauchen. Betrachten Sie sie als Orientierungshilfe oder als vertraute Verkehrsschilder, die Sie auf den Schnellstraßen der Chemie sicher leiten werden.

In bereits gekürzten Zusammenfassungen über chemische Sachverhalte markiert dieses Symbol Passagen, die die Sache noch knapper auf den Punkt bringen. Sie werden die Informationen dieser Abschnitte besonders brauchen, um Aufgaben lösen zu können.

Meist gibt es einen umständlichen und einen einfachen Weg zur Lösung einer Aufgabe. Dieses Symbol macht Sie auf Textabschnitte aufmerksam, die den einfachen Lösungsweg aufzeigen. An diesen Stellen ist es sinnvoll, etwas länger zu verweilen. Sie werden sich dabei ertappen, still vor sich hin zu nicken, während Sie ein oder zwei dieser Hinweise durchlesen.

Chemie kann eine sehr praktische Wissenschaft sein, sie hat aber auch ihre Tücken. Dieses Symbol hisst eine rote Flagge, um Sie auf mögliche Fehlerquellen und andere Fallen hinzuweisen, in die Sie leicht tappen könnten. Es soll Sie davor bewahren, zu viele Fehler zu machen, durch die Sie nur in sinnlose Frustration verfallen würden.

Am besten lernt man durch anschauliche Beispiele. Da wird alles gleich viel klarer. Dieses Icon weist auf solche Beispiele hin und die Lösung dazu steht praktischerweise auch direkt darunter.

Wie es ab hier weitergeht

Wie es weitergeht, hängt von Ihrer persönlichen Situation, Ihrem Lernstil und dem T.C.V.‐Stadium ab, in dem Sie sich eventuell noch befinden:

Wenn Sie derzeit an einem Chemiekurs teilnehmen, könnte es sinnvoll sein, das Inhaltsverzeichnis durchzugehen, um festzustellen, welche Themen Sie bereits im Unterricht durchgenommen haben. Gibt es da ein Thema, an dem Sie besonders zu knabbern haben? Nehmen Sie sich dann doch mal einige der praktischen Aufgaben vor, um einschätzen zu können, ob Sie schon für den nächsten Theorieschritt bereit sind.
Wenn Sie vergrabenes Wissen über Chemie wieder ausbuddeln wollen, empfehlen wir Ihnen, die einzelnen Kapitel nach Musteraufgaben zu durchsuchen. Wenn Sie diese durchlesen, werden Sie wahrscheinlich auf eine von zwei Arten reagieren: 1.) »Aaah, ja… daran erinnere ich mich noch.« oder 2.) »Hm, nein… das kommt mir ziemlich unbekannt vor.« Lassen Sie sich von Ihren Reaktionen leiten.
Wenn Sie gerade am Anfang eines Chemiekurses sind, können Sie auch in diesem Arbeitsbuch den Lernstoff mitverfolgen und die Übungsbeispiele nutzen, um Ihre Hausaufgaben besser zu meistern oder um sich auf Prüfungen vorzubereiten. Alternativ können Sie dieses Buch natürlich auch verwenden, um sich schon vorab über Themen zu informieren, die Sie in Ihrem Chemiekurs vermittelt bekommen werden (frei nach dem Motto: Mit 'nem Teelöffel Zucker nimmst du jede Medizin).

In welcher Situation Sie sich auch immer befinden, nutzen Sie die Musteraufgaben klug, denn sie bilden das Herz dieses Arbeitsbuches. Arbeiten Sie jede Aufgabe vollständig durch – auch wenn Sie schon auf halber Strecke denken, Sie hätten etwas falsch gemacht – bevor Sie zur Lösung blättern. Wenn Ihre Antwort falsch war, versuchen Sie die Gründe dafür zu verstehen und die Erläuterungen genau nachzuvollziehen, sodass Sie wirklich wissen, was Sie falsch gemacht haben. Dann erst sollten Sie sich der nächsten Übung widmen.

Vergessen Sie auch die Schummelseite (die gelbe, heraustrennbare Seite ganz vorne in diesem Buch) und den Top‐Ten‐Teil nicht. Das Wesentlichste, das Sie benötigen, um die schwierigen Aufgaben zu lösen, finden Sie in diesen beiden treuen Helfern.

Und schlussendlich, seien Sie versichert, dass Chemie kein Buch mit sieben Siegeln ist. So geheimnisvoll sie auch manchmal erscheinen mag, die Chemie ist eine durchaus erlernbare und praktische Arbeit. Auch wenn Ihnen die Chemie vielleicht momentan noch Ehrfurcht einflößt, wird sie Ihnen sicherlich irgendwann aus der Hand fressen. Sie werden die Oberhand gewinnen!

»Wissenschaft ist, so glaube ich, nichts weiter als geschulter und geordneter Menschenverstand.«

Thomas H. Huxley, 19. Jahrhundert