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wiki:chemie

Was ist Chemie?

Ein Ansatz und ein Versuch

Bereits Wilhelm Ostwald weist in seiner berühmten Einführung in die Chemie 1922 auf den Zusammenhang zwischen Begrifflichkeiten und Erfahrung hin:

Mir war es, wenn auch nicht unerwartet, 
doch noch überraschend, 
in welch weitem Maße 
der strengste Aufbau der chemischen Grundbegriffe 
mit der geschichtlichen Entwicklung 
der chemischen Kenntnisse einerseits 
und mit den Forderungen 
einer rationellen Pädagogik anderseits übereinstimmt. 
Die Darlegung der grundlegenden Begriffe: 
Stoff, Lösung, Gemenge, 
ihrer Eigenschaften und Kennzeichen 
bildet nicht nur 
die logische Grundlage des chemischen Unterrichts, 
sondern ermöglicht auch 
die systematische Beschreibung 
der wichtigsten chemischen Verrichtungen und Trennungsmethoden ... 
Die Chemie ist eine Erfahrungswissenschaft, 
d.h. sie ist ebensowohl Erfahrung wie Wissenschaft,
und die letztere beginnt erst 
mit der Anwendung der Erfahrung 
auf Begriffsbildung und Schlußfolgerung ...  

Ziel der Chemie ist es, das Verhalten von Stoffen zu beschreiben, zu verstehen und nachvollziehbar zu beeinflussen.
Gegenstand der Chemie ist das Verhalten der Stoffe.
Bedeutung: Die meisten technischen Verfahren zur Gestaltung des praktischen Lebens in der Geschichte der Menschheit basieren auf chemischen Grundlagen (Feuer, Kochen, Konservieren, Gären, Schmieden, Töpfern, Färben …) sowie auf biologischen (Tier- und Pflanzenzüchtung) und physikalischen Grundlagen (Bau von Artefakten, Geräten, Behausungen), die oft kaum trennbar verbunden sind (Hausbau, Landwirtschaft).

Grundlegende Erklärungsprobleme

Erstens

Die Frage, was Chemie sei, wird auf jedem Wissensstand anders beantwortet werden und selten zufriedenstellend sein.

Zweitens

Die Frage, was Chemie sei, fällt verschieden aus, jenach der Perspektive, unter der sie gesehen wird: Chemie als Handwerk, Technik, Wirtschaftsfaktor, Wissenschaft, Philosophie.

Drittens

Unter den kurzen Antworten lieferte Kekulé wohl die beste:

Chemie ist die Lehre der stofflichen Metamorphosen der Materie.
Ihr wesentlicher Gegenstand ist nicht die existierende Substanz, 
sondern vielmehr ihre Vergangenheit und ihre Zukunft. 
Die Beziehungen eines Körpers zu dem, was er früher war, 
und zu dem, was er werden kann, 
bilden den eigentlichen Gegenstand der Chemie.“
Lehrbuch der organischen Chemie 1859

Viertens

Unnötige und zweideutige Begriffe behindern das Verständnis. Neue Begriffe sollten

  • eindeutig sein, also hinreichend erklärt, definiert und mit bereits bekannten Begriffen verknüpft werden.
  • eingeführt werden, wenn sie absolut notwendig sind, um ein neues Phänomen oder eine neue Vorsteöllung zu bezeichnen.
  • Auswahl, Einführung, hierarchische Verknüpfung und Verwendung von Begriffen müssen aufeinander abgestimmt sein.

Fünftens

Einmal eingeführte Begriffe werden unsauber verwendet, z.B.:

  • Gleiche Objekte/Phänomene werden mit unterschiedlichen Begriffen bezeichnet (Stoff, Materie, Substanz, Gegenstand, Körper, Stoffportion …..)
  • Gleiche Begriffe werden mit wechselnder Bedeutung verwendet (Element als wahrnehmbarerStoff, Element als abstraktes Kugelteichen, Element im umgangssprachlichen Sinn …)
  • Es wird nicht stringent zwischen Stoffbeschreibung und Teilchendeutung unterschieden, also zwischen Begriffen für Phänomene und Begriffen für Vorstellungen.
  • Die Theorie der Materie erfordert eine Theorie der *Wahrnehmung.
„Später hat es mich interessiert zu analysieren, wo das Hindernis lag, 
das mich von der Chemie fernhielt. Es hat etwas mit der weiten Kluft 
zwischen wahrgenommener Wirklichkeit und Symbol zu tun. 
Das Wasser, das ich trinke oder in dem ich bade, und das Symbol H2O 
schienen mir keine direkte Beziehung zu haben; 
sie sind durch einen langen Weg der Analyse verbunden, 
der ohne Erfahrungen über viele Substanzen und Symbole ungangbar ist.“
Max Born (Physiker, 1954 Nobelpreis)

Sechstens

Jenseits semantischer Probleme erwachsen weitere Probleme aus der Struktur des Wissens zu Beginn, nämlich:

  • Masse und Volumen eines Körpers sind nicht geeignet, den Stoff dieses Körpers zu bestimmen.
    Aber: Der Qotient von Volumen und Masse (Dichte) erlaubt es, eine Stoffart zu bestimmen, Gold von Eisen zu unterscheiden.
  • Der Aggregatzustand eines Stoffes ist ungeeignet, den Stoff dieses Körpers zu bestimmen.
    Aber: Die Temperatur, bei der ein Stoff den Aggregatzustand wechselt, erlaubt die Bestimmung der Stoffart.
  • Die Dichte eines homogenen Körpers erlaubt es, dessen Stoffart zu bestimmen.
    Aber: flüssiges Wasser, Eis und Wasserdampf unterschieden sich deutlich in der Dichte und bestehen dennoch aus der gleichen Stoffart.
  • Die Größe eines Körpers ist ungeeignet, den Stoff dieses Körpers zu bestimmen, sie sind keine Eigenschaften.
    Aber: Zum Trennen von Stoffarten verwendet man die Verfahren „Sieben“ und „Filtrieren“. Beide Verfahren beruhen auf der Teilchengröße.
  • Die Form eines Körpers ist ungeeignet, den Stoff dieses Körpers zu bestimmen, sie sind keine Eigenschaften.
    Aber: Die Kristallform wiederum ermöglicht die Zuordnung zu einer Stoffart

Siebentes

Fachleute wechseln sprachlich häufig zwischen der stofflichen Erscheinung und deren Erklärung durch Vorstellungen (Teilchen, Atome,…), ohne explizit auf den Wechsel der Ebene hinzuweisen. Fachleute verstehen sich, weil sie ein gleiches Vor-Verständnis haben, trainiert worden sind, so zu denken. Außenstehende kennen aber allenfalls die stoffliche Seite. Die sub-mikroskopische Ebene ist für sie abstrakt, ungewohnt, mühsam.

Für Fachleute bedeutet das, immer von den Erscheinungen auszugehen, auch sprachlich. Erst muß das Phänomen so umfassend wie nötig erfaßt und dann begrifflich beschrieben werden. Daß anschließend zur Teilchenbetrachtung gewechselt wird, muß angekündigt werden. Zur Verdeutlichung die beiden Betrachtungsweisen in der tabellarischen Gegenüberstellung:

makroskopischsub-mikroskopisch
StoffportionTeilchen, Atom, Molekül …
Stoffart und StoffnameTeilchenart und Formel
ErfahrungstatsachenErklärungen von Tatsachen
Betrachtung, Wahrnehmung, AnschauungVorstellung
BeobachtungDeutung
konkret begreifenabstrakt verstehen

Grundlegende Begriffe

1. Raum und Materie

Alles, was sinnlich wahrnehmbar ist und einen Raum erfüllt, ist Materie (lat.: Vorrat, Ursache). Materie kann fest, flüssig oder gasförmig sein. Im Gegensatz dazu steht der nicht erfüllte Raum, das Vakuum. Sinnlich wahrnehmbar sind auch manche Energieformen (Wärme, Licht …). Sie benötigen aber keinen Raum. (Im Sinne der klassischen Physik.)

2. Formen und Körper

Materie existiert in unterschiedlichsten Formen. Deutlich unterscheidbare Materieformen werden Körper genannt, ein Körper hat eine deutliche Grenze zu seiner Umgebung, selbst wenn diese Grenze fließend ist wie bei Flüssigkeiten und Gasen. »Körper« ist fachsprachlich synonym für die zu vermeidenden umgangssprachlichen Begriffe „Gegenstand“ und „Ding“.

3. Eigenarten und Stoffe

Materie, auch solche in gleichgeformten Körpern, kann sich unterscheiden. Eine Kugel kann aus Stein, Holz, Metall, Plastik bestehen. Diese verhalten sich jeweils anders und sind eigen-artig. Materie mit besonderen Eigenarten werden als Stoffe bezeichnet. »Stoffe« ist fachsprachlich definiert, als Begriff jedoch identisch mit dem umgangssprachlichen Begriff Stoff für Textilien; zu vermeiden ist der Begriff „Substanz“.

4. Grenzen und Stoffportionen

Den Teil eines Stoffes mit deutlicher Abgrenzung zu anderen, verschiedenen oder gleichen, Stoffen nennt man Stoffportion. Eine Stoffportion ist auch ein Körper, doch interessieren an ihm nicht seine Formen, sondern der Stoff, aus dem er besteht. Der Begriff Stoffportion ist synonym für den zu vermeidenden Begriff Stoffprobe.

Die Begriffe Materie und Körper sind in der (klassischen) Physik definiert im Unterschied zu Vakuum und Energie. Diese Abgegrenztheit der Materie beugt einer späteren Fehldeutung (Phlogistontheorie) vor. Im Unterschied zur Physik betrachtet die Chemie nicht die „Körper“ sondern die Stoffe der Körper. Dennoch ist es falsch, von „chemischen Stoffen“ zu reden: denn eine stofflose Chemie gibt es nicht.

Betrachtet wird die Veränderung von Stoffportionen, woraus sie entstanden und wozu sie wurden. Der Begriff des „chemischen Vorgangs“ enthält diese Dynamik. „Chemie“ ist ein Konstrukt des menschlichen Geistes, daher gibt es auch keine „Chemie in der Natur“, sondern nur Vorgänge, die sich chemisch deuten lassen.

Grundlegende Methoden

Modelle und Theorien

Die Chemie sammelt Stoffwissen, entwickelt und verwendet Vorstellungen über den Aufbau der Stoffe zur Vorhersage des Stoffverhaltens. Ordnungsbestreben und Systematisierung von Phänomenen sind ein besonderes Kennzeichen der Chemie. Nicht die (quantenmechanisch berechenbaren) Eigenschaften eines Moleküls interessieren primär, sondern das makroskopische Verhalten einer Menge von Molekülen (nicht quantenmechanisch berechenbar).

Analogien

Analogien werden gesucht zwischen Struktur und Verhalten und übertragen auf ähnliche Strukturen. Sind genügend ähnliche Strukturen bekannt, faßt man sie in Kategorien zusammen (Alkohole, Ketone …) Das Theoretisieren findet historisch seine Wurzeln in der Alchemie.

Technische Verfahren

Technische Verfahren werden entwickelt, um das Verhalten der Stoffe gezielt zu steuern, reproduzierbar zu gestalten, zu optimieren und wirtschaftlich einzusetzen (z.B. Trennverfahren). Das Know-How der Chemie hat seine historischen Wurzeln in Handwerken und Künsten: Metallverarbeitung, Färben, Gerben, Konservieren, Medizin, Kochen ….

Verschlüsselung

Beide Traditionszweige sind gekennzeichnet durch Geheimhaltung, Verschlüsselung, Mysterien, Zünfte. (Bis zur heutigen Formelsprache)

Experiment

Beide Traditionszweige nehmen das Experiment als Ausgangspunkt, stellen experimentell eine Frage an die Natur, geleitet vom Erkenntnis- und/oder Verwertungsinteresse. Die Erkenntnisse über Natur sind daher immer technisch vermittelt und spiegeln den Stand der Wissenschaft.

Vorgehensweise

Verbinden und Trennen, Analysieren und Synthetisieren, Wahrnehmen und Beschreiben, Praxis und Theorie bilden die Pole einer spezifisch chemischen Vorgehensweise

Energiewechsel und chemische Reaktion

Wärme (Energie) und Zustandsveränderung

Den Zustand von Materie kann man verändern durch Wärme (Energie wird ausgetauscht). Diese Veränderungen haben wir als verdampfen/kondensieren, schmelzen/erstarren … bezeichnet.

Kraft (Energie) und Formveränderung

Den Zustand von Körpern kann man verändern durch Kraft (Energie wird zugeführt). Diese Veränderungen nennen wir verformen, vergrößern, verkleinern.

chemische Energie und Eigenschaftswechsel

Beobachten wir unsere Umgebung, so finden wir Veränderungen, die weder mit der Veränderung von Materie noch mit der Veränderung von Körpern erklärt werden kann. (Beispiele: Verkohlen von Zucker, Verwelken von Blättern, Rostentstehung, Joghurtherstellung, Karamelbonbonsherstellung, Eisen und Schwefel, Kupfer und Schwefel, Zink und Schwefel, …)

Folgende Kennzeichen weisen auf etwas Neues hin:

  • Beobachtung: Es findet ein Eigenschaftswechsel statt: manche Eigenschaften sind nicht mehr zu beobachten, andere Eigenschaften sind erstmals zu beobachten
  • Deutung: Stoffe verschwinden und neue Stoffe entstehen
  • Abstraktion: Stoffe reagieren (genauer: Ausgangsstoffe reagieren zu Endprodukten). Ein solcher Vorgang wird chemische Reaktion genannt.

Chemische Reaktionen sind immer von Energieaustausch mit der Umgebung begleitet (notwendig, aber nicht hinreichend, um chemische Reaktionen zu kennzeichnen).

Chemische Reaktionen kann man nicht entdecken oder sehen. Beobachtbar ist der Eigenschaftswechsel, daraus müssen eindeutige Schlüsse bezüglich der Stoffe gezogen werden und danach können die so gewonnenen Vorstellungen mit den definierten Begriffen belegt werden.

Die so erhaltene Aussage: „Zucker hat zu Kohlenstoff reagiert.“ besitzt den Charakter einer Theorie. Aus einer solchen müssen Aussagen ableitbar und überprüfbar sein, z.B.: Wenn kein Zucker mehr da ist, darf die Stoffportion nicht mehr süß schmecken oder klebrig sein. Und wenn Kohlenstoff entstanden ist, dann sollte er brennbar sein und auf Papier eine schwarze Färbung hinterlassen. Das läßt sich überprüfen.

Energie

Die wahrnehmbaren energetischen Aspekte richten auf zwei verschiedene Zeitpunkte:

  1. Zufuhr der Startenergie durch Wärme, offenes Feuer, Schlag (Zündplättchen), Elektrizität (Batteriezündung), Licht (Fotografie).
    Diese „Startenergie“ (als Phänomen) wird fachlich korrekt (aber wenig anschaulich) mit dem Begriff Aktivierungsenergie (auf statistischer Ebene) erklärt.
  2. Während der Reaktion wird Wärme frei, manchmal auch Licht (Glühen), manchmal Schall (als Knall, Knacken, Zischen).
    Die exothermen bzw. endothermen Energieänderungen (als Phänomen) werden fachlich korrekt (aber wenig anschaulich) mit den Anfangs- und Endzuständen der Energieniveaus vor und nach der Reaktion (auf statistischer Ebene mit dem Energieberg-Diagramm erklärt.

Definitionen und Begriffshierarchien auf Stoffebene

Raum - Materie - Energie

Der nicht erfüllte Raum ist das Nichts. Er ist nicht wahrnehmbar (horror vacui).
Alles, was einen Raum einnimmt, ist Materie (lat.: Vorrat, Ursache). Materie ist die Substanz der Dinge, ungeachtet ihrer Form.
Alles, was keinen Raum einnimmt, sich jedoch im Raum ausbreitet, ist Energie (Felder, Strahlung).
Diese Begriffe beschreiben Wirklichkeit als Idee, sind getrennt gedacht, erscheinen aber nur gemeinsam. Materie beansprucht Raum, Energie verändert und bewegt Materie, dies benötigt Zeit.

energetische und materielle Zustände

Wechselwirkungen zwischen Materie und Energie machen diese wahrnehmbar:

  • als eher energetische Zustände: Strahlung: Licht, Wärmestrahlung, … Felder: Gravitation …
  • als materielle Zustände: Aggregatzustand: fest, flüssig, gasförmig usw.

Wechselwirkungen von Energie und Materie sind Ursache aller Veränderungen in Raum und Zeit. Die weitgehende Abwesenheit materieller Zustände in einem Raum wird als Vakuum bezeichnet. Die Anzahl wahrnehmbarer Zustände ist unbekannt.

Temperatur & Druck

Die Größen Temperatur und Druck beschreiben die Aggregatzustände. Diese sind eine emergente Eigenheit von Materie/Energie und eine notwendige Bedingung der Existenz von Formen.

Körper - Form - Ausdehnung - Gewicht

Eine Materieportion, deren Aggregatzustand verschieden ist vom Aggregatzustand der benachbarten Materieportionen (Phasengrenze), wird Körper genannt.
Die Zustände von Körpern werden qualitativ als Form (regelmäßig: z. B.: Kugel, Würfel, Tropfen, Ikosaeder … oder unregelmäßig: Fraktal ….) und quantitativ als Ausdehnung (breit, hoch, lang) und Gewicht (leicht, schwer) wahrgenommen. (In der Physik wird der ideale Körper als Form ohne Volumen und Masse gedacht: der Massepunkt.)

Volumen - Masse - Symmetrie

Die Zustände von Körpern sind emergente Eigenheiten von Körpern und werden beschrieben mit den Größen Volumen (abgeleitet aus der Grundgröße der Länge), Masse, Symmetrie.
Eine daraus abgeleitete Größe ist z.B. die Dichte.
Formen sind eine notwendige Bedingung der Existenz von Strukturen.

Eigenschaften & Stoffe

Bei gleichen Körpern (homogen bezüglich Symmetrie, Volumen, Masse) sind verschiedene Zustände möglich.
Diese Zustände werden
qualitativ (z.B.: blau, weich, süß, bitter, stechend, hell, rund, glatt usw.) und
quantitativ (z.B.: kaum, wenig, sehr) wahrgenommen und
Eigenschaften (Farbe, Geruch, Härte, Geschmack, Klang, ..) genannt.
Körper mit solchen Zuständen werden Stoffe genannt.
Eigenschaften sind emergente Eigenheiten von Stoffen. Sie werden beobachtet bzw. gemessen bzw. mit skalierten Größen verglichen (z.B. Härteskala nach Mohs).

Stoffportion & Eigenschaftskombination

Der Körper eines Stoffes oder eine endliche Anzahl von Körpern eines Stoffes werden Stoffportion genannt.
Die bekannten Eigenschaften einer Stoffportion zu einem beliebigen Zeitpunkt werden Eigenschaftskombination genannt.
Die vollständige Anweisung des Zuordnens einer Eigenschaftskombination zu einer Stoffportion wird Bestimmung genannt.

Stoffart & Eigenart

Finden sich immer wieder Stoffportionen mit identischen Eigenschaftskombinationen, so wird auf die Existenz einer Stoffart (z.B.: Gestein, Holz, Wasser, Luft, Eisen …) geschlossen, die mindestens diese Eigenschaftskombination aufweist.
Die vollständige Eigenschaftskombination einer Stoffart ist unbekannt und wird als deren Eigenart bezeichnet.

Nachweis

Durch Vergleich der Eigenschaftskombination einer Stoffportion mit den Eigenarten bekannter Stoffarten erfolgt die Zuordnung zu einer bestimmten Stoffart:

  • Ist die Eigenschaftskombination einer Stoffportion vollständig Teil der Eigenart einer und nur einer Stoffart, so ist die Stoffportion wahrscheinlich Teil dieser Stoffart. (z.B.: Das Blech riecht, klingt, sieht aus, fühlt sich an wie Eisen, also ist es Eisen.)
  • Ist die Eigenschaftskombination einer Stoffportion Teil der Eigenart mehrerer Stoffarten, so werden weitere Eigenschaften der Stoffportion bestimmt.
  • Ist die Eigenschaftskombination einer Stoffportion ungleich den Eigenarten aller bekannten Stoffarten, so liegt entweder eine neue Stoffart vor, die definiert werden muß, oder die Stoffportion besteht aus mehreren Stoffarten.

Die vollständige Anweisung des Zuordnens einer Stoffportion zu einer Stoffart wird Nachweis genannt.

homogen oder heterogen

Sind die Eigenschaftskombinationen einer untersuchten Stoffportion in allen Bereichen der Stoffportion gleich (räumliche Konstanz), so nennt man die Stoffportion homogen (bezüglich der Stoffart), auch wenn sie aus heterogenen Körpern besteht (z.B. kleine und große Kristalle).
Andernfalls liegt ein heterogener Stoff vor (bezüglich der Stoffart).
Eine räumlich homogene Stoffportion kann zeitlich inhomogen sein (radioaktiver Zerfall).

Gemisch, Gehalt, Verhältnis, Anteil, Konzentration

Heterogene Stoffportionen lassen sich immer in homogene Stoffportionen teilen. Manche homogenen Stoffportionen lassen sich in homogene Stoffportionen unterschiedlicher Stoffart teilen.
Teilbare homogene Stoffportionen sowie heterogene Stoffportionen werden Gemische genannt (genauer: Gemische von Stoffportionen verschiedener Stoffarten).
Gemische werden nach den in ihnen vorliegenden Phasengrenzen (homogen, heterogen) und nach den Aggregatzuständen der zugrundeliegenden Reinstoffe qualitativ unterschieden (s-s, s-l, s-g …..).
Homogene Gemische werden durch Gehaltsgrößen quantitativ beschrieben. Gehaltsgrößen beziehen die Größen Masse bzw. Volumen einer am Gemisch beteiligten Stoffportion entweder

  • auf die gleiche Größe der anderen am Gemisch beteiligten Stoffportion (Massen- oder Volumenverhältnis) oder
  • auf die gleiche Größe des gesamten Gemisches (Massen- oder Volumenanteil) oder
  • auf das Volumen der Lösung (Massen- oder Volumenkonzentration).

Reinstoffe

Homogene Stoffportionen, die sich nicht mehr in Stoffportionen unterschiedlicher Eigenschaftskombinationen teilen lassen, sind Reinstoffe.
(Widerspruch zu materie- und körperbezogenen Eigenschaften klären. Sind Dichte, Siede-, Schmelztemperaturen keine stoffbezogenen Eigenschaften?)

Teilen, Ordnen, Trennverfahren

Teilen bedeutet, eine gegebene Stoffportion in möglichst viele Körper möglichst gleicher Form zu zerlegen (Homogenität der Körper), und diese nach nach ihren Eigenheiten (Aggregatzustand, Form, Volumen, Masse, Eigenschaften) zu ordnen.
Der Vorgang des Ordnens erfolgt durch Verschiebung der Körper (Partikel, Kristalle, Cluster, Aerosole …) einer Stoffportion im Raum. In diesem Raum werden energetische Gradienten (Temperatur, Konzentration, Druck, Schwerkraft, Elektromagnetismus) erzeugt. Die Körper der Stoffportion werden je nach Stoffart im Gradienten unterschiedlich beschleunigt und verschoben. Voraussetzung ist, daß überhaupt eine Wechselwirkung stattfindet.
Die Beschleunigung wird unterstützt oder behindert durch körperspezifische Kräfte (Trägheit, Reibung, Auftrieb…) und äußere Bedingungen (Hilfsstoffe, Porengröße). Unterschiedliche Körper legen unterschiedliche Strecken zurück und reichern sich im Raum an verschiedenen Stellen an.
Die vollständigen Anweisungen zum Teilen von Gemischen heißen Trennverfahren.

Zustandswechsel

Die Wechselwirkung einer Stoffportion mit Energie/Materie kann zwei Zustandswechsel bewirken:

  • verdampfen, kondensieren, schmelzen, erstarren, sublimieren, resublimieren (Materie);
  • verformen, ausdehnen/zusammenziehen, schwerer/leichter werden (Körper);

Die Änderungen der Stoffzustände werden anhand einer Reinstoffportion möglichst umfassend bekannter Eigenschaftskombination in vier Modellversuchen ermittelt:

Versuch 1

Ein isoliertes System (ohne Stoff- und Energieaustausch mit der Umgebung) enthalte eine Reinstoffportion und nichts anderes.
Dann ist deren Eigenschaftskombination über beliebig lange Zeiten unverändert. Allgemein formuliert: Ein Reinstoff ist unveränderlich, solange er isoliert von anderen Stoffarten und Energien ist.
(Ausnahme: radioaktiver Zerfall)

Versuch 2: Defintion eines chemischen Elementes

Ein geschlossenes System (ohne Stoffaustausch mit der Umgebung) enthalte eine Reinstoffportion und nichts anderes.
Befindet sich zu einem beliebigen Zeitpunkt und nach beliebigem Energieaustausch immer nur ein Reinstoff im System, so nennt man diesen ein chemisches Element.
Dabei auftretende Eigenschaftswechsel zeigen Modifikationen des betreffenden Elements an.

Versuch 3: Definition einer Verbindung

Ein geschlossenes System enthalte eine Reinstoffportion und nichts anderes.
Findet sich zu einem beliebigen Zeitpunkt und nach beliebigem Energieaustausch jemals ein Gemisch im System, so nennt man die ursprüngliche Reinstoffportion eine Verbindung.

Versuch 4: Eigenschaftswechsel & Stoffartwechsel

Ein isoliertes System enthalte Stoffportionen verschiedener Stoffarten (z.B. Kupfersulfat, Wasser).
Sind nach beliebiger Zeit Eigenschaften nicht mehr zu beobachten oder neue Eigenschaften zu beobachten, so nennt man dies Eigenschaftswechsel.
Ein Eigenschaftswechsel begleitet immer einen Stoffartwechsel. Eine Änderung der Energie (z.B. Temperaturzu- oder abnahme) im isolierten System deutet ebenfalls auf einen Stoffartwechsel hin.
Der Stoffartwechsel wird überprüft durch Trennung des Gemisches. Enthält es eine Stoffportion, die zu keiner vorher vorhandenen Stoffart gehört, so ist eine neue Stoffart entstanden.

Chemische Reaktion

endotherm - exotherm

Der Vorgang des Stoffartwechsels wird chemische Reaktion genannt.
Ihre Kennzeichen sind Eigenschaftswechsel und die Bildung einer Stoffportion einer neuen Stoffart bei gleichzeitigem Verschwinden einer Stoffportion einer vorher vorhandenen Stoffart.
Eine Reaktion ist immer mit Änderungen der Energie verbunden. Geben die beteiligten Stoffe Energie an ihre Umgebung ab, so nennt man das exotherm. Nehmen sie Energie aus ihrer Umgebung auf, so nennt man das endotherm.

Startenergie

Stoffarten, die im isolierten System innerhalb kurzer Zeiten nicht wahrnehmbar miteinander reagieren (z.B. Eisen, Schwefel), können im geschlossenen System nach einer vorübergehenden Energiezufuhr (Erhitzen, elektrische Zündung, Licht, Erschütterung …) miteinander reagieren.
Die Energie, die eine Reaktion einleitet, wird Startenergie genannt.

Ausgangsstoffe, Reaktionsprodukte, Reaktionsschema

Die in der Stoffportion vorhandenen Stoffarten vor dem Eigenschaftswechsel nennt man Ausgangsstoffe. Neu entstandene Stoffarten nach dem Eigenschaftswechsel nennt man Reaktionsprodukte.
Eine Reaktion wird durch ein Reaktionsschema symbolisiert. Darin kennzeichnet ein Pfeil den zeitlichen Verlauf der chemischen Reaktion und verbindet die Ausgangsstoffe mit den Reaktionsprodukten. Der Pfeil wird gesprochen als „reagiert zu“. Das „+“-Zeichen zwischen den beteiligten Stoffen dient der Aufzählung, es wird als „und“ gesprochen.

Die Änderungen der Stoffzustände werden anhand zweier Reinstoffportionen möglichst umfassend bekannter Eigenschaftskombination in Modellversuchen ermittelt und nachfolgend kategorisiert:

Versuch 5

Ein geschlossenes System enthalte Stoffportionen des Reinstoffs 1 (z.B. Sauerstoff) und des Reinstoffs 2 (z.B. Eisen) und nichts anderes.
Mit beliebiger Energiezufuhr wird versucht, eine Reaktion auszulösen. Die Eigenschaftskombinationen entstehender Produkte werden ermittelt.

Versuch 6 und weitere

Dann wird der Vorgang wiederholt, Reinstoff 2 aber durch einen beliebigen anderen Reinstoff ersetzt.
Nach häufiger Wiederholung, wobei jeweils Reinstoff 2 ausgetauscht wird, sind zahlreiche Eigenschaftskombinationen von Produkten ermittelt.

Stoffklassen & Ordnungsstrukturen

Diese Eigenschaftskombinationen werden geordnet (nach Art und Anzahl identischer Eigenschaften). Reinstoffe ähnlicher Eigenschaftskombinationen werden einer Stoffklasse zugeordnet (z.B.: Metalloxide, Nichtmetalloxide …).

Durch Analogieschluß werden die jeweils verwendeten Ausgangsstoffe ebenfalls einer Stoffklasse zugeordnet (Metalle, Nichtmetalle …).

Die Durchführung zahlreicher Versuchsreihen führt zu immer mehr und immer umfangreicheren Stoffklassen (Säuren, Laugen, Sulfide, Fluoride, Alkane, Alkanole …).

Da immer nur ein Stoff verändert wird, sind alle Stoffklassen voneinander abhängig, also nicht nur formal sondern auch strukturell: Metalle mit Sauerstoff zu Metalloxiden, Metalloxide mit Wasser zu Laugen, Laugen mit Säuren zu Salzen.

Prognose, Falsifikation, Verifikation

Gehören die so geordneten Stoffe tatsächlich einer Stoffklasse an (z.B. Eisen, Nickel, Kupfer zu den Metallen), dann sollten sie sich einem beliebigen anderen Reinstoff (z.B. Wasserstoff oder Chlor oder Schwefel) gegenüber ähnlich verhalten, nicht reagieren oder zu ähnlichen Endprodukten.

Mit den Versuchen 5 und 6 wird die Prognose überprüft. Jede zugetroffene Prognose bestätigt die Zuordnung zu einer Stoffklasse und macht sie wahrscheinlicher.

Reihen

Die Reinstoffe innerhalb einer Stoffklasse können nach beliebigen Eigenschaften geordnet werden, z.B. nach ihrem Reaktionsbestreben gegenüber einem bestimmten Reinstoff (z.B. Metalle und Sauerstoff), ihrer Dichte, ihrer Siedetemperatur usw.

Die so aufgestellten Reihen erlauben Prognosen (z.B. Redoxreihe auf Reduktionsmittel), Hinweise auf Lücken (Methan, …, Propan, Butan), Postulate von Gesetzmäßigkeiten oder einfach das Erkennen von Besonderheiten (Siedetemperatur des Wasser im Vergleich zu anderen Nichtmetalloxiden)

Synthese

Soll ein Reinstoff mit einer bestimmten Eigenschaftskombination hergestellt werden, so läßt sich die Stoffklasse identifizieren, die der gewünschten Eigenschaftskombination am ehesten entspricht.

Reihen der darin enthaltenen Reinstoffe lassen sich so erstellen, daß Prognosen über Eigenschaften noch nicht bekannter Stoffe möglich sind. Die Herstellung dieser Stoffe führt über die Kenntnis der Stoffklasse zu den Versuchen 5 und 6.

Die vollständige Anweisung zum Herstellen von Stoffen mit bestimmten Eigenschaften heißt Synthese.

Analyse

Soll ein unbekannter Stoff untersucht werden, so erfordert dies zunächst eine zielgerichtete Fragestellung. Mit den bisher definierten Methoden lassen sich untersuchen:

  • die Homogenität bzw. Heterogenität der Stoffportion;
  • die Anzahl der darin enthaltenen Reinstoffe durch Anwendung der Trennverfahren;
  • die Einteilung in Element oder Verbindung durch Versuch 2 und 3;
  • die Reaktionsfähigkeit gegenüber allen anderen Stoffen durch Versuch 4;
  • die Zugehörigkeit zu bestimmten Stoffklassen durch die Versuch 5 und 6;
  • der Nachweis der Stoffart durch Bestimmung der Eigenschaftskombination der Stoffportion.

Auswahl und Anwendung geeigneter Verfahren sind durch die Fragestellung bedingt und führen zu einer Antwort auf die Fragestellung.

Die vollständige Anweisung zur Untersuchung einer Stoffportion heißt Analyse.

Messen

Synthese- und Analysevorschriften bedürfen quantitativer Angaben. Die zugrundegelegten Maßeinheiten lassen sich alle auf die SI-Einheiten zurückführen.

Literatur

  • Carl Friedrich von Weizsäcker: „Die Einheit der Natur“ dtv wissenschaft 1995
  • E. Sumfleth: „Chemie verstehbar und verständlich - Anspruch und Wirklichkeit“ CHEMKON 3 (1996) 4 167-171
  • H.A. Mund „Zur Entwicklung des kognitiven Denkens - dargestellt am Verständnis chemischer Verbindungs-Symbole und Reaktions-Schemata ….“ CHEMKON 3 (1996) 2, 69-75
  • K.-H. Lautenschläger: „Zum Elementbegriff“ CHEMKON 4 (1997) 3, S. 155
  • ChiuZ 4+5 (1985): Kann Chemie auf Physik reduziert werden?
  • ChiuZ 3 (1994): Wozu Philosophie der Chemie?
  • STRUBE: Der historische Weg der Chemie
  • PEETZ: Leben ohne Chemie?

wiki/chemie.txt · Zuletzt geändert: 2019/11/15 16:51 von norbert