Allgemeine und Anorganische Chemie/ Chemische Grundbegriffe

Das Kapitel Chemische Grundbegriffe führt kurz in die grundlegenden Bezeichnungen und Begriffe der Chemie ein.

Grundlegende Begriffe und Konzepte der Chemie

Stoffe, Substanzen, Verbindungen

Die uns umgebende Materie besteht aus Stoffen. Ein Goldring, eine Goldkette sowie ein Klumpen Gold haben verschiedene Gestalt, der Begriff des chemischen Stoffes abstrahiert aber von der äußeren Form und von der Größe und betont, dass zwischen den drei Gegenständen viele Gemeinsamkeiten bestehen, die im Stoffbegriff „Gold“ zusammengefasst werden. Auch von der Größe (dem Volumen und der Masse) wird abstrahiert: ein Tropfen Wasser und die Füllung eines Trinkwasserspeichers haben eine so große Anzahl von Eigenschaften gemeinsam („flüssig“, „farblos“ und viele mehr), dass man beides unter dem Stoffnamen „Wasser“ zusammenfasst.

Seit der Entdeckung des Sauerstoffs durch Priestley und Schiele und der Erfindung der Waage durch Lavoisier 1743 - 1794 hat die Chemie einen ungeheuren Aufschwung bekommen. Man stellte fest, dass bei einer chemischen Reaktion die Waage konstant blieb. Es gilt daher folgendes allgemeines Gesetz:

• Bei chemischen Reaktionen bleiben die Massen der beteiligten Stoffe konstant

Gemisch – Verbindung – Element

Stoffgemische lassen sich mit mechanischen Methoden wieder voneinander trennen (Beispiel: Zucker und Zimt; Sauerstoff und Stickstoff der Luft). Als Reinstoffe bezeichnet man chemisch einheitliche Substanzen. Das sind einerseits die chemischen Verbindungen, die sich mit chemischen oder thermischen Methoden wieder in ihre Bestandteile zerlegen lassen (Beispiele: Wasser, Kochsalz, Zucker). Das sind andererseits die chemischen Elemente, die sich mit chemischen oder thermischen Methoden nicht weiter zerlegen lassen (Beispiele: Gold, Eisen, Aluminium, Sauerstoff).

Verschiedene Elemente unterscheiden sich in der Anzahl der in ihrem Atomkern enthaltenen einfach positiv geladenen Protonen, d. h. die Kernladungszahlen (anderer Begriff dafür: Ordnungszahlen) sind bei den Atomen eines bestimmten Elementes gleich, bei unterschiedlichen Elementen jedoch verschieden. Die Atome der Elemente bestehen weiterhin aus einer Hülle mit um den Atomkern kreisenden, einfach negativ geladenen Elektronen. Atome sind nach außen elektrisch neutral: die Anzahl der Elektronen ist jeweils identisch mit der Anzahl der Protonen.

Elemente enthalten nur eine einzige Sorte von Atomen, wenn man Unterschiede der Atome, die nur die Anzahl Neutronen im Kern betreffen, ignoriert. Alle Atome eines Elements sind also bezüglich der Elektronenhülle gleich aufgebaut. Verbindungen enthalten verschiedene Atomsorten, d.h. sie enthalten Atome mit unterschiedlichen Elektronenhüllen. (Verschiedene Atome desselben Elements heißen Isotope.) Die Chemie befasst sich mit den Elementen und vor allem mit deren Verbindungen, ihrer Analyse und Synthese.

• Für die Chemie maßgeblich ist allein die Elektronenhülle.
• Die Atomkerne sind Arbeitsgebiet der Physik:

Die Atomkerne enthalten außer den Protonen Neutronen. Jede durch eine bestimme Ordnungszahl (Protonenzahl) und bestimmte Neutronenzahl charakterisierte Atomsorte nennt man ein Nuklid. Isotope sind Nuklide eines Elements mit gleicher Ordnungszahl (d. h. gleicher Anzahl an Protonen und somit Elektronen und folglich auch chemisch gleichem Verhalten), aber verschiedener Neutronenzahl. Gibt es von einem Element nur ein Isotop, nennt man es Reinelement, gibt es mehrere Isotope, spricht man von einem Mischelement.

Elemente lassen sich durch Kernspaltung oder Kernverschmelzung in andere Elemente umwandeln. Solche Kernumwandlungen unterscheiden sich von chemischen Reaktionen durch die erheblich – rund eine Million Mal – höheren Energien, die dafür nötig sind oder dabei gewonnen werden.

Fachbegriffe

• Das Periodensystem ist eine geordnete Auflistung aller Elemente; die Anordnung erfolgt nach der aufsteigenden Kernladungszahl.
• Eine Chemische Formel gibt an, welche Elemente eine Verbindung enthält, gleichzeitig gibt sie also an, welche Atome ein Molekül oder eine Einheit der Verbindung enthält. Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle.
• Als Isomerie bezeichnet man das Auftreten verschiedener Moleküle mit derselben Summenformel.
• Die Atome sind in Molekülen oder Salzen durch chemische Bindungen miteinander verknüpft.
• Chemische Reaktionen sind mit einem Energieumsatz, meist in Form von Wärme, verknüpft. Die chemische Thermodynamik befasst sich mit solchen Energie- und Wärmeänderungen und dem chemischen Gleichgewicht. Dieses ist erreicht, wenn chemische Reaktionen ablaufen können, aber kein Nettoumsatz mehr stattfindet. Das Massenwirkungsgesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen den Stoffmengenkonzentration (oder genauer: den Aktivitäten) der Edukte und Produkte, die dann vorhanden sind.
• Die Zerlegung von Verbindungen nennt man Analyse. Im Gegensatz dazu ist die Synthese der Aufbau einer Verbindung. Auch die Untersuchung eines Stoffgemischs nennt man Analyse. Das Teilgebiet der Chemie, welches sich näher mit der Thematik beschäftigt ist die Analytische Chemie.

Stoffe und Stoffgruppen

Die Stoffe lassen sich nach verschiedenen Kriterien in Kategorien einteilen.

Einteilung nach dem Aggregatzustand

• Feststoffe
• Flüssigkeiten
• Gase
• Plasmen

Einteilung nach der Form

• Reinstoffe (Elemente und Verbindungen)
• Gemische (Mischungen von Elementen und Verbindungen)

Einteilung nach den beteiligten Elementen

• Organische Verbindungen (Mit Ausnahme des Kohlenstoffs selbst, der Cyanverbindungen und der Kohlensäure und ihren Salzen fast alle Verbindungen die das Element Kohlenstoff enthalten)
• Anorganische Verbindungen (Alle übrigen Stoffe)

Einteilung nach der Elektrischen Leitfähigkeit:

• Elektrische Leiter (Metalle, Metallähnliche Modifikationen von Wasser- und Kohlenstoff)
• Elektrische Halbleiter (Halbmetalle)
• Elektrische Nichtleiter (Alle übrigen Nichtmetalle)

Diese Kategorien sind für die Physik von wichtigem Interesse und werden daher im Rahmen der Chemie nur in der Elektrochemie behandelt.

Einteilung nach der Art der Chemischen Bindung:

• Ionische Verbindungen (Salze)
• Metallische Verbindungen (Metalle, Legierungen)
• Kovalente Verbindungen (Alle Übrigen)

Einteilung nach den Chemischen Eigenschaften

• Säuren und Basen
• Oxidations- und Reduktionsmittel
• Katalysatoren
• Sonstige