Enzyklopädie – Theorie: Chemie

Gemische

In der Chemie nennt man Systeme homogen, wenn diese nur aus einer einzigen Phase (fest, flüssig oder gasförmig) bestehen, deren Zusammensetzung an allen Punkten des Systems gleich ist. Homogene Systeme können aus einem Reinstoff oder auch aus vielen verschiedenen Bestandteilen bestehen. Homogene Systeme sind beispielsweise Speisefett, Tee, Luft oder Wein.
Heterogene Stoffgemische bestehen aus zwei oder mehr Phasen, die nicht miteinander vermischt werden können. Die Zusammensetzung dieser Gemische, wie Schlamm oder Erzen, ist nicht an allen Punkten des Systems gleich. Häufig sind diese einzelnen Phasen gar nicht mehr mit blossem Auge zu erkennen und werden erst bei Betrachtung mit dem Mikroskop erkennbar.
Wenn dies der Fall ist (Milch, Flüssigseife) spricht man von kolloiden oder mikroheterogenen Systemen.

Homogene Gemische

Homogen als Begriff kommt aus dem Griechischen und bedeutet gleichartig. Ein System oder Körper ist in der Chemie und Physik homogen, wenn in diesem nur eine einzige Phase auftritt. Also beispielsweise nur fest, flüssig oder gasförmig. Homogen ist aber nicht dasselbe, wie rein oder unvermischt. Denn auch Gemische (Legierungen, Whiskey, Wein usw. können homogen sein. Die Zusammensetzung der Phase aller homogenen Systeme ist an jedem Punkt des Systems gleich.

Heterogene Gemische (Gemenge)

Heterogen als Begriff kommt aus dem Griechischen und bedeutet verschiedenartig. In der Chemie und Physik wird darunter ein System oder Gemisch, das mehrere Phasen umfasst, verstanden.
Entweder können die nicht zusammen mischbaren Phase im selben Aggregatszustand vorliegen, wie Öl und Wasser oder sie könne verschiedenartig sein wie in unserem Blut.

Geschichte der Chemie

Als Naturwissenschaft ist Chemie zu Beginn der Neuzeit aus zwei Vorgängern entstanden: Der Chemie in der Antike und der im Mittelalter nach Europa überlieferten Alchemie. Ungefähr ab dem 18. Jahrhundert wurde die Chemie zu einer exakten Naturwissenschaft. Sie begann ab dem 19. Jahrhundert eine grosse Menge von praktisch verwertbaren Ergebnissen zu liefern, welche zum Aufbau einer gewaltigen chemischen Industrie führte.
Zudem arbeitet die Chemie seit es sie gibt daran, zusammen mit der Physik, das innere Wesen der Materie zu erklären.
Das Verwenden des chemischen Wissens in der Industrie führte immer wieder zu grösseren Umweltschäden. Diese führten unter anderem in den 70er Jahren zum Entstehen einer Umweltbewegung. Diese Bewegung wollte die Industrie sowie die Gesellschaft im Allgemeinen zu nachhaltigerem Handeln ohne Umweltverschmutzung bringen.
Heute ist die Chemie eine Wissenschaft, die ziemlich differenziert ist. Sie hat in verschiedenen Sparten ganz unterschiedliche Forschungsziele, sowie eine Vielzahl von Technologien, welche Sie nutzt, um Stoffe umzuwandeln.

Gesetz der Erhaltung der Masse

Der Massenerhaltungssatz ist ein Erhaltungssatz der Chemie. Er sagt aus, dass sich die Gesamtmasse, der an chemischen Reaktionen beteiligten Stoffe nicht nennenswert ändert. In der Physik stimmt dieser Satz nur, wenn die Prozesse in einem geschlossenen System stattfinden, da sie dort weder Energie auf- noch abnehmen können.

Gesetz der konstanten Proportionen

Das Gesetz der konstanten Proportionen sagt aus, dass die Elemente einer chemischen Verbindung immer im gleichen Massenverhältnis zueinander vorkommen. Natriumchlorid beispielsweise enthält immer 60 Prozent Chlor und 40 Prozent Natrium. Aufgrund dieser Regel konnte die Stöchiometrie entwickelt werden.

Die Beobachtungen dieser konstanten Proportionen trugen einen grossen Teil zur Entwicklung des Atomhypothese von Dalton dazu.

Das immer gleiche Massenverhältnis der Elemente lässt sich anhand von Natriumchlorid bestens erklären. Es ist immer aus gleich vielen Chlor- wie Natriumteilchen aufgebaut. Ein Chlorteilchen ist jedoch um die Hälfte schwerer als das Natriumteilchen. Somit lässt sich die Teilchenanzahl eines Elements berechnen.

Jedoch können sich die Kristallstrukturen von einem Stoff beziehungsweise von einer Verbindung durch die Umweltbedingungen verändern, wodurch vielfach auch das Massenverhältnis der Stoffe von diesen Bedingungen abhängig ist.

Grundprinzip

Block des Periodensystems

Im Periodensystem werden chemische Elemente nach den energiereichsten Orbitalen ihrer Elektronenhülle als Block zusammengefasst. Ein Block fasst mehrere Gruppen des Periodensystems zusammen.

s-Block: im Gegensatz zum vorhergehenden Element, kommt ein Elektron in einem s-Orbital hinzu. Diesem Block gehören die Elemente Wasserstoff, Helium und die der 1. und 2. Hautgruppe, also die Alkalimetalle und Erdalkalimetalle an.

p-Block: im Gegensatz zum vorhergehenden Element kommt ein Elektron in einem p-Orbital hinzu. Diesem Block gehören alle Hauptgruppen an, ausser die 1. und 2. Das heisst, die Erdmetalle, die Kohlenstoffgruppe, die Stickstoffgruppe, die Chalkogene, die Halogene und die Edelgase.

d-Block: Im Gegensatz zum vorhergehenden Element kommt ein Elektron in einem d-Orbital hinzu. Diese Elektronen befinden sich in der zweitäussersten Schale des Atoms. Weil diese Elemente nur immer ein oder zwei Aussenelektronen besitzen, haben sie ein ähnliches chemisches Verhalten. Diesem Block gehören alle Nebengruppenelemente an.

f-Block: Im Gegensatz zum vorhergehenden Element kommt ein Elektron in einem f-orbital hinzu. Auch diese Elektronen sind nicht in der äussersten Schale zu finden, sondern in der drittäussersten. Durch diese Tatsache ist die chemische Ähnlichkeit in diesem Block noch stärker. Diesem Block gehören die Lathanoide und die Actinoide an.

Hauptgruppen

Das Periodensystem wurde so geordnet, dass chemische Elemente mit ähnlichen Eigenschaften in der Gruppe untereinanderstehen. Die Elemente, welche senkrecht untereinander stehen sind Gruppen zugeordnet. Oft werden die Elemente unter römischen Zahlzeichen zusammengefasst. Dort werden die mit I bis VIII bezeichneten Überschriften Hauptgruppen genannt. Elemente innerhalb einer Hauptgruppe haben recht ähnliche Eigenschaften, weshalb man den

Hautgruppen schon früh Bezeichnungen gegeben hat. Als Hauptgruppen werden diejenigen Gruppen bezeichnet, welche zum s- und p-Block des Periodensystems gehören. Das Periodensystem enthält 8 Hauptgruppen.

Die IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry (deutsch Internationale Union für reine und angewandte Chemie) hat alle Gruppen durchnummeriert.

IUPAC – Gruppe	Gruppenname	Hauptgruppe / Nebengruppe
Gruppe 1	Alkalimetalle und Wasserstoff	1. Hauptgruppe
Gruppe 2	Erdalkalimetalle	2. Hauptgruppe
Gruppe 3	Scandiumgruppe	3. Nebengruppe
Gruppe 4	Titangruppe	4. Nebengruppe
Gruppe 5	Vanadiumgruppe	5. Nebengruppe
Gruppe 6	Chromgruppe	6. Nebengruppe
Gruppe 7	Mangangruppe	7. Nebengruppe
Gruppe 8	Eisengruppe	8. Nebengruppe
Gruppe 9	Cobaltgruppe	8. Nebengruppe
Gruppe 10	Nickelgruppe	8. Nebengruppe
Gruppe 11	Kupfergruppe	1. Nebengruppe
Gruppe 12	Zinkgruppe	2. Nebengruppe
Gruppe 13	Borgruppe / Erdmetalle	3. Hauptgruppe
Gruppe 14	Kohlenstoff-Silicium-Gruppe / Tetrele	4. Hauptgruppe
Gruppe 15	Stickstoff-Phosphor-Gruppe / Pnictogene	5. Hauptgruppe
Gruppe 16	Chalkogene / Sauerstoffgruppe / Erzbildner	6. Hauptgruppe
Gruppe 17	Halogene / Fluorgruppe / Salzbildner	7. Hauptgruppe
Gruppe 18	Edelgase / Heliumgruppe	8. Hauptgruppe

Ziemlich deutlich ist die Übereinstimmung ihrer Eigenschaften bei den Edelgasen, Alkalimetallen, Halogenen und den Erdalkalimetallen, welche nachfolgend kurz erklärt sind.

Die Alkalimetalle setzten sich zusammen aus Wasserstoff, welcher eine Sonderstellung einnimmt, da er kein Metall ist, Lithium, Rubidium, Francium, Cäsium, Natrium und Kalium. Die Elemente kommen in der Natur nur in Verbindungen vor. Die Eigenschaften der Alkalimetalle sind, ihre geringe Schmelzdauer, die schnelle und heftige Reaktion mit Wasser und Sauerstoff, ihre niedrige Dichte und ihre Brennbarkeit mit charakteristischen Flammenverfärbungen.

Die Erdalkalimetalle zeigen ein sehr ähnliches Verhalten, wie die Alkalimetalle aber zeigen nur die abgeschwächten Eigenschaften der Alkalimetalle. Die zu dieser Gruppe gehörenden Elemente sind, Calcium, Strontium, Radium, Beryllium, Magnesium und Barium. Im Gegensatz zu den Alkalimetallen, bilden sie, bis auf Magnesium und Beryllium, schwerlösliche Sulfate und Carbonate.

Die Gruppe der Halogenen auch Salzbildner genannt sind bestehet aus den Elementen Fluor, Brom, Iod, Astat und Chlor. Auch diese Elemente sind in der Natur nur in Verbindungen zu finden. Sie reagieren heftig mit Metallen zu Salzen, Wasserstoffgas zu Säuren zudem sind sie farbig, gesundheitsschädlich oder sogar giftig.

Fluor und Chlor reagieren ziemlich schnell und aggressiv mit der Luft, weshalb man bei Versuchen mit diesen Elementen vorsichtig sein sollte.

Die Gruppe der Edelgase beinhaltet die Elemente Helium, Krypton, Xenon, Radon, Neon und Argon. In der Natur findet man sie nur elementar, das heisst in keiner Verbindung. Sie sind farblos, geruchslos und gasförmig. In der Luft sind sie nur in geringen Mengen zu finden und sie reagieren so gut wie gar nicht mit anderen Stoffen. Diese Eigenschaft zeichnet auch die Edelmetalle aus. Deshalb der Name.

Dass die Elemente der Hauptgruppen ähnliche Eigenschaften haben, lässt sich mit dem Aufbau der Atome erklären. Die Elemente der Hauptgruppen 1-7 versuchen durch Reaktion mit anderen Elementen die Edelgaskonfiguration ihrer Elektronenhülle zu erreichen. In derselben Hauptgruppe müssen die Elemente gleich viele Elektronen abgeben oder aufnehmen, wodurch die gleichen Eigenschaften der Elemente erklärt werden kann.

Nebengruppen

Gruppen chemischer Elemente, die zum d-Block des Periodensystems gehören, bezeichnet man als Nebengruppe. Alle Nebengruppenelemente sind Metalle.