Allgemeine Chemie für Dummies E-Book

Stefanie Ortanderl

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Für Dummies
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 1193

Veröffentlichungsjahr: 2025

Beschreibung

Systematisch und mit vielen Übungen Chemie lernen

Die Chemie ist in zahlreiche Teilgebiete gegliedert, doch gewisse Grundlagen braucht jeder Chemiker, denn nur auf einem guten Fundament lässt sich komplexeres Wissen aufbauen. Stefanie Ortanderl und Ulf Ritgen erklären Ihnen in diesem Buch verständlich, aber detailliert und mit vielen Beispielen die nötigen Basics. Von chemischen Bindungen über Stöchiometrie und Nomenklatur bis Komplexchemie ist alles dabei – und noch viel mehr. So ist dieses Buch die perfekte Vorbereitung auf die höheren Fachsemester und die nächste Klausur kann kommen.

Sie erfahren

• Was es über Materie, Normen und Energie zu wissen gibt
• Was das Periodensystem der Elemente im Detail ausmacht
• Was es mit Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen auf sich hat

Leseprobe

Allgemeine Chemie für Dummies

Schummelseite

Allgemeine Chemie für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

1. Auflage 2025

© 2025 Wiley-VCH GmbH, Boschstraße 12, 69469 Weinheim, Germany

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Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Coverfoto: Tomasz Zajda- stock.adobe.comKorrektur: Petra Heubach-Erdmann

Print ISBN: 978-3-527-71804-7ePub ISBN: 978-3-527-82949-1

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelblatt

Impressum

Inhaltsverzeichnis

Einführung

Symbole in diesem Buch

Törichte Annahmen über den Leser

Wie Sie dieses Buch einsetzen

Wie es weitergeht

Notiz

Kapitel 0A: Vorwort für Leute, die gerne Vorworte lesen

Ist Chemie das Gegenteil von Natur?

Ist Chemie etwas Negatives?

Ist Chemie schwer?

Und warum

halten

dann so viele Chemie für schwer?

Was

ist

denn eigentlich Chemie?

Und warum brauche

ich

Ahnung von Chemie?

Kapitel 0B: Vorwort für Leute, die endlich mit Chemie anfangen wollen

Chemie – eine Wissenschaft mit LEGO

®

-Charakter

Teil I: Rahmenbedingungen

Kapitel 1: Die Materie folgt Gesetzen

Das Atom ist »geboren«

Stoffklassen

Übung

Vertiefung: Spielen wir doch einmal LEGO

®

!

Kapitel 2: Grundsätzliches und Normales

SI-Einheiten

SI-Präfixe

Das ist normal!

Was man halt so sagt

Übung

Vertiefung

Kapitel 3: Annahmen und Definitionen

Atome – einzeln betrachtet

Das Mol – woher kommt das?

Übung

Vertiefung

Kapitel 4: Ohne Energie läuft gar nichts

Energie hat viele Namen

Physikalische Vorgänge – Hier bleiben Stoffe unverändert

Chemische Vorgänge – Hier werden Stoffe verändert

Ein kleiner Ausflug in die Thermodynamik

Übung

Vertiefung

Teil II: Atommodelle und das Periodensystem

Kapitel 5: Atome im Porträt

Atome – unter die (sprichwörtliche) Lupe genommen

Das Atom als … Schalentier? –

BOHR

Übung

Vertiefung

Kapitel 6: Da haben wir den Quantensalat – SCHRÖDINGER

Fangen wir mit stehenden Wellen an – Und jetzt: Musik!

Quantenzahlen, die Erste

Quantenzahlen, die Zweite – Jetzt mit Orbitalen!

Quantenzahlen, die Dritte – Mit Orbitalen Schritt für Schritt das ganze PSE aufbauen

Übung

Vertiefung

Kapitel 7: Wichtigstes Werkzeug: Das Periodensystem der Elemente

Immer der Reihe nach – Elektronen ordnen sich ein

Übung

Vertiefung

Teil III: Atome in Gesellschaft – chemische Bindungen

Kapitel 8: Gegensätze ziehen sich an – Die ionische Bindung

Woher kommen Kationen und Anionen?

Unendliche Ordnung

Übung

Vertiefung

Der Weg ist das Ziel – zum Ionenkristall

Kapitel 9: Hier wird geteilt – Die kovalente Bindung

Moleküle zusammenstecken –

LEWIS

-Formeln und mehr

Mehrfachbindungen

Wie sieht das Ganze räumlich aus? – Das VSEPR-Modell

Molekül-Darstellungen

Wie kommt's? – Das

Valence-Bond

-Modell (VB)

Moleküldynamik

Übung

Vertiefung

Noch eine Übung (damit haben Sie nicht gerechnet, oder?)

Kapitel 10: Kann ganz schön hart sein – Die Metallbindung

Was man über Metalle wissen sollte

Metallkristalle

Was Metalle so treiben

Übung

Vertiefung

Kapitel 11: Rückblick auf die ionische Bindung

Kristallbausteine unter sich

Ausgewählte Strukturtypen

Übung

Vertiefung

Teil IV: Stoffe – und wie sie zustande kommen

Kapitel 12: Es geht nur gemeinsam – Intermolekulare Wechselwirkungen

Bindungen: Kovalonisch oder ionolent? – Der Bindungscharakter

Intermolekulare Wechselwirkungen

Unterschiedlich stark

Gleiches löst sich in Gleichem

Übung

Vertiefung

Kapitel 13: Gase

Gase unter Druck

Das ideale Gasgesetz

DALTON – Und jetzt: alle zusammen

Übung

Vertiefung

Kapitel 14: Flüssigkeiten und Lösungen

Hier ist Bewegung drin

Lösungen

Übung

Vertiefung

Kapitel 15: Feststoffe

Kristallin oder amorph?

Zurück zur Elementarzelle

Nass, aber trocken: Kristallwasser

Übung

Vertiefung

Teil V: Chemische Reaktionen

Kapitel 16: Stoffbilanz! Ladungsbilanz! – Stöchiometrie

Atome tauchen nicht aus dem Nichts auf, und sie verschwinden auch nicht »einfach so«

Das Gleiche gilt für Ladungen

Übung

Vertiefung

Kapitel 17: Schnell oder langsam – Die Reaktionsgeschwindigkeit

Formalkram

Ordnung muss sein

Der Reaktion wird eingeheizt

Und jetzt?

Kapitel 18: In der Ruhe liegt die Kraft – Das chemische Gleichgewicht

Ein Fußballspiel der anderen Art

Das Massenwirkungsgesetz (MWG)

Übung

Vertiefung

Kapitel 19: Wenn die Base mit der Säure

Ein erster Ansatz:

ARRHENIUS

Geben und nehmen:

BRØNSTED

und

LOWRY

Die

p

H-Skala

Das ist ja stark – oder eben nicht

Berechnung von

p

H-Werten

Bemühen wir uns um Neutralität: Wenn die Base mit der Säure (Teil 2)

Übung

Vertiefung

Noch eine Übung

Kapitel 20: Redox: Elektrische Ströme in der Chemie

Redox-Reaktionen

Ein hilfreiches Werkzeug: Oxidationszahlen

Redox-Paare

Elektrochemische Potenziale

Übung

Vertiefung

Kapitel 21: Die einen geben, die anderen nehmen: Komplexchemie

Koordinationsverbindungen

Formeln für Komplexe

Stabilität von Komplexen

Übung

Vertiefung

Teil VI: Top-Ten-Teil

Kapitel 22: Zehn Instrumente der Mathematik, die Sie unbedingt beherrschen sollten

Wie man's schreibt

Hier geht's hoch her: Potenzen

Was

ist

eigentlich ein Logarithmus?

Der gute alte Dreisatz

Gleichungen umstellen

Einheiten umrechnen – zurück zu den SI-Präfixen

Am Ende steht die Analyse

Der Taschenrechner hat keineswegs immer recht!

Runden – kaufmännisch oder wissenschaftlich?

Gleichungen …

Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Tabellenverzeichnis

Kapitel 1

Tabelle 1.1: Griechische Zahlenpräfixe

Kapitel 2

Tabelle 2.1: Die sieben SI-Grundgrößen

Tabelle 2.2: Präfixe für die Zehnerpotenzen

Tabelle 2.3: Verschiedene Standardbedingungen

Kapitel 3

Tabelle 3.1: Tatsächliche Masse der Elementarteilchen (in Kilogramm)

Tabelle 3.2: Masse der Elementarteilchen in u

Kapitel 5

Tabelle 5.1: Spektrallinien des Wasserstoff-Atoms

Kapitel 6

Tabelle 6.1: Grundton und Obertöne

Kapitel 8

Tabelle 8.1: Eigenschaften in Abhängigkeit von der Gitterenergie

Kapitel 9

Tabelle 9.1: Koordinationszahlen und resultierende Koordinationspolyeder

Tabelle 9.2: Koordinationspolyeder und räumlicher Bau bei ΨCN = 4

Tabelle 9.3: Koordinationspolyeder und räumlicher Bau bei ΨCN = 5

Tabelle 9.4: Polarität von Bindungen

Kapitel 11

Tabelle 11.1: Raumerfüllung der wichtigsten Kugelpackungen

Kapitel 12

Tabelle 12.1: Vergleich der Stärke verschiedener Bindungen / Wechselwirkungen

Tabelle 12.2: Siedepunkte ausgewählter Verbindungen

Kapitel 13

Tabelle 13.1: Druck- und temperaturabhängige Molvolumina

Kapitel 14

Tabelle 14.1: Löslichkeit (gemäß Ph. Eur.)

Kapitel 16

Tabelle 16.1: Stoffbilanz des Reaktionsschemas

Tabelle 16.2: Stoffbilanz nach dem ersten Schritt

Tabelle 16.3: Stoffbilanz des Reaktionsschemas

Tabelle 16.4: Stoffbilanz nach den ersten drei Schritten

Tabelle 16.5: Stoffbilanz nach dem ersten Schritt und dem, was sich daraus zwin...

Tabelle 16.6: Stoffbilanz nach dem Ergänzen der fehlenden Ionen

Tabelle 16.7: Stoffbilanz nach dem Ergänzen der fehlenden Ionen

Tabelle 16.8: Stoffbilanz für die vollständige Verbrennung von Octan

Kapitel 19

Tabelle 19.1: Konjugierte Säure/Base-Paare nach

BRØNSTED

und

LOWRY

Tabelle 19.2: Die

p

H-Skala

Tabelle 19.3: Konjugierte Säure/Base-Paare des Wassers

Tabelle 19.4:

p

K

S

-Werte

Kapitel 20

Tabelle 20.1: Die elektrochemische Spannungsreihe

Tabelle 20.2: Stoff- und Ladungsbilanz für die

Reduktion

Tabelle 20.3: Stoff- und Ladungsbilanz für die

Gesamtgleichung

Kapitel 21

Tabelle 21.1: Namen von Neutralverbindungen, wenn sie als Liganden fungieren

Tabelle 21.2: Namen von Anionen, die als Liganden fungieren

Tabelle 21.3: Herkunft ausgewählter Elementsymbole

Kapitel 22

Tabelle 22.1: Exemplarische Wertepaare

Illustrationsverzeichnis

Kapitel 0B.1

Abbildung 0B.1: Das Periodensystem der Elemente - ein erster Überb...

Kapitel 1

Abbildung 1.1: Einteilung der Stoffe

Abbildung 1.2: Reinstoffe (a, c) und ein Gemisch (b)

Abbildung 1.3: Verbrennung von Ethanol – symbolisiert durch LEGO

®

-Steine

Abbildung 1.4: Verbrennung von Ethanol – symbolisiert durch kugelförmige Atome

Kapitel 2

Abbildung 2.1: Messgenauigkeiten

Kapitel 3

Abbildung 3.1: Atomare Elementarteilchen

Abbildung 3.2: Isotope von Wasserstoff und Kohlenstoff

Kapitel 4

Abbildung 4.1: Phasenumwandlungen

Abbildung 4.2: Phasenumwandlungen von Wasser

Abbildung 4.3:

MAXWELL

-

BOLTZMANN

-Verteilung

Abbildung 4.4: Verdunsten einer Flüssigkeit

Abbildung 4.5: Exotherme und endotherme Reaktionen

Abbildung 4.6: Aktivierungsenergie

Abbildung 4.7: Ein (a) reversibler und ein (b) irreversibler Proz...

Abbildung 4.8: Der Satz von

HESS

Abbildung 4.9: Das elektromagnetische Spektrum

Abbildung 4.10: Temperaturabhängigkeit des Emissionsspektrums ei...

Kapitel 5

Abbildung 5.1: Verschiedene Atommodelle

Abbildung 5.2: Der

RUTHERFORD

'sche Streuversuch

Abbildung 5.3: Beugung weißen Lichts am Prisma

Abbildung 5.4: Wechselspiel der Kräfte im

BOHR

'schen Atommodell

Abbildung 5.5: Das Prinzip der Quantensprünge – und ihrer Folgen

Abbildung 5.6: Das Linienspektrum des Wasserstoff-Atoms

Abbildung 5.7: Wie die Spektrallinien des Wasserstoff-Atoms zustande kommen

Abbildung 5.8: Linienspektren ausgewählter Elemente

Abbildung 5.9: Der photoelektrische Effekt: v

1

max

> v

2

max

> v

3

max

Abbildung 5.10: Die zwei Arten der Interferenz

Abbildung 5.11: Echte Wellen auf einem echten Gewässer

Abbildung 5.12: Das Doppelspaltexperiment

Kapitel 6

Abbildung 6.1: Das Atom … (a) klassisch und (b) unter Berücksicht...

Abbildung 6.2: Eine Gitarrensaite … und was die so treiben kann

Abbildung 6.3: Stehende Wellen mit Knotenebenen

Abbildung 6.4: Manches

geht

einfach nicht.

Abbildung 6.5: Ausgewählte Schwingungsmodi einer Pauke

Abbildung 6.6: Wellenfunktionen (a)

ohne

Knotenebene, (b) mit

ein

...

Abbildung 6.7: Grafische Darstellung ausgewählter Orbitalsätze

Abbildung 6.8: Das Zusammenspiel von Haupt-, Neben- und Magnetqua...

Abbildung 6.9: Keine Tierquälerei:

SCHRÖDINGER

s Katze

Kapitel 7

Abbildung 7.1: Langform des Periodensystems

Abbildung 7.2: Kurzform des Periodensystems

Abbildung 7.3: Unterschiedliche Bereiche im Periodensystem (Langf...

Abbildung 7.4: Relative Orbital-Energien in Mehr-Elektronen-Syste...

Abbildung 7.5: Besetzungsschema für die Orbitale

Abbildung 7.6: Elektronenanordnung mit Elektronenkonfiguration

Abbildung 7.7: Aufbau der Elemente im Periodensystem

Abbildung 7.8: Atomradien der Elemente

Abbildung 7.9: Lanthanoidenkontraktion

Abbildung 7.10: Schmelzpunkte der Metalle

Abbildung 7.11: Erste Ionisierungsenergien (in eV)

Abbildung 7.12: Periodizität der ersten Ionisierungsenergien

Abbildung 7.13: Höhere Ionisierungsenergien

Abbildung 7.14: Elektronenaffinitäten (in Elektronenvolt)

Abbildung 7.15: Elektronegativitäten nach

ALLRED/ROCHOW

Abbildung 7.16: Schrägbeziehungen im Periodensystem

Kapitel 8

Abbildung 8.1: Kationen und Anionen

Abbildung 8.2: Vergleich von Atom- und Ionenradien

Abbildung 8.3: NaCl-Ionenkristall

Abbildung 8.4: Gitterenergie

Abbildung 8.5:

BORN-HABER

-Kreisprozess

Kapitel 9

Abbildung 9.1: Kalottenmodell-Darstellungen ausgewählter Moleküle

Abbildung 9.2: Bindigkeit

Abbildung 9.3: Ethanol (a) und Dimethylether (b)

Abbildung 9.4: Das VSEPR-Modell – Koordinationszahlen 2 bis 4

Abbildung 9.5: Das VSEPR-Modell – Koordinationszahlen 5 bis 7

Abbildung 9.6: Winkel in der (a) trigonalen und der (b) pentagona...

Abbildung 9.7: Vom Koordinationspolyeder zum räumlichen Bau

Abbildung 9.8: Koordinationspolyeder und räumlicher Bau

Abbildung 9.9: Verschiedene Darstellungsweisen von CH

3

Br

Abbildung 9.10: Entstehung kovalenter Bindungen nach dem

Valence

...

Abbildung 9.11: Zustandekommen von Einfachbindungen durch Überla...

Abbildung 9.12: Promotion und sp

3

-Hybridisierung

Abbildung 9.13: Ein Beispiel für sp

3

-Hybridisierung: Ethan

Abbildung 9.14: Promotion und sp

2

-Hybridisierung

Abbildung 9.15: Ein Beispiel für sp

2

-Hybridisierung: Ethen

Abbildung 9.16: Promotion und sp-Hybridisierung

Abbildung 9.17: Ein Beispiel für sp-Hybridisierung: Ethin

Abbildung 9.18: Mögliche Arten der Bindung bei sp-Hybridisierung

Abbildung 9.19: Mögliche Hybridisierungszustände des Kohlenstoff...

Abbildung 9.20: Das VSEPR-Modell und die Hybridisierung

Abbildung 9.21: Carbokation und Carbanion

Abbildung 9.22: Freie Drehbarkeit um die Einfachbindung

Abbildung 9.23:

Keine

freie Drehbarkeit um die Doppelbindung

Abbildung 9.24: Zu CHCl

3

und C

2

H

5

Cl

Abbildung 9.25: Zu C

3

H

7

Br und C

2

H

3

Cl

Abbildung 9.26: Zu C

3

H

4

Abbildung 9.27: Zum räumlichen Bau der gesuchten Verbindungen

Abbildung 9.28: Polarität in Bindungen

Abbildung 9.29: Moleküle mit und ohne Dipolmoment (

LEWIS

-Formeln...

Abbildung 9.30: Zwei Ionen und ein neutrales Molekül (in

LEWIS

-F...

Abbildung 9.31: Mesomerie – am Beispiel Ozon (O

3

)

Abbildung 9.32: Phasen von Orbitalen

Abbildung 9.33: Bindende und antibindende Wechselwirkungen – und...

Abbildung 9.34: MO-Diagramm von elementarem Stickstoff (N

2

)

Abbildung 9.35: MO-Diagramme von (a) elementarem Fluor und (b) e...

Abbildung 9.36: Polarität der Bindungen und resultierendes Dipol...

Kapitel 10

Abbildung 10.1: Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle

Abbildung 10.2: Elektronengas-Modell

Abbildung 10.3: Duktilität: Bei Metallen vorhanden (a), bei ioni...

Abbildung 10.4: Ganz primitiv – in zwei (a) und in drei (b) Dime...

Abbildung 10.5: Wie eine Elementarzelle gefunden werden kann

Abbildung 10.6: Mögliche Elementarzellen innerhalb eines Gitters

Abbildung 10.7: Das Innere einer kubisch-primitiven Elementarzel...

Abbildung 10.8: Das kubisch-innenzentrierte Gitter

Abbildung 10.9: Das hexagonal-primitive Gitter

Abbildung 10.10: Lücken in der hexagonalen Lage (a) und die res...

Abbildung 10.11: (a) Hexagonal- und (b) kubisch-dichteste Kugel...

Abbildung 10.12: Kugelpackungen: (a) hexagonal und (b) kubisch

Abbildung 10.13: Darum heißt es »kubisch«-dichteste Kugelpackun...

Abbildung 10.14: Vom Molekülorbital zum Band

Abbildung 10.15: Valenzband und Leitungsband

Abbildung 10.16: Elektrische Leiter, Halbleiter und Isolatoren

Kapitel 11

Abbildung 11.1: (a) Die Elementarzelle der kubisch-dichtesten Ku...

Abbildung 11.2: (a) Tetraederlücke (b) Oktaederlücke (c) Würfell...

Abbildung 11.3: Ausgewählte Strukturtypen

Abbildung 11.4: Die 14

BRAVAIS

-Gitter

Kapitel 12

Abbildung 12.1: Polarität des Wasser-Moleküls

Abbildung 12.2: Verschiedene Arten der intermolekularen Wechselw...

Abbildung 12.3:

VAN-DER-

WAALS

-Kräfte – induzierte Dipolmomente

Abbildung 12.4: Gleiches löst sich in Gleichem: (a) Wasser und E...

Abbildung 12.5: Welche dieser Verbindungen sind hydrophil, welch...

Abbildung 12.6: (a) Glycerin; (b) Hexan; (c) Nonan

Abbildung 12.7: Einfluss von Wasserstoffbrückenbindungen auf den...

Abbildung 12.8: Oberflächenspannung

Abbildung 12.9: Dreidimensionale Struktur von Wasser im festen Z...

Abbildung 12.10: Adhäsion und Kohäsion

Kapitel 13

Abbildung 13.1: Annahmen der kinetischen Gastheorie

Abbildung 13.2: Gasgesetze

Abbildung 13.3: Volumina bei Gasreaktionen

Kapitel 14

Abbildung 14.1: Dampfdruck über einer Flüssigkeit

Abbildung 14.2: Phasendiagramm

Kapitel 15

Abbildung 15.1: Das kubisch primitive Gitter: äquivalente Lagen

Abbildung 15.2: Positionsbezeichnungen im Gitter relativ zum Urs...

Abbildung 15.3: Äquivalente Lagen im NaCl-Kristall

Abbildung 15.4: Äquivalente Lagen in Caesiumchlorid

Abbildung 15.5: Äquivalente Lagen im Calciumfluorid

Abbildung 15.6: Punktdefekte: (a)

SCHOTTKY

- und (b)

FRENKEL

-Defe...

Abbildung 15.7: Versetzungen: (a) Stufen- und (b) Schraubenverse...

Kapitel 17

Abbildung 17.1: Ist das wirklich die Reaktionsgeschwindigkeit?

Abbildung 17.2: Reaktionsgeschwindigkeit

Abbildung 17.3: Vergleich des zeitlichen Konzentrationsverlaufs ...

Kapitel 18

Abbildung 18.1: Ein dynamisches Gleichgewicht – schematisch als ...

Abbildung 18.2: Die Lage des chemischen Gleichgewichts

Kapitel 19

Abbildung 19.1: Protonierung von Ammoniak, Deprotonierung von Wa...

Abbildung 19.2: Die Autoprotolyse des Wassers

Abbildung 19.3: Titration von (a) starker Säure gegen starke Bas...

Abbildung 19.4: Der Äquivalenzpunkt

Abbildung 19.5: Titration einer (a) schwachen Säure gegen eine s...

Abbildung 19.6: Starke und schwache Säure im direkten Vergleich

Abbildung 19.7: Die Deprotonierungsstufen der Schwefel- und der ...

Abbildung 19.8: Puffer als »Protonenfänger« und »Protonenquelle«

Abbildung 19.9: Warum funktionieren Puffer eigentlich?

Abbildung 19.10: Ausgewählte Farbindikatoren

Abbildung 19.11: Die Entstehung eines Ammonium-Ions – nach

LEWI

...

Abbildung 19.12: Prognosen zur Löslichkeit auf Basis des HSAB-K...

Kapitel 20

Abbildung 20.1: Ein Eisen-Draht, der in eine Lösung von Kupfer-Ionen taucht

Abbildung 20.2: Bestimmung von Oxidationszahlen: kovalent aufgebaute Verbindunge...

Abbildung 20.3: Das

DANIELL

-Element (mit Salzbrücke)

Abbildung 20.4: Die Normal-Wasserstoff-Elektrode (NHE)

Abbildung 20.5: Wie sich das elektrochemische Gleichgewicht einstellt

Abbildung 20.6: Konzentrationskette auf der Basis Cu

2+

/Cu

Abbildung 20.7: Für die nachfolgenden Übungsaufgaben relevante Strukturformeln

Abbildung 20.8: Negative (a – c) und positive Polarisation (d) von Elektroden

Abbildung 20.9: Elektrolyse

Abbildung 20.10: Stromfluss (a) beim galvanischen Element und (b) bei der Elektr...

Abbildung 20.11: Elektrolyse von (a) Wasser und (b) Natriumchlorid (wasserfrei)

Kapitel 21

Abbildung 21.1: Ausgewählte Koordinations-Verbindungen

Abbildung 21.2: Die koordinative Bindung – (a) ein alter Bekannter; (b) ein Addu...

Abbildung 21.3: Zwei zweizähnige Liganden

Abbildung 21.4: Ligandenaustausch-Reaktion (a); Entstehung eines Chelatkomplexes...

Abbildung 21.5: Formalladungen und Oxidationszahlen in Komplexen

Abbildung 21.6: Räumlicher Bau der verschiedenen Komplex-Ionen

Abbildung 21.7: Ausgewählte Koordinationsmöglichkeiten in Komplexen

Abbildung 21.8:

cis

- und

trans

-Form von Diammindichloridoplatin(0)

Abbildung 21.9: Chiralität führt zu Enantiomerenpaaren

Kapitel 22

Abbildung 22.1: Graphen - und wie man sie (nicht) erstellt

Orientierungspunkte

Cover

Titelblatt

Impressum

Inhaltsverzeichnis

Einführung

Kapitel 0A: Vorwort für Leute, die gerne Vorworte lesen

Kapitel 0B: Vorwort für Leute, die endlich mit Chemie anfangen wollen

Fangen Sie an zu lesen

Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

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Einführung

Die in der Studieneingangsphase naturwissenschaftlicher Fächer übliche »Einführung in die Allgemeine Chemie« erfolgt gemeinhin in Form einer Vorlesung im Umfang von zwei bis drei Semesterwochenstunden, unterstützt durch ein zugehöriges Seminar von vergleichbarem Stundenumfang.

Der Aufbau und das Zusammenspiel dieser Lehr- und Lerneinheiten ist dabei meist sehr ähnlich:

In den

Vorlesung

sstunden werden den Studierenden vornehmlich Sachverhalte beziehungsweise abstrakte Konzepte der Chemie präsentiert.

Für das zugehörige (tiefere) Verständnis sowie den Erkenntnisprozess, dass – und wie – in der Chemie wirklich »alles mit allem zusammenhängt«, sind in erster Linie die zugehörigen

Seminare

zuständig.

Erstaunlicherweise jedoch begnügt sich eine Vielzahl von Lehrbüchern mit dem Anspruch, ihre Leserschaft in die Grundlagen der Chemie einzuführen, auf eine möglichst kompakte, vollständige und zugleich tunlichst übersichtliche Darstellung und Zusammenfassung aller »Themen der Chemie, die man kennen sollte«, häufig unterstützt durch Übungsaufgaben mit mehr oder minder ausführlichen Lösungen. Die Erkenntnis, dass – und wie – die einzelnen Teilgebiete der Chemie in Wahrheit untrennbar miteinander verbunden sind, bleibt damit nur allzu häufig auf der Strecke, und bei manchen Studierenden – insbesondere jenen, die dem Fach häufig skeptisch, wenn nicht sogar offen ablehnend gegenüberstehen – verfestigt sich unwillkürlich der Eindruck, Chemie sei in Wahrheit ein Sammelsurium verschiedenster Teilgebiete, die miteinander nicht das Geringste zu tun hätten … was jeglichem auf Verständnis ausgerichteten Lernerfolg natürlich massiv entgegensteht.

Dieses Buch bemüht sich um einen anderen Ansatz: Hier folgen in jedem Kapitel dem eher Sachverhalt-lastigen »Vorlesungs-Inhalt« – in etwa wie im real existierenden Hochschul-Alltag – ein Übungs- und ein Vertiefungsteil, wobei Letzterer als »Vertiefendes Seminar zum Selber-Lesen« dienen soll.

Zunächst werden in jedem Kapitel die jeweils betreffenden Konzepte der Chemie vorgestellt und erläutert sowie anhand ausgewählter Beispiele nachvollziehbar gemacht. Wichtige Formeln oder Gesetze, die sich einzuprägen ratsam wäre, werden eingeführt und in den jeweiligen Kontext eingebettet.

Es folgt ein Übungs-Abschnitt mit einigen Aufgaben nebst ausführlicher Lösung – wo es erforderlich erscheint, mit konkretem Verweis auf den jeweiligen »Vorlesungs-Inhalt«.

In dem sich anschließenden Vertiefungs-Abschnitt werden dann ausgewählte Konzepte noch einmal etwas ausführlicher betrachtet, dabei aber auch, wo möglich, mit dem in

vorangegangenen

Kapiteln behandelten Stoff in Beziehung gesetzt. Entsprechend beschränkt sich der »Vertiefungs-Teil« keineswegs auf weitere Übungsaufgaben: Vielmehr soll die Leserschaft Schritt für Schritt in das komplexe Zusammenspiel der einzelnen »Teildisziplinen der Chemie« eingeführt werden, sodass sich eben jene so unerlässlich wichtigen

Zusammenhänge

praktisch von selbst erschließen.

In den nachfolgenden Kapiteln werden dann auch die Inhalte aus den jeweiligen Vertiefungs-Abschnitten als bekannt vorausgesetzt beziehungsweise es wird, um diese Zusammenhänge aufzuzeigen, gegebenenfalls eben auch auf Vertiefungs-Abschnitte rückverwiesen.

Für diejenigen, die schon mit den Grundlagen der Chemie vertraut sind, hier ein Beispiel:

Im »Vorlesungs-Teil« werden die Spielregeln des VSEPR-Modells zur Vorhersage des räumlichen Baus von Molekülen oder Molekül-Ionen behandelt.Im »Übungsteil« soll man anhand einiger Beispiele sicherstellen können, dass man bei der Anwendung dieses Modells auf die gleichen Ergebnisse kommt, die sich in Lehrtexten finden.In den nachfolgenden »Vertiefungs-Teilen« werden dann besagte Spielregeln nicht nur anhand ausgewählter weiterer Beispiele eingeübt (darunter auch Verbindungen, die schon in vorangegangenen Kapiteln erwähnt wurden), sondern es wird auch darauf eingegangen, wie sich die Ergebnisse in (praktisch) alles zuvor Behandelte einfügen, einschließlich Überlegungen darüber, wie sich der resultierende räumliche Bau auf Dinge wie Polarität, die entsprechend resultierenden intermolekularen Wechselwirkungen und letztendlich sogar auf makroskopische Eigenschaften wie Schmelz- oder Siedepunkte auswirkt.

Das in diesem Buch im obigen Abschnitt erstmalig eingesetzte Beispiel-Icon bringt uns gleich zu den hier verwendeten Symbolen, die den Lesern1 den Umgang mit den hier präsentierten Konzepten und dergleichen mehr tunlichst erleichtern sollen.

Symbole in diesem Buch

Häufig werden einzelne Abschnitte des Buches durch das eine oder andere Icon gekennzeichnet. In diesem Buch finden Sie fünf verschiedene:

Mit dem Ausrufezeichen sind Gesetze und/oder Formeln, Definitionen und Prinzipien gekennzeichnet, die wirklich wichtig sind. Auf diese wird entsprechend auch in den nachfolgenden Kapiteln immer wieder zurückgegriffen werden. Ohne das, was hier steht, kommen Sie also früher oder später nicht mehr weiter.

Häufig erweisen sich Faustregeln oder Merkhilfen als bemerkenswert nützlich. Diese sind in diesem Buch mit der Glühbirne gekennzeichnet. Gleiches gilt auch für allgemeine Lerntipps, die Ihnen das weitere Vorankommen im Studium erleichtern sollten. (Zugegeben: Hin und wieder haben wir derlei Lerntipps auch, um den Lesefluss nicht zu stören, einfach in den Fließtext integriert.)

Es gibt in der Chemie so manche gerade bei Studienanfängern äußerst beliebten (Denk-)Fehler. Die gilt es natürlich tunlichst zu vermeiden, und genau deswegen weisen wir in den mit der Explosion gekennzeichneten Passagen ausdrücklich auf potenzielle intellektuelle Stolperfallen hin.

In mit dem erhobenen Zeigefinger markierten Abschnitten finden sich Verweise auf Konzepte oder Sachverhalte, die Ihnen bereits aus vorangegangenen Kapiteln bekannt vorkommen sollten (sei es nun aus einem »Vorlesungs-« oder einem »Vertiefungs-Abschnitt«). Hier wird also auf genau jene Zusammenhänge hingewiesen, die für das Verständnis der Wissenschaft namens »Chemie« so unerlässlich sind.

Dass das Beispiel-Icon einen Abschnitt markiert, in dem es um ein Beispiel geht, haben Sie vielleicht schon an obigem Beispiel bemerkt. So mancher Rechenansatz und so manche Formel werden anhand eines Beispiels sehr viel leichter nachvollziehbar, deswegen wimmelt es in diesem Buch nur so davon.

Zudem gibt es noch ein etwas weniger auffälliges Symbol, das Ihnen die Verwendung korrekter Fachsprache erleichtern solle: die Betonungs-Unterstreichung, die Ihnen verrät, welche Silbe (oder welcher Laut) eines Fachworts jeweils zu betonen ist. So reimt sich etwa der Nachname des Mannes, dem wir die Stiftung für die wohl weltweit angesehensten Ehrungen auf dem Gebiet der Wissenschaften verdanken (gemeint ist natürlich der Nobelpreis), keineswegs auf das Tischlerwerkzeug Hobel.

Nebenbei bemerkt …

In praktisch jeder Vorlesung ergehen sich Dozierende früher oder später in kurzen »konstruktiven Abschweifungen«, in der sie vom aktuellen Thema auf etwas eingehen, das entweder mit der direkten Alltags-Wirklichkeit zu tun hat oder den Bogen zu anderen Themengebieten schlägt – auch wenn jene Gebiete, rein fachlich betrachtet, eventuell erst deutlich später von Belang sein mögen. Derlei Dinge – gerne auch Anekdoten oder dergleichen – möchten wir Ihnen natürlich nicht vorenthalten und halten uns daher auch nicht zurück. Genau dafür sind diese Kästen da.

Törichte Annahmen über den Leser

Vermutlich halten Sie dieses Buch in Händen, weil zu Ihrem Studium, was auch immer Ihr Hauptfach sein mag, auch eine Einführungsveranstaltung in die Grundlagen der Chemie gehört –, an deren Ende höchstwahrscheinlich auch die eine oder andere Form von Abschlussprüfung steht.

Sollten Sie Vorkenntnisse mitbringen, stammen diese vermutlich aus der Schulzeit und/oder liegen schon ein wenig weiter in der Vergangenheit.

Sie sind sich alles andere als sicher, ob Ihre bisherigen (Vor-)Kenntnisse alleine zum Bestehen des Chemie-Moduls ausreichen werden.

Aus diesem Grund ist Ihnen daran gelegen, eben jene Grundlagen hinreichend zu durchdringen – idealerweise, indem Sie tatsächlich etwas

verstehen

, statt sich in exzessivem Auswendiglernen ergehen zu müssen. (Hier schon jetzt ein nicht ganz unwichtiger Hinweis: Tatsächlich

kann

man mit reiner Auswendiglernerei in der Chemie keine langfristigen Erfolge erzielen.)

Deswegen sind Sie auch durchaus bereit, beim Lesen eines Sach-Textes zunächst aktiv

mitzudenken

, statt nur die (vermeintlich) wichtigsten Aussagen/Formeln/Beispiele herauszuschreiben und sich diese dann nur geistlos einzuprägen. (Noch ein Hinweis: Meistens bringt reines »Pauken« nichts. Ja, wir wiederholen uns. Das wird in dieses Buch immer wieder geschehen. Manche wichtigen Dinge

kann

man gar nicht oft genug wiederholen.)

Außerdem ist Ihnen klar, dass diejenigen, die seinerzeit Ihren Studiengang geplant haben, gewiss gute Gründe hatten, Chemie als »für Ihr Fach notwendig« anzusehen. Entsprechend soll es Ihnen recht sein, sich ein wenig damit zu befassen, statt es nur als »lästige Pflicht« anzusehen, die man »nach diesem Semester dann ja hinter sich hat«. Besonders schön wäre es, wenn Sie während der Lektüre dieses Buches bemerken sollten, dass Chemie für Sie und Ihr Fach anscheinend

wirklich

nicht ganz unwichtig ist.

Falls Sie sich beim einen oder anderen der vorangegangenen Gedanken wiedererkannt haben, ist dieses Buch wahrscheinlich das Richtige für Sie, denn wir wollen Ihnen hier zeigen, dass Chemie wirklich kein Hexenwerk ist oder »ein gewisses Naturtalent« voraussetzt, sondern sich durchaus verstehen lässt … und längst nicht so schwer ist, wie die meisten »Chemie-Unkundigen« gemeinhin behaupten.

Wie Sie dieses Buch einsetzen

Dieses Buch soll Ihnen wirklich als »Lehrbuch« dienen: Es will kein »Handbuch der wichtigsten Chemie-Fakten« sein, sondern ist darauf ausgelegt, Sie nach und nach – und in nachvollziehbaren Schritten – in die verschiedenen Konzepte und Aspekte der Chemie einzuführen und aufzuzeigen, wie besagte Konzepte und Aspekte miteinander zusammenhängen. Am Ende sollten Sie nicht nur ein solides Verständnis für »die Chemie an sich« entwickelt haben, sondern auch ein gewisses »Chemie-Gespür«.

Eben weil die verschiedenen Konzepte und Aspekte der Chemie miteinander verzahnt sind wie die Rädchen eines mechanischen Uhrwerks, bauen die einzelnen Kapitel dieses Buches aufeinander auf: In späteren Kapiteln – in »Vorlesungs-«, vor allem aber in »Vertiefungs-Abschnitten« – wird immer wieder auf Dinge zurückgegriffen, die in vorangegangenen Abschnitten des Buches bereits behandelt wurden. Bekommen Sie also bitte keinen Schreck, wenn Sie beim ersten Durchblättern des Buches in den späteren Kapiteln womöglich nicht sofort verstehen, worum es da eigentlich gerade geht! Selbstverständlich wird überall dort, wo bereits Bekanntes erforderlich wird, noch einmal darauf verwiesen, wo genau Sie die erforderlichen Informationen finden können – nur für den Fall, dass diese Ihrer Erinnerung doch entschwunden sein sollten. Etwaige dabei erforderliche Gleichungen oder Formeln sind zur besseren Orientierung nummeriert (zum Beispiel: 4.2); die dem Punkt vorangestellte Zahl verrät Ihnen dann gleich, in welchem Kapitel die zugehörigen Prinzipien erläutert wurden (hier wäre es Kapitel 4). Entsprechend lautet unsere Empfehlung, sich von der Struktur des Buches einfach leiten zu lassen: Wenn Sie die Inhalte der jeweils vorangegangenen Kapitel erst einmal verstanden haben, laufen die nachfolgenden fast von selbst.

Wie es weitergeht

Die Inhalte dieses Buches sind in der Reihenfolge einer typischen Einführungsveranstaltung zur Chemie sortiert, daher sollten Sie dieses Buch (mehr oder minder) parallel zu Ihren zugehörigen Vorlesungen und Übungen nutzen können.

Da natürlich alle Dozierenden ihren eigenen »roten Faden der Chemie« entwickeln, ist es sehr gut möglich, dass die Reihenfolge der Kapitel variiert, und das eine oder andere Thema mag auch weniger tiefschürfend behandelt (oder im Gegenteil deutlich ausführlicher erläutert) werden, aber im Prinzip sollte Ihnen dieses Buch den Zugang zu sämtlichen Grundlagen der Allgemeinen Chemie erleichtern.

Wir wünschen Ihnen viel Erfolg und auch viel Spaß bei Ihrer Reise ins Begreifen der Chemie!

Notiz

1

   Um der Lesbarkeit willen wurde auf das Gendern verzichtet. Wir möchten aber ausdrücklich betonen, dass das rein grammatikalische generische Maskulinum

auf jeden Fall alle Interessierten einschließt

.

Kapitel 0A

Vorwort für Leute, die gerne Vorworte lesen

IN DIESEM KAPITEL

geht es zunächst einmal darum, einen Einstieg zu finden …… und das gleich zweimalbetrachten wir die Materie, Normen und Energie

Bevor es losgeht, bitten wir Sie, einmal kurz darüber nachzudenken, welche Assoziationen das Wort »Chemie« bei Ihnen auslöst … und dann darüber, welche Assoziationen Ihnen von anderen zu diesem Thema schon zu Gehör gekommen sind (beispielsweise, als Sie erzählt haben, sich einem Studium widmen zu wollen, bei dem unter anderem eben auch die Grundlagen der Chemie behandelt werden): Es ist zutiefst erstaunlich, wie viele naturwissenschaftliche Laien der Chemie gegenüber massive Vorbehalte hegen. Häufig fallen dann Bemerkungen wie:

»Chemie willst du machen? Haben wir nicht schon genug Umweltverschmutzung?«

»Ich finde, wir sollten auf Chemie verzichten!«

»Chemie? Das war für mich schon immer ein Buch mit sieben Siegeln!«

Und das ist nur die Spitze des Eisbergs. Hinter den meisten Bemerkungen dieser Art versteckt sich allerdings in Wahrheit die eine oder andere grundlegende Frage:

Ist Chemie das Gegenteil von Natur?

Bei Gesprächen über Krankheiten und gegebenenfalls hilfreiche Medikamente wird fast immer zwischen »Naturheilkunde« und »Chemie« unterschieden, und dabei steht nach landläufiger Meinung natürlich auch sehr deutlich fest, was bitteschön abzulehnen ist: natürlich »die Chemie-Keule«. Was hingegen »aus der Natur« kommt, kann doch nur gesund sein, es ist doch natürlich! – Na ja, in der Natur finden sich auch die Tabakpflanze (Gattung: Nicotiana) und der Cocastrauch (Erythroxylum coca), und nur die Wenigsten assoziieren mit den Naturstoffen (!) Nikotin und Kokain einen sonderlich gesunden Lebenswandel.

Die Frage, ob Chemie nun wirklich im Gegensatz zur Natur steht, lässt sich also schon einmal mit einem klaren Nein! beantworten.

Ist Chemie etwas Negatives?

Gewiss kennen auch Sie Werbung mit Slogans wie: »100 % Geschmack, 0 % Chemie!« oder »Wenn Sie die Nahrung für Ihr Kleinkind selbst herstellen müssten, würden Sie auf Chemie verzichten!« Derartige Behauptungen sind so falsch wie vielsagend, denn sie implizieren, dass es aus dem einen oder anderen Grund von Vorteil wäre, Chemie zu vermeiden. Das jedoch wäre gelinde ausgedrückt fatal, denn dass beispielsweise die menschliche Lunge regelmäßig Luft einsaugt (wir nennen es »Atmen«), hat maßgeblich chemische Gründe: Im Körper wird der in der Atemluft enthaltene Sauerstoff bei einer Vielzahl chemischer Reaktionen genutzt – insbesondere, um Kohlenstoff-Atome zu Kohlendioxid umzusetzen (das Sie ja anschließend wieder ausatmen). Derlei chemische Reaktionen liefern dem Körper die benötigte Energie, und dass es keineswegs von Vorteil wäre, das Atmen einzustellen, um »auf Chemie zu verzichten«, ist Ihnen gewiss auch klar. – Damit dürfen wir wohl auch für diese Frage die Antwort Nein! einloggen.

Das führt uns zur dritten und letzten Frage, die hier geklärt werden sollte:

Ist Chemie schwer?

Es gibt wohl kaum ein (Schul-)Fach, von dem man sich mit ähnlich stolzgeschwellter Brust brüsten kann, es »nie gerafft!« zu haben. Chemie steht im Ruf, so kompliziert (oder gleich ganz und gar unverständlich) zu sein, dass letztendlich nur immense Auswendiglernerei zu irgendeinem halbwegs akzeptablen (Prüfungs-)Ziel führt. Die Wahrheit allerdings sieht anders aus:

Chemie an sich ist keineswegs kompliziert. Sie ist lediglich komplex.

Betrachten wir dazu eine un-chemische Veranschaulichung:

Autofahren an sich (es geht hier nicht um Verkehrsregeln und dergleichen!) ist recht einfach – man muss nur eine gewisse, recht überschaubare Anzahl von Konzepten verinnerlicht haben und beherrschen:

Will man das Auto in eine bestimmte Richtung steuern, dreht man das Steuerrad in ebendiese Richtung. – Das erfordert vielleicht ein bisschen Praxis, erklärt sich aber fast von selbst.

Dass man mit dem Gaspedal beschleunigt, mit der Bremse – der Name verrät es ja schon – abbremst, ist ebenfalls recht intuitiv.

Gewiss, falls Sie nicht gerade einen Automatik-Wagen fahren, erfordert der Umgang mit Schaltknüppel und Kupplung ein wenig mehr Übung als die Verwendung des Lenkrads, aber auch das ist wahrlich kein Hexen-, sondern vornehmlich

Hand

werk.

Auf die Betätigung des Blinkers und dergleichen mehr soll jetzt nicht weiter eingegangen werden: Wir sind zuversichtlich, dass Sie verstanden haben, was wir meinen.

Insgesamt erfordert das Autofahren also das Beherrschen mehrerer, an sich jeweils recht bis sehr einfacher Disziplinen. Damit ist das Autofahren an sich eben nicht kompliziert, sondern wird dadurch, dass man verschiedene Dinge gleichzeitig im Blick behalten muss, bloß ziemlich komplex (weswegen etwa das gefürchtete »Anfahren am Berg« zumindest für Ungeübte wirklich eine gewisse Herausforderung darstellen kann).

Ganz ähnlich ist es in der Chemie: Auch hier gibt es eine wirklich überschaubare (!) Anzahl verschiedener Konzepte, die, jeweils für sich genommen, recht leicht zugänglich sind. Und analog zur Kunst des Autofahrens gilt es, diese verschiedenen Konzepte dann, wenn es um das Klären einer konkreten chemischen Frage geht, allesamt und eben auch gleichzeitig zu berücksichtigen, weil sich diese Konzepte durchaus wechselseitig beeinflussen können.

Und selbst das klingt womöglich noch zu schwierig: Viele – zwar nicht alle, aber eben doch viele – Konzepte der Chemie lassen sich systematisieren … und genau diese Systematisierbarkeit erleichtert das Lernen und Verstehen der Chemie gleichermaßen ungemein, denn was auf einem erkennbaren System basiert, lässt sich viel leichter einprägen als etwas »rein Willkürliches«. (Deswegen lässt sich etwa ein Gedicht mit erkennbarem Reimschema gemeinhin auch leichter auswendig lernen als ein Prosatext gleicher Länge.)

Hat man also besagte Konzepte erst einmal begriffen, erfordert es zweifellos immer noch Übung, sie auch wirklich allesamt im Blick zu behalten und nichts zu übersehen, aber mehr eben auch nicht. (Und anders als beim »Anfahren am Berg« brauchen Sie beim Erlernen der chemischen Grundlagen nicht zu befürchten, aufgrund einer Unachtsamkeit Blechschaden zu verursachen – niemand hetzt Sie!)

Kurz: Nein, Chemie ist nicht schwer.

Natürlich kann (oder muss) man, um die eine oder andere speziellere Frage zu klären, so tief in das eine oder andere Spezialgebiet vorstoßen, dass selbst Fach-Kolleginnen und -Kollegen gegebenenfalls nicht mehr zur Gänze folgen können, aber das gilt für alle anderen Wissenschaften genauso. (Unterhalten Sie sich doch bei Gelegenheit einmal in Ihrem Bekanntenkreis über die aktuellen fachlichen Themen beliebiger Geisteswissenschaften. Viel Vergnügen.)

Und warum halten dann so viele Chemie für schwer?

Das ist vermutlich die schwierigste Frage aus diesem Katalog. – Wir vermuten, dass dahinter (zumindest unter anderem) ein gewisses Maß an Ungeduld steckt: Erfolgserlebnisse lassen in der Chemie meist etwas länger auf sich warten, eben weil Chemie nun einmal eine komplexe Wissenschaft ist – es dauert nun einmal eine gewisse Zeit, bis man die einzelnen (oben erwähnten) Konzepte verstanden (oder das dahinter stehende System erkannt) hat, und dann erfordert es eben auch noch Übung, damit zu »jonglieren«, also ein Gespür dafür zu entwickeln, welches Konzept gerade von besonders großer Bedeutung ist und welches im jeweiligen Falle durchaus vernachlässigt werden darf oder gar irrelevant ist.

Manche nehmen sich nicht genug Zeit dafür … und/oder lassen sich durch andere dazu verleiten, »das bisschen Kram halt auswendig zu lernen«. – Davon raten wir dringend ab: Bei einem Studium an sich (das bezieht sich nicht nur auf die Chemie!) geht es in erster Linie nicht um reines Faktenwissen; das kann man schließlich bei Bedarf jederzeit nachschlagen. Bei einem Studium geht es vornehmlich um den Erkenntnisgewinn.

Die Hauptfrage lautet also nicht: »Wie ist das?«, sondern »Warum ist das so?« Natürlich lassen sich Fakten auswendig lernen, und manche Fakten einfach auf der sprichwörtlichen Pfanne zu haben, macht das Lernen auch viel einfacher, aber eines kann einfach nicht genug betont werden:

Auswendig lernen alleine bringt keine Erkenntnis.

Gewiss, es gibt in der Chemie – wie in jeder anderen Wissenschaft auch – gewisse Fachtermini, die man in den passiven und längerfristig gesehen auch in den aktiven Wortschatz aufnehmen sollte, aber das reine Auswendiglernen besagter Fachbegriffe alleine hilft noch nicht weiter.

Insofern besitzt das Bestreben, sich mit Chemie auseinanderzusetzen, auch eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Erlernen einer Fremdsprache: Alleine durch Vokabelpauken wird sich besagte Sprache nie erschließen, da fehlt die Übung ebenso wie der Erkenntnisgewinn.

Dennoch machen erschreckend viele Studierende, insbesondere in der Studieneingangsphase, den gleichen Fehler: Sie glauben, man könne ein Fach innerhalb kürzester Zeit durch »Hochdruckbetankung« bis zur Klausur-Reife pauken.

Wieder hilft der Vergleich mit dem Erlernen einer Fremdsprache:

Gewiss kennen Sie Audio-Sprachkurse wie »Italienisch in 30 Tagen«, bestehend aus 30 halbstündigen Lektionen. (Falls Ihnen Italienisch nicht gefällt, nehmen Sie Hindi oder Japanisch. Das Prinzip bleibt gleich. Ja, Klingonisch geht auch.)

Üblicherweise sind derlei Kurse darauf ausgelegt, dass man sich jeden Tag eine Lektion aktiv anhört – also nicht nur »nebenbei laufen lässt«, sondern wirklich »mitdenkt«.

Lerntipp: Zur besseren Wiederholung sollte man ab dem zweiten Tag vorher noch einmal die Lektion vom jeweiligen Vortag durchhören, um sich »einzuschwingen«.

Wenn Sie das wirklich durchhalten, werden Sie zwar nach Abschluss des Kurses vermutlich noch nicht fließend Italienisch parlieren, aber für den nächsten Urlaub wird's gewiss reichen (außer bei Klingonisch). – Genau so sollte man auch mit seinem Studienfach umgehen (und vielleicht auch ein bisschen mehr als 30 Minuten pro Tag dafür aufwenden …).

Bei beunruhigend vielen Studierenden jedoch läuft (nach deren eigenem Bekunden, wohlgemerkt!) kurz vor einer Abschluss-Klausur das folgende Programm: »Okay, heute ist Montag, die Klausur ist am Donnerstag, also habe ich noch drei Tage Zeit zum Lernen. Das reicht.« – Was meinen Sie wohl, wie es um den Italienisch-Lernerfolg bestellt wäre, wenn Ihr Lernplan folgendermaßen aussähe: »Das sind dreißig Lektionen à 30 Minuten – zusammen also fünfzehn Stunden. Wenn ich mir heute die ersten acht Stunden anhöre und morgen die restlichen sieben, habe ich noch den ganzen Mittwoch zum Wiederholen. Was soll da schiefgehen?« – Genau. (Bei Hindi oder Japanisch wäre das Endergebnis vermutlich nicht anders. Und bei Klingonisch auch nicht.)

Was ist denn eigentlich Chemie?

Sehr kurz gefasst ist Chemie die Wissenschaft von der Materie. In der Chemie befasst man sich mit Fragen wie:

Warum hat dieser oder jener Stoff gerade diese und keine anderen Eigenschaften?

Warum verhält sich dieses Material so, wie es sich nun einmal verhält?

Was passiert, wenn man …?

Und so weiter.

In der Chemie geht es zum einen um den Aufbau und die Struktur von Stoffen, zum anderen um die Veränderungen, denen besagte Stoffe unter gezielt gewählten Bedingungen unterliegen.

Allerdings geht es dabei in erster Linie um die Materie: Die Wechselwirkung verschiedener Stoffe mit Licht, Hitze oder einem magnetischen Feld spielt zwar auch eine Rolle, aber auch dabei geht es letztendlich darum, wie sich Licht, Hitze oder Magnetfeld auf die Materie auswirkt – oder, genauer: auf die Atome, aus denen Materie ja nun einmal besteht.

Auf die Frage, was er für die wichtigste naturwissenschaftliche Erkenntnis der Menschheitsgeschichte hielte, antwortete der Physik-Nobelpreisträger Richard FEYNMAN:

Die Erkenntnis, dass jegliche Materie aus Atomen aufgebaut ist. Alles andere ergibt sich daraus.

Entsprechend befasst man sich in der Chemie ausgiebig mit diesen kleinstmöglichen Materie-Bausteinen (alleine und auch im Team mit anderen Atomen: in Form von Molekülen oder Ionengittern und noch so manchem mehr) – und damit, was die den ganzen Tag eigentlich so treiben: Die Chemie befasst sich viel mit der mikroskopischen Welt.

Vergleichen wir einen Flummi und eine leere Glasflasche … – indem wir beide zu Boden fallen lassen:

Wer sich mit

Physik

befasst, kann Ihnen ausrechnen, mit welcher Geschwindigkeit (oder gar: Beschleunigung) besagte Objekte nun auf den Boden fallen, wie viel Energie dabei umgewandelt wird und warum der Flummi beim Hochflitschen unmöglich höher kommen kann als auf die Höhe, aus der er herabgefallen ist. (Vermutlich wird dabei früher oder später auch das Wort »Energieerhaltungssatz« fallen … dem Sie durchaus auch in diesem Buch wiederbegegnen werden. Eine klare Trennung zwischen Physik und Chemie ist schlichtweg nicht möglich.)

Wer sich mit

Chemie

befasst hat, kann hingegen erklären, warum besagter Flummi überhaupt so elastisch ist, dass er unbeschadet vom Boden abprallt, während bei der leeren Glasflasche ein

etwas

anderes Ergebnis zu erwarten steht. Und das wirft gleich weitere Fragen auf: Welche Wechselwirkungen zwischen welchen Atomen (oder: Atom-Sorten) sorgen dafür, dass Glas so zerbrechlich ist? Ist das immer so? Kann man daran etwas ändern? Und so weiter.

Es geht in der Chemie also – unter anderem – darum, inwieweit sich die makroskopischen Eigenschaften eines Stoffes anhand von dessen mikroskopischen Eigenschaften erklären oder gar vorhersagen lassen.

Ist das nicht Materialwissenschaft?

Nicht ganz. In der Chemie befasst man sich mit derlei Fragen eben auf der mikroskopischen, eben der atomaren Ebene, während es bei den Materialwissenschaften vornehmlich um das Makroskopische geht, also das betreffende Material in der konkreten (Alltags-)Anwendung.

Chemie: Wie ist dieses Mineral aufgebaut? Welche verschiedenen Elemente haben sich hier zusammengefunden? Welche Kristallstruktur liegt vor? Welche makroskopischen Eigenschaften lassen diese Informationen erwarten? …

Materialwissenschaften: Warum ist dieser Stahlträger an genau dieser Stelle durchgebrochen? Wie lässt sich das beim nächsten Mal verhindern? …

Man könnte vielleicht sagen, wer sich mit Chemie befasst, sei auf der Suche nach dem, »was die Welt im Innersten zusammenhält«, während es bei den Materialwissenschaften darum geht, wie man dafür sorgen kann, dass es auch so bleibt. Aber das bedeutet natürlich zugleich, dass man für die Materialwissenschaft auch solide Grundkenntnisse der Chemie braucht.

Nebenbei bemerkt …

Diese ewige Suche nach dem, »was die Welt im Innersten zusammenhält«, ist einer der Gründe dafür, dass die Promotion in der Chemie in den englischsprachigen Ländern zum Ph.D. führt, dem philosophiae doctor, also einem Doktortitel der Philosophie: Chemie ist aus der Naturphilosophie entstanden – was sich bei manchen Fragestellungen der Chemie auch heute noch zeigt.

Und warum brauche ich Ahnung von Chemie?

Für welches Fach auch immer Sie sich entschieden haben mögen: Wenn Sie dieses Buch in Händen halten, wird vermutlich von Ihnen erwartet, im Rahmen Ihres Studiums auch die Grundlagen der Chemie zu durchdringen. Und dafür gibt es bei allen Fächern, auf die das zutrifft, gute Gründe … vor allem, da Chemie nun einmal die Grundlage für jegliche Betrachtung von Materie ist (das hatten wir ja schon):

Wer sich für ein Studium der

Chemie

entschieden hat, sollte gewiss auch ein wenig von diesem Fach verstehen.

Wer

Biologie

studiert, befasst sich früher oder später auch mit den Stoffwechselwegen der Zelle (= eindeutig Materie!), und eben dieser Stoffwechsel basiert auf einer Vielzahl teilweise recht komplexer chemischer Reaktionen (zusammengefasst unter dem Begriff

Biochemie

). Wer sich damit befasst, kommt um solide Grundkenntnisse sowohl der

Allgemeinen

wie der

Organischen Chemie

(auf die in diesem Buch

nicht

allzu viel eingegangen wird, das ist ein eigener Teilbereich der Chemie) nicht herum. Für speziellere Gebiete wie die

Molekularbiologie

(da steckt das Wort »Molekül« ja schon drin!) gilt das erst recht, und auch in der

Genetik

spielen Moleküle oder Molekül-Teile eine wichtige Rolle.

In der

Medizin

geht es um lebende Organismen – die ja aus Zellen bestehen, deswegen lässt sich hier schlicht schreiben:

siehe

oben.

In

Pharmakologie

(einem Teilgebiet der

Pharmazie

) und

Toxikologie

betrachtet man den Einfluss von Naturstoffen beziehungsweise von synthetisch erzeugten Stoffen auf lebende Organismen. Insofern braucht's die Chemie hier nicht nur, weil natürlich auch diese Organismen wieder aus Zellen bestehen (

siehe

oben), sondern auch, weil jeder dieser Stoffe – natürlichen oder synthetischen Ursprungs – charakteristische Eigenschaften besitzt, die sich nur mit einem gewissen chemischen Grundverständnis erschließen (und die man eben

nicht

bloß auswendig lernen kann/sollte!).

Warum die

Materialwissenschaften

ohne Chemie nicht auskommen, wurde bereits erwähnt.

Im Rahmen dieses Buches werden Sie immer wieder feststellen, wie unscharf (oder vielmehr: eigentlich non-existent!) doch die Grenze zwischen Physik und Chemie ist: Auch ein Studium der

Physik

erfordert solide Grundkenntnisse der Chemie.

In jeglichen Studiengängen, in denen es – auch – um (chemische)

Analytik

geht, kommt man um die Chemie natürlich erst recht nicht herum, ob nun

Chemische Analytik

(gut, da

könnte

man das sogar erahnen) oder

Naturwissenschaftliche Forensik

(da vielleicht nicht).

Natürlich erhebt diese Aufzählung nicht einmal ansatzweise Anspruch auf Vollständigkeit.

So. Genug des Vorgeplänkels.

Viel Erfolg bei und viel Spaß mit Chemie.

S. Ortanderl, U. Ritgen

Kapitel 0B

Vorwort für Leute, die endlich mit Chemie anfangen wollen

Chemie ist die Wissenschaft von der Materie. Diese Wissenschaft beschäftigt sich mit den Eigenschaften und der Umwandlungvon Stoffen. Damit geht natürlich auch die Frage einher, welche Eigenschaften die jeweils betrachteten Stoffe eigentlich haben. – Aber um was für Eigenschaften geht es hier überhaupt?

Einige Eigenschaften können wir zweifelsohne mit unseren »nackten« Sinnesorganen feststellen, so etwa die Farbe, den Geruch oder auch die Härte eines Stoffes.

Dagegen sehen Sie es einem Stoff nicht an, welchen Schmelz- oder Siedepunkt er besitzt, welche Dichte er hat oder wie groß seine elektrische Leitfähigkeit ist. Um das herauszufinden, sind Experimente erforderlich.

Außerdem hängen einige Eigenschaften auch noch von den jeweils herrschenden

äußeren Bedingungen

ab (beispielsweise die Dichte von der Temperatur), weswegen bei derlei Experimenten auf genau bekannte (beziehungsweise festgelegte) Bedingungen zu achten ist. (Darauf gehen wir unter anderem in

Kapitel 22

ein wenig ein.)

Besagte Eigenschaften hängen maßgeblich davon ab, aus welchen Bausteinen der betreffende Stoff besteht – und was diese Bausteine untereinander so treiben.

Chemie – eine Wissenschaft mit LEGO®-Charakter

Und damit sind wir auch schon bei zwei der absoluten Grundfragen in der und für die Chemie:

Welche Bausteine gibt es überhaupt?

Was machen die den ganzen Tag?

Vor allem mit letztgenannter Frage werden wir uns in diesem Buch befassen, denn – und das macht die Chemie zu einer (weitestgehend) systematisierbaren Wissenschaft – die Anzahl verschiedener (Grund-)Bausteine der Materie ist vergleichsweise überschaubar (mehr dazu im nachfolgenden Abschnitt).

Fremdsprachen und Fachsprachen

Materie – eigentlich ein komisches Wort! Es leitet sich vom Lateinischen materia ab und bedeutet nichts anderes als Stoff. Dieser Sprachwechsel aber bringt uns gleich zu einer Eigenheit der Chemie: die darin allgegenwärtigen Fachausdrücke, die ganz offenkundig anderen Sprachen entstammen. Vornehmlich sind dies Sprachen, die zur Frühzeit der Wissenschaft Chemie, der früheren Neuzeit, als seriös und wissenschaftlich angesehen wurden: Griechisch und Latein. Denn eines wird gerne außer Acht gelassen: Die Chemie ist eine vergleichsweise junge Wissenschaft.

Eine gewisse Form von Physik hat die Menschheit eigentlich schon immer betrieben: Auch für Höhlenmenschen waren Fragen von Bedeutung wie: »Ab welcher Fallhöhe überkompensiert die auf meine Schienbeine einwirkende Deformationskraft den Elastizitätsmodul meines Knochenmaterials?« – Gewiss, so werden es unsere Vorfahren kaum ausgedrückt haben, aber vielleicht: »Kann ich so weit in die Tiefe springen, oder breche ich mir dann die Beine?« Und natürlich stecken auch physikalische Erkenntnisse hinter dem Nicht-Einstürzen von frisch errichteten Gebäuden und dergleichen mehr. Entsprechend hatte (und hat) praktisch jede Kultur für Grundkonzepte der Physik eigenständige (Fach-)Begriffe entwickelt, die ganz und gar der jeweiligen Alltagssprache entstammen: Arbeit, Kraft, Weg und dergleichen mehr – darunter kann man sich doch etwas vorstellen!

Die Chemie hingegen kam erst sehr viel später: Ohne hier zu tief in die Wissenschaftsgeschichte einsteigen zu wollen, sei darauf hingewiesen, dass eine ernst zu nehmende Naturwissenschaft namens Chemie – die sich aus der, oft eher vor einem spirituellen Hintergrund betriebenen, Alchemie entwickelt hat – erst im siebzehnten Jahrhundert begründet und sogar erst im achtzehnten Jahrhundert als in sich schlüssige, eigenständige Wissenschaft entwickelt wurde. Zum damaligen Zeitpunkt waren Latein und Griechisch nun einmal die Gelehrtensprachen schlechthin, und so wurden chemische Sachverhalte oder Charakteristika, für die es verständlicherweise eben noch keine »Alltagsbegriffe« gab, entweder mit bereits bestehenden Worten aus der einen oder anderen dieser Sprachen belegt, oder es wurden an das Lateinische oder Griechische angelehnte Neuschöpfungen ersonnen – und das zeigt sich noch heute: Wer nicht bereits mit dem einen oder anderen Chemie-Lehrtext oder Ähnlichem konfrontiert wurde, wird mit Bezeichnungen wie »Hydrophilie«, »Elektronegativität« oder »Entropie« vermutlich nur wenig anfangen können.

Der Umstand, dass die lingua franca der Wissenschaften seit einigen Jahrzehnten de facto Englisch ist, ändert daran auch nichts: Die graeco-lateinischen Lehnwort-Fachtermini werden wir in der Chemie wohl nicht mehr los. (Dass einige Fachbegriffe ihren Ursprung im Altägyptischen oder Arabischen haben, macht das Ganze nur noch spaßiger.)

Es ist hilfreich, jegliche neuen Fachtermini aus der Chemie »auseinanderzunehmen« und zu schauen, ob man vielleicht schon den einen oder anderen Wortbestandteil aus einem anderen Kontext kennt – das macht das Erlernen dieser neuen Fachsprache sehr viel einfacher, denn auch hierbei ergibt sich eine gewisse Systematisierbarkeit. Nehmen wir uns ein Beispiel vor: Früher oder später werden Sie bei der Beschreibung genau definierter Reaktionsbedingungen unter anderem auf das Wort isobar treffen. Falls Sie dieses Wort nicht bereits kennen (etwa von der Wetterkarte), sollten Sie ein wenig in Ihrem Gedächtnis kramen: Was kommt Ihnen hier bekannt vor?

Vielleicht kennen Sie die Silbe iso- ja von isotonischen Getränken, also Durstlöschern mit gleichem Elektrolyt-Gehalt (und damit gleichem osmotischem Verhalten – zu Elektrolyten und Osmose mehr in Kapitel 14!) wie dem menschlichen Blut – sehr empfehlenswert etwa nach dem Sport, wenn man durch Schwitzen reichlich Elektrolyte verloren hat.Das -bar wiederum könnte Sie an das Barometer erinnern, mit dem man bekanntermaßen den Luftdruck misst.

Und, oh Wunder: isobar bedeutet bei gleichem/unverändertem Druck.

Wirklich: »Linguistisches Zerlegen« hilft! (Zumindest ziemlich häufig.)

Unsere Spielsteine: die Atome

Im vorangegangenen Abschnitt wurde es bereits erwähnt: Materie ist aus Materie-Bausteinen aufgebaut. (Wenn Sie mögen, dürfen Sie hier gerne an LEGO®-Steine denken!) Diese Bausteine nennen wir Atome; hinter dieser Bezeichnung steckt die historische Annahme, besagte Bausteine seien nicht weiter zerteilbar, denn ατομος (atomos) bedeutet auf Griechisch »das Unteilbare« (womit wir wieder beim Sprachen-Mix der Chemie wären …).

Chemisch gesehen stimmt das mit der Unteilbarkeit auch, denn es sind keinerlei chemische Prozesse bekannt, die es gestatten würden, Atome zu zerstören oder Atom-Sorten zu verändern. (Aus dem Blickwinkel der Physik betrachtet gibt es zu diesem Thema noch einiges mehr zu sagen, aber dazu – und auch auf das enge Zusammenspiel von Physik und Chemie – kommen wir in Kapitel 33 zurück.) Im Rahmen der Chemie gilt also:

Atome

sind

– die verschwinden nicht einfach, und sie fallen auch nicht auf Bedarf vom Himmel.

Atome werden nicht zerteilt:

Niemand zersägt unsere LEGO

®

-Steine!

Atome

einer

Sorte können nicht in Atome

einer anderen

Sorte umgewandelt werden (zumindest nicht

chemisch

, und auf den radioaktiven Zerfall und vergleichbare Prozesse wollen wir hier nicht eingehen): Bei

sämtlichen

chemischen Prozessen behalten die Bausteine ihren spezifischen Charakter bei. Was für Reaktionen auch immer ablaufen mögen: Gold bleibt Gold, Natrium bleibt Natrium und so weiter.

Nebenbei bemerkt …

Möglicherweise fragen Sie sich, warum wir in diesem Buch – beziehungsweise in diesem Vorwort – gleich so in medias res springen, statt unsere Leserschaft schrittweise in die Welt der Chemie einführen. Der Grund ist ganz einfach … und zeigt, dass der größte Vorteil der Wissenschaft namens Chemie zugleich deren größter Nachteil ist:

In der Chemie hängt eigentlich immer alles mit allem zusammen.

Das hat den großen Vorteil, dass sich vieles in der Chemie sehr gut systematisieren lässt (wie bereits mehrmals erwähnt), und gerade diese Systematisierbarkeit steigert die »Verstehbarkeit« dieses Faches immens.Der Umstand, dass