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Aggregatszustände

Mit dem Wort Aggregatszustand wird der physikalische Zustand eines Stoffes bezeichnet. Es gibt die die drei Aggregatszustände: fest, flüssig und gasförmig. In welchem Aggregatszustand ein Stoff sich befindet, hängt von der Eigenheit des Stoffes, dessen Temperatur und dem Umgebungsdruck ab.
Grundsätzlich kann man sagen, dass die grösste Dichte der Stoffe im Aggregatszustand «fest» gegeben ist. Und die Dichte das etwa 5-10 Prozent höher ist als die der Flüssigkeit des gleichen Stoffes. Wenn auf den Stoff keine äussere Kraft einwirkt, bleibt er in der gleichen Form. Der Stoff im flüssigen Zustand passt sich in seiner Form der Umgebung an. Das kann man gut beobachten, wenn man sich ein Getränk einschenkt. Der dritte Aggregatszustand ist gasförmig. Ein Beispiel dafür ist beim kochenden Wasser der Wasserdampf. Die Dichte von Stoffen in gasförmigen Zustand verglichen mit dem jeweiligen festen Stoff ist bis zu tausendmal kleiner. Deshalb lassen sich Stoffe im gasförmigen Aggregatszustand auch extrem stark komprimieren. Da der Stoff in diesem Aggregatszustand keine
feste Oberfläche besitzt, sind farblose Gase unsichtbar.

Anorganische Chemie

Die anorganische Chemie auch Anorganik genannt umfasst die Chemie aller Verbindungen und Elemente, welche keine Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten. Zum Beispiel beschäftigt sich ein anorganischer Chemiker mit Blausäure oder Kohlensäure, nicht jedoch mit Glukose oder Acetylsalicylsäure (Wirkstoff im Aspirin). Aufzeigen lässt sich die Abgrenzung zur organischen Chemie am besten im Bereich der Organometallverbindungen. Forschungen, die sich dieser nur als Reagenz oder Hilfsmittel bedienen, sind der Organik anzurechnen. Wenn jedoch das Metallzentrum im Mittelpunkt der Forschung steht, wird dies der anorganischen Chemie zugerechnet.

Wie schon erwähnt werden der anorganischen Chemie traditionell alle Verbindungen angerechnet, die keinen Kohlenstoff enthalten. Darüber hinaus kommen noch Kohlenstoff Verbindungen hinzu, die genau wie anorganische Stoffe aufgebaut sind. Beispielsweise die Carbonate. Zudem wird die Chemie der Elemente auch zur anorganischen Chemie gezählt.

Die anorganische Chemie lässt sich in mehrere grosse Stoffgruppen aufteilen.

  • Nichtmetalle und Metalle
  • Nichtmetallverbindungen, welche keinen Kohlenstoff enthalten
  • Salze
  • Komplexe (Als Komplexe werden Verbindungen, welche aus Metallzentren und mehreren sie umgebende Liganden besteht, welche über Koordinative Bindungen miteinander verknüpft sind, beschrieben. Komplexe werden häufig von Übergangsmetallen, wie Cobalt oder Nickel gebildet und sind meistens farbig.)
  • Cluster (Verbindungen von Metallen oder Nichtmetallen, welche mit ihrer Grösse zwischen den kleinen Nichtmetallverbindungen oder Komplexen und den grossen metallischen Festkörpern liegen.)

Atombausteine

Hadron

Als Hadronen (altgriechisch «dick», «stark») bezeichnet man subatomare Teilchen, die von einer starken Wechselwirkung zusammengehalten werden. Die bekanntesten Hadronen sind die Nukleonen (Protonen und Neutronen), welche Bestandteil der Atomkerne sind. Die Bezeichnung Hadronen wurde 1962 von Lew Okun als Reaktion auf die Entdeckung immer neuer Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterlagen, eingeführt. Zwei Jahre später postulierte Murray Gell-Mann die Existenz von Quarks, aus denen die Hadronen aufgebaut sind. Dies führte dazu, dass die Hadronen nicht mehr als Elementarteilchen angesehen werden. [Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Hadron]

Proton

Als Proton, auch Wasserstoffkern, wird in der Chemie ungeachtet der Kernmasse ein positiv geladenes Ion H+ des Wasserstoffs bezeichnet. Ein Proton in chemischem Sinn kann somit in physikalischem Sinn ein Proton (1H+), ein Deuteron (2H+) oder ein Triton (3H+) sein. Also kann es somit ausser dem Proton auch noch ein oder zwei Neutronen enthalten.

Wenn ein Wasserstoffatom ein Elektron abgibt, würde theoretisch nur der Atomkern übrigbleiben. Jedoch ist eine solche Bildung von freien Atomkernen nicht möglich. Es muss immer ein Molekül vorhanden sein, dass das Proton übernimmt.

Neutron

Ein Neutron ist ein elektrisch geladenes Hadron und besitzt das Formelzeichen n. Es gehört zu den Bestandteilen der Atomkerne und ist wie das Proton ein Nukleon. Es kommt auch als freies Neutron vor, jedoch ist das freie Neutron in diesem Zustand nicht stabil. Im Vergleich zu allen anderen nicht stabilen Elementarteilchen, die es gibt, hat es jedoch die längste Lebensdauer.

Elektron

1897 wurden die Elektronen experimentell erstmals von Joseph John Thomson nachgewiesen.  Als Elektron wird ein negativ geladenes Elementarteilchen bezeichnet. Es besitzt das Symbol e–.

Bis anhin zeigen Elektronen in den Experimenten keine innere Struktur. Deshalb können sie als punktförmig angenommen werden. Die Obergrenze für die Grösse eines Elektrons bei einem Experiment liegt momentan ungefähr bei 10-19 m.

In Ionen und Atomen bilden die Elektronen die Elektronenhülle. Ein jedes der gebundenen Elektronen kann eindeutig durch vier Quantenzahlen (n, l, m, und s) beschrieben werden. Die Eigenschaft, dass sich einige Elektronen frei bewegen können ist die Ursache für die elektrische Leitfähigkeit von metallischen Leitern.

Wenn es zu einem Betazerfall vom Atomkern kommt, wird ein Elektron erzeugt und emittiert.

Atombindung

Eine Form der chemischen Bindung ist die Atombindung, die als solche für den festen Zusammenhalt von Atomen in vielen chemischen Verbindungen verantwortlich ist. Die Atombindungen bilden sich grösstenteils zwischen den Atomen von Nichtmetallen.

Die tragende Rolle bei der Atombindung spielt die Wechselwirkung der Aussenelektronen der Elektronenhüllen der beteiligten Atome. Die Atome bilden zwischen sich mindestens ein Elektronenpaar aus. Dieses entsprechende Elektronenpaar hält zwei Atome zusammen, ist somit bindend und wird daher bindendes Elektronenpaar genannt. Nebst einem bindendem Elektronenpaar können auch zwei oder drei Paare wirken. Die Atombindung besitzt eine bestimmte Wirkungsrichtung. Sie ist also eine gerichtete Bindung und bestimmt damit die geometrische Struktur einer Verbindung.

Atommasse

Die Atommasse (A), früher als Atomgewicht bezeichnet, meint die Masse von Atomen chemischer Elemente.

Unterschieden wird zwischen relativer Atommasse (Ar) (ohne Masseinheit) und der absoluten Atommasse, angegeben in kg, g oder u (atomare Masseinheit).

Mithilfe der relativen Atommassen, den daraus berechenbaren Molekülmassen und der daraus abgeleiteten molaren Masse können die Massen- und Volumenverhältnisse der an einer chemischen Reaktion beteiligten Stoffe berechnet werden. Die absolute Masse eines Atoms liegt im Bereich von 10-27 kg (0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 kg). Der Definition nach besitzt der zwölfte Teil eines Mols des Kohlenstoffisotops 12C eine Masse von 1g. Das heisst die absolute Atommasse ist somit auf Gramm bezogen. Da es sehr kleine Zahlenwerte gibt wird grundsätzlich die atomare Masseinheit u (1u = 1,66056*10-27 kg) verwendet, die ebenfalls einem zwölftel der Atommasse des Kohlenstoffisotops 12C entspricht. Der Zahlenwert der Masse eines Teilchens eines in u und der Zahlenwert der Masse von 1 mol dieses Teilchens in g sind somit identisch.

Atommodelle

Ein Atommodell ist eine Vorstellung vom Aufbau und der Form der Atome. Schon im Altertum gab es die Atomhypothese, nach der die Atome als die unteilbaren und unveränderlichen Grundbausteine aller materiellen Stoffe angesehen wurden. Die Atomhypothese konnte sich zunächst nur auf die philosophische Bevorzugung eines Teilchenmodells gegenüber der Hypothese der unendlich fortsetzbaren Teilbarkeit der Materie stützen. Auch sollten die unterschiedlichen Eigenschaften der materiellen Stoffe auf die Kombinationsmöglichkeiten einiger weniger Arten von Atomen zurückgeführt werden. Erst ab Anfang des 19. Jahrhunderts zeigten sich in der Chemie und der Physik naturwissenschaftliche Hinweise auf die wirkliche Existenz der Atome: Das Atom wurde als kleinste Einheit eines chemischen Elements definiert, und das Verhalten von Gasen konnte nach der kinetischen Gastheorie vollständig aus der ungeordneten Bewegung einer Vielzahl gleicher Moleküle, die jeweils aus wenigen Atomen bestehen, erklärt werden. Als Atommodell genügte hierbei die Vorstellung einer kleinen Kugel von ca. 0,1 nm Durchmesser und ca. 10−26 kg Masse. In dieser Form hatte sich Ende des 19. Jahrhunderts die Atomhypothese weitgehend durchgesetzt, als neue Beobachtungen mit Elektronenstrahlen und radioaktiven Stoffen zeigten, dass diese Atome selber aus kleineren Teilchen bestehen. Die Erklärung ihres komplizierten inneren Aufbaus führte 1925 zur Quantenmechanik, deren Atommodelle vorrangig als mathematische Aussagen formuliert sind. Auf die Frage, wie man sich denn ein Atom nun vorzustellen habe, antwortete Werner Heisenberg, einer der Schöpfer der Quantenmechanik: «Versuchen Sie es gar nicht erst!» [Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Atommodelle]

Aufbau der Atome

Das Atom ist der chemische Baustein in der Materie, der nicht weiter geteilt werden kann. Während der Geschichte der Chemie, gab es unterschiedlichste Atommodelle. Die Atome haben einen elektrisch positiv geladenen Atomkern und eine Hülle aus Elektronen, welche negativ geladen sind. Ein Atom in seinem Normalzustand ist nicht elektrisch positiv oder negativ geladen, sondern neutral. Das heisst, die Anzahl von Elektronen und Protonen ist gleich. Wenn Atome elektrische geladen sind, nennt man sie Ionen. Wenn ein Atom, durch Entfernen oder Hinzufügen eines oder mehrerer Elektronen, zu einem Ion umgewandelt wird, nennt man das: Ionisierung. Der Kern des Atoms ist aufgebaut aus positiv geladenen Protonen, sowie elektrisch neutralen Neutronen. Wenn Atomsorten oder Nuklide die gleiche Anzahl von Protonen (Kernladungszahl) und somit auch dieselbe Ordnungszahl haben, gehören sie zum selben Element und werden Isotope genannt. Isotope desselben Elements können chemisch nicht unterschieden werden, da das chemische Verhalten eines Atoms durch die Eigenschaften der Atomhülle bestimmt werden.

Chemische Bindung

Als chemische Bindung wird der Zusammenhalt der kleinsten Teilchen in chemischen Stoffen bezeichnet. Diese kleinsten Teilchen können Atome, Anionen, Kationen oder Moleküle sein. Indem chemische Bindungen gelöst oder eingegangen werden, werden Stoffe ineinander umgebaut. Die Produkte dieser Umformungen können völlig andere Eigenschaften als die Ausgangsstoffe besitzen.

Es ist bekannt, dass sich Verbindungen (Moleküle) nicht in beliebigen Kombinationen von Atomen beziehungsweise Elementen bilden. Um miteinander eine Bindung einzugehen müssen sich die entsprechenden Elektronenhüllen dazu geeignet sein. Ein wichtiges und nützliches Hilfsmittel für das Verständnis der Verhältnisse von Bindungen ist die unkomplizierte Edelgasregel. Durch sie ist die grafische Darstellung von vielen chemischen Verbindungen als Valenzstrichformel möglich, indem bindende Elektronenpaare als Striche zwischen den Kennbuchstaben der Elemente stehen.

Chemische Reaktionen

Wenn bei Vorgängen aus den Ausgangsstoffen neue Stoffe oder Reaktionsprodukte mit neuen Eigenschaften entstehen, nennt man dies eine chemische Reaktion. Mit dieser Stoffumwandlung ist immer auch eine Energieumwandlung verbunden.

Durch Formel- oder Wortgleichungen können chemische Reaktionen wiedergegeben werden. Zudem können chemische Reaktionen nach unterschiedlichen Gesichtspunkten aufgeteilt werden.

Chemische Reaktionen

Die chemische Reaktion ist ein Vorgang, bei welchem eine oder meistens mehrere chemische Verbindungen in andere umgewandelt werden. Dabei wird Energie freigesetzt oder aufgenommen. An Reaktionen können auch Elemente beteiligt sein. In der Regel sind chemische Reaktionen mit Veränderungen der chemischen Verbindungen in Kristallen oder Molekülen verbunden. Indem eine chemische Reaktion stattfindet können sich die Eigenschaften der Produkte verglichen zu den Edukten stark verändert haben. Nicht zu den chemischen Reaktionen zählen Aggregatszustandsänderungen, wie Schmelzen, Verdampfen, die Diffusion, das Vermengen von Reinstoffen oder Kernreaktionen, bei welchen Elemente in andere Elemente umgewandelt werden.