Chemie im Kontext

Seit Anbeginn der Menschheitsgeschichte hat der menschliche Geist versucht, Materie in nützlichere Dinge zu verwandeln. Unsere Vorfahren in der Steinzeit schlugen Feuerstein in handliche Werkzeuge und schnitzten Holz zu Statuen und Spielzeug. Diese Bemühungen zielten darauf ab, die Form eines Gegenstandes zu verändern, ohne das Material selbst zu wandeln. Doch mit wachsendem Wissen begannen die Menschen, auch die Zusammensetzung der Dinge zu verändern – Ton wurde zu Töpferwaren gebrannt, Häute wurden zu Kleidung gegerbt, Kupfererze wurden zu Werkzeugen und Waffen geschmolzen, und aus Getreide wurde Brot gebacken. Die eigentliche Geschichte der Chemie begann, als die Menschen lernten, das Feuer zu beherrschen und es zum Kochen, zum Brennen von Keramik und zum Schmelzen von Metallen einzusetzen. Von da an begannen sie, gezielt bestimmte Stoffe zu isolieren und zu nutzen. Eine Vielzahl von Arzneimitteln wie Aloe, Myrrhe und Opium wurde aus Pflanzen gewonnen. Farbstoffe wie Indigo und das berühmte Tyrische Purpur wurden aus pflanzlicher und tierischer Materie extrahiert. Metalle wurden zu Legierungen kombiniert – etwa durch das Mischen von Kupfer und Zinn zu Bronze – und durch kluge Verhüttungsprozesse entstand Eisen. Aus Asche gewann man Alkalien, und durch das Mischen dieser Alkalien mit Fetten wurde Seife hergestellt. Alkohol wurde durch Fermentation erzeugt und durch Destillation veredelt. Versuche, das Verhalten der Materie zu ergründen, reichen mehr als 2500 Jahre zurück. Bereits im sechsten Jahrhundert v. Chr. diskutierten griechische Philosophen über ein System, in dem Wasser die Basis aller Dinge bildete. Sicherlich haben Sie schon vom griechischen Postulat gehört, wonach Materie aus vier Elementen besteht: Erde, Luft, Feuer und Wasser. Später verbreitete sich eine Mischung aus chemischen Techniken und philosophischen Spekulationen von Ägypten, China und dem östlichen Mittelmeerraum durch Alchemisten. Diese versuchten, „unedle Metalle“ wie Blei in „Edelmetalle“ wie Gold zu verwandeln sowie Elixiere zu brauen, die Krankheiten heilen und das Leben verlängern sollten.

Das Ritual des Alchemisten unter der Führung von Loki

STEM: Naturwissenschaften, Technik, Ingenieurwesen und Mathematik

Diskussion über die Chemie als zentrale Naturwissenschaft.

Die Chemie wird oft als die „zentrale Wissenschaft“ bezeichnet, da sie mit einer enormen Bandbreite anderer STEM-Disziplinen (MINT im Deutschen: Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik) verknüpft ist. Die Chemie und die Sprache der Chemiker spielen eine entscheidende Rolle in der Biologie, Medizin, Materialwissenschaft, Forensik, Umweltwissenschaft und vielen anderen Gebieten.

Die Grundprinzipien der Physik sind unerlässlich für das Verständnis zahlreicher Aspekte der Chemie. Es gibt massive Überschneidungen zwischen vielen Teildisziplinen beider Felder, wie etwa in der chemischen Physik oder der Kernchemie. Mathematik, Informatik und Informationstheorie liefern dabei die notwendigen Werkzeuge, um die chemische Welt zu berechnen, zu interpretieren und zu beschreiben.

Biologie und Chemie verschmelzen in der Biochemie, die entscheidend ist für das Verständnis der komplexen Prozesse, die lebende Organismen – wie uns Menschen – am Leben erhalten. Das Chemieingenieurwesen, die Materialwissenschaft und die Nanotechnologie kombinieren chemische Prinzipien mit empirischen Erkenntnissen, um nützliche Substanzen herzustellen, die von Benzin über Textilien bis hin zu Elektronik reichen.

Landwirtschaft, Lebensmittelwissenschaft, Veterinärmedizin sowie Brauerei- und Weinbaukunst sichern die Ernährung der Weltbevölkerung. Medizin, Pharmakologie, Biotechnologie und Botanik identifizieren und produzieren Substanzen, die unsere Gesundheit erhalten. Umweltwissenschaften, Geologie, Ozeanographie und Atmosphärenforschung nutzen chemische Konzepte, um unsere physische Welt besser zu verstehen und zu schützen. Sogar in der Astronomie und Kosmologie helfen chemische Ideen dabei, das Universum zu begreifen.

Welche Veränderungen der Materie sind für unseren Alltag wesentlich? Die Verdauung und Verwertung von Nahrung, die Herstellung von Polymeren für Kleidung, Behälter und Kreditkarten sowie die Raffination von Erdöl zu Benzin sind nur einige wenige Beispiele.

Im Laufe dieses Kurses werden Sie viele verschiedene Beispiele für Veränderungen in der Zusammensetzung und Struktur von Materie entdecken. Sie werden lernen, diese Veränderungen zu klassifizieren, ihre Ursachen zu ergründen, die damit einhergehenden Energieänderungen zu verstehen sowie die beteiligten Prinzipien und Gesetze kennenzulernen.

Während Sie sich dieses Wissen aneignen, erlernen Sie die Chemie – die Lehre von der Zusammensetzung, den Eigenschaften und den Wechselwirkungen der Materie. Chemie findet nicht nur in staubigen Büchern oder Laboren statt: Sie geschieht überall dort, wo Menschen Materie verändern oder die Bedingungen untersuchen, die zu solchen Veränderungen führen.

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Der Bauer

Der Ursprung der Kette

Das ist mein Hof

Hier sind meine Ochsen, meine Kühe, mein Haus und alles, was ich besitze und liebe.

Es ist Erntezeit

Es sieht so aus, als hätten wir Glück; die Ernte wird uns das ganze Jahr über ernähren, juchhu!

Die Zeit der Steuereintreibung

Und da kommt auch schon der Steuereintreiber, den der Herzog geschickt hat.

Am nächsten Tag zeigte sich, dass die Götter mich vergessen hatten.

Eine Teufelskreatur biss mich plötzlich aus dem hohen Gras heraus.

Mein Sohn eilte in die Stadt, um ein Gegengift zu suchen.

Er fand einen Alchemisten, der sich selbst einen 'Toxikologen' nannte. Ich kenne die Bedeutung nicht, aber möge Odin ihn segnen!

Ich wurde gerettet

Das Gegengift wurde gerade noch rechtzeitig gebracht; das Schicksal hat den Sohn nicht um seinen Vater beraubt. Ehre den Göttern!

Am nächsten Tag verkaufte ich die gewaltige Menge des geernteten Weizens

Am Handelshaus erzählte mir jemand von einer Methode, mit der man den Ernteertrag deutlich steigern könne.

Der Mann mit dem außergewöhnlichen Namen 'Agronom' traf am nächsten Tag auf meinem Hof ein.

Der Fremde namens Agronom ging zu den Saatfeldern, um, wie er es nannte, 'die Situation in unserem Ökosystem zu erforschen' – was auch immer das bedeuten mag.

Ich war überrascht von dem Besuch des Agronomen in einer seltsamen Kutsche.

Er erklärte mir, dass das Pulver in den großen Säcken 'Dünger' sei. Er wolle meinen Sohn darin unterweisen, wie man es verwendet, damit sich unsere Ernte in der nächsten Saison fast verdoppelt.

So beschlossen wir, die Sachen unseres Sohnes für die Reise mit dem Agronomen zu packen.

Die Reise wird etwa zwei Wochen dauern, bis unser Sohn zu uns zurückkehrt, und der Herr versprach, ihm viele nützliche Dinge beizubringen.

Der Bauernsohn kam mit dem Agronomen in der Stadt an.

Wir erreichten die Stadt, und der Agronom versprach mir, dass wir viele interessante Orte besuchen würden.

Unser erster Halt war an einem Ort, den er 'Alma Mater' nannte, doch sein wahrer Name war die futuristische Universität.

Der Agronom redete unermüdlich auf mich ein, über die Wissenschaft, die Bedeutung von Bildung für die Lebensqualität und die persönliche Bestimmung.

Er führte mich zum Lehrstuhl für Mykologie (was auch immer das bedeutet).

Dort sah ich seltsame Apparaturen und schlichte pilzartige Substanzen, die in den Regalen und auf dem Tisch gestapelt waren.

Ich erinnerte mich an den Arzt, der das Gegengift für meinen Vater gegeben hatte.

Wir trafen ihn hier, und sie sprachen über mich; dann nannte der Agronom den Herrn einen Toxikologen, und wir besuchten sein Zimmer, das der Toxikologe als Labor bezeichnete.

Es folgten mehrere Besuche bei ihren Freunden, die sie gegenseitig als 'Kollegen' bezeichneten.

Wir besuchten auch das Labor des Pharmakologen.

So wanderten wir den ganzen Tag von Raum zu Raum.

Schließlich kamen wir an einen Ort mit denkwürdigen Fotos, und Herr Agronom zeigte mir Bilder seiner Klassenkameraden, von denen er einen als Vulkanologen bezeichnete.

Schließlich verspürte ich großen Hunger und teilte dies meinem Mentor (Herrn Agronom) mit.

Er führte mich in die Abteilung für Lebensmittelwissenschaften der Universität, und dort nahmen wir einen Imbiss zu uns.

Dann besuchten wir die Abteilung namens 'Anorganische Chemie'.

Hier erzählten mir der Agronom und ein Herr, den er 'Professor' nannte, von dem Pulver, das der Agronom meinem Vater geliefert hatte – dem sogenannten Dünger; sie zeigten mir, wie es hergestellt wird.

Der Professor erklärte, dass ein gewisses Thema für diese Prozesse extrem wichtig sei, und er nannte es 'Energie' – was auch immer das bedeuten mag.

Er zeigte uns kurze, sehr realistische Szenen, die er 'Film' nannte, über die Kraft der Energie und darüber, wo die moderne Wissenschaft nach Energiequellen sucht.

Es gab noch weitere Besuche, und ich begann zu begreifen, was dies alles bedeutete; meine Unruhe wich mit jedem Halt einer wachsenden Neugier.

Schließlich fragte mich der Agronom, ob ich die Absicht hätte, mich näher mit der Wissenschaft vertraut zu machen, um meinem Vater mit diesem Wissen zu helfen, die Ernteerträge signifikant zu steigern.

Am nächsten Tag ritten wir zurück nach Hause, doch ich bat darum, die Schmiede meines Onkels zu besuchen.

Dort zeigte mein Onkel dem Agronomen die traditionelle Handwerkskunst, und der Agronom erzählte uns viel darüber, wie die Menschheit Wissen gesammelt und weiterentwickelt hat, um all die Errungenschaften der Moderne zu erreichen.

So wachte ich am Morgen auf und glaubte, alles sei nur ein Traum gewesen, aber...

Ich fand das Einladungsschreiben unter meinem Kissen!

In den folgenden Jahren widmete ich mein ganzes Leben dem Studium der Chemie. Ich danke Ihnen, Herr Agronom.

Und nun verstehe ich, dass die Wissenschaft – ebenso wie die Wissenschaftler – der Menschheit dient, mit dem Ziel, die Natur zu begreifen, die Lebensqualität zu verbessern, Krankheitsrisiken zu senken, Armut zu beseitigen und vieles mehr.

Von nun an wird sich der gesamte Rest dieses Tutorials um das Erlernen der Chemie drehen – das Studium dessen, woraus Materie besteht, wie sie sich verhält und wie sie reagiert. Denken Sie nicht, dass die Praxis der Chemie nur staubigen Büchern oder hochmodernen Laboren vorbehalten ist. Sie findet jederzeit statt, wann immer jemand Materie verändert oder die Bedingungen erforscht, die zu diesen Veränderungen führen.

Die wissenschaftliche Methode

Chemie ist eine Wissenschaft, die auf Beobachtung und Experimenten basiert. Chemie zu betreiben bedeutet, zu versuchen, Fragen zu beantworten und Beobachtungen anhand der Gesetze und Theorien der Chemie zu erklären, wobei Verfahren angewendet werden, die von der wissenschaftlichen Gemeinschaft akzeptiert sind. Es gibt keinen einzelnen Weg, eine Frage zu beantworten oder eine Beobachtung zu erklären, aber es gibt einen Aspekt, der jedem Ansatz gemeinsam ist: Jeder nutzt Wissen, das auf Experimenten basiert, die reproduziert werden können, um die Ergebnisse zu verifizieren. Einige Wege beinhalten eine Hypothese, eine vorläufige Erklärung von Beobachtungen, die als Leitfaden für das Sammeln und Überprüfen von Informationen dient. Wir testen eine Hypothese durch Experimente, Berechnungen und/oder den Vergleich mit den Experimenten anderer und verfeinern sie dann nach Bedarf.

Einige Hypothesen sind Versuche, das in Gesetzen zusammengefasste Verhalten zu erklären. Die Naturgesetze fassen eine große Anzahl experimenteller Beobachtungen zusammen und beschreiben oder sagen einen Aspekt der natürlichen Welt voraus. Wenn sich eine solche Hypothese als fähig erweist, eine große Menge experimenteller Daten zu erklären, kann sie den Status einer Theorie erreichen. Wissenschaftliche Theorien sind gut untermauerte, umfassende und prüfbare Erklärungen bestimmter Aspekte der Natur. Theorien werden akzeptiert, weil sie zufriedenstellende Erklärungen liefern, aber sie können modifiziert werden, wenn neue Daten verfügbar werden. Der Pfad der Entdeckung, der von der Frage und Beobachtung zum Gesetz oder zur Hypothese und weiter zur Theorie führt, kombiniert mit der experimentellen Überprüfung der Hypothese und jeder notwendigen Modifikation der Theorie, wird als wissenschaftliche Methode bezeichnet.

Die wissenschaftliche Methode folgt einem Prozess, der dem in diesem Diagramm dargestellten ähnelt. Alle wesentlichen Komponenten sind in der annähernd richtigen Reihenfolge aufgeführt. Wissenschaftlicher Fortschritt verläuft selten geradlinig und sauber: Er erfordert unvoreingenommene Forschung sowie die stetige Überarbeitung von Fragen und Ideen als Reaktion auf gewonnene Erkenntnisse.

Die Domänen der Chemie

Um das Verhalten von Materie und Energie zu beschreiben, nutzen Chemiker drei unterschiedliche Domänen: die makroskopische, die mikroskopische und die symbolische. Diese Rahmenwerke bieten verschiedene Perspektiven für die Analyse chemischer Phänomene.

Die makroskopische Domäne:

Abgeleitet vom griechischen Wort für „groß“, umfasst die makroskopische Domäne den Bereich der alltäglichen Erfahrung. Sie beinhaltet alles, was groß genug ist, um direkt mit den menschlichen Sinnen wahrgenommen zu werden, wie etwa die Nahrung, die wir zu uns nehmen, oder das haptische Empfinden einer Brise. Sowohl im Alltag als auch im Labor werden in dieser Domäne physikalische und chemische Eigenschaften beobachtet und gemessen – wie Dichte, Löslichkeit und Entflammbarkeit – und sichtbare Übergänge der Materie wahrgenommen.

Die mikroskopische Domäne:

Die mikroskopische Domäne, vom griechischen Wort für „klein“, erfordert oft den Einsatz von Vorstellungskraft oder speziellen Instrumenten. Während einige Aspekte, wie Bakterien oder die Oberfläche von Graphit, durch herkömmliche Mikroskope betrachtet werden können, existieren die Kernsubjekte der Chemie auf einer weitaus kleineren Ebene.

Sichtbar mikroskopisch: Einheiten wie Viren oder Zellen, die eine Vergrößerung benötigen, um gesehen zu werden.

Submikroskopisch: Die meisten chemischen Einheiten – einschließlich Atome, Moleküle, Ionen und subatomare Teilchen (Protonen, Neutronen und Elektronen) – sind zu klein, um selbst mit Standardmikroskopen gesehen zu werden.

Diese Domäne konzentriert sich auf die diskreten Wechselwirkungen, die beobachtbare Veränderungen antreiben, wie etwa die Anordnung einzelner Metallatome in einem Draht, die kristalline Struktur von Salzionen oder das Aufbrechen und Bilden chemischer Bindungen, die zu Wärmeentwicklung oder Farbveränderungen führen.

Die symbolische Domäne:

Die symbolische Domäne enthält die Fachsprache, die zur Darstellung von Komponenten der makroskopischen und mikroskopischen Domänen verwendet wird. Chemische Symbole (wie sie im Periodensystem verwendet werden), chemische Formeln und chemische Gleichungen sind Teil der symbolischen Domäne, ebenso wie Diagramme und Zeichnungen. Auch Berechnungen können der symbolischen Domäne zugeordnet werden.

Diese Symbole spielen eine wichtige Rolle in der Chemie, da sie helfen, das Verhalten der makroskopischen Domäne anhand der Komponenten der mikroskopischen Domäne zu interpretieren. Eine der Herausforderungen für Chemieanfänger besteht darin zu erkennen, dass dieselben Symbole in der makroskopischen und der mikroskopischen Domäne unterschiedliche Dinge repräsentieren können. Eines der Merkmale, die die Chemie so faszinierend machen, ist die Nutzung einer Domäne, die man sich vorstellen muss, um das Verhalten in einer Domäne zu erklären, die man beobachten kann.

Ein hilfreicher Weg, die drei Domänen zu verstehen, ist die Betrachtung der essenziellen und allgegenwärtigen Substanz Wasser.

Makroskopische Domäne: Die Beobachtungen, dass Wasser bei moderaten Temperaturen flüssig ist, bei niedrigeren Temperaturen zu einem Feststoff gefriert und bei höheren Temperaturen zu einem Gas siedet, sind makroskopisch.

Mikroskopische Domäne: Einige Eigenschaften von Wasser fallen in die mikroskopische Domäne – das, was mit bloßem Auge nicht beobachtet werden kann. Dies beinhaltet die Beschreibung von Wasser als eine Verbindung aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom sowie die Erklärung des Gefrierens und Siedens durch die Anziehungskräfte zwischen diesen Molekülen.

Symbolische Domäne: Die Formel H2O, die Wasser sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Ebene beschreiben kann, ist ein Beispiel für die symbolische Domäne. Auch die Abkürzungen (g) für gasförmig, (s) für fest und (l) für flüssig sind symbolisch.

Die Formel H2O symbolisiert: Wasser, und (g), (s) sowie (l) symbolisieren seine Phasen.

Wasser in der Gasphase

Beachten Sie, dass Wolken eigentlich aus sehr kleinen flüssigen Wassertropfen oder festen Wasserkristallen bestehen; Wasser in seiner Gasphase ist für das bloße Auge nicht sichtbar, obwohl es als Luftfeuchtigkeit wahrgenommen werden kann. Hier haben wir die Gasphase des Wassers als Dampf dargestellt; das Bild ist zudem sehr symbolisch.

Wasser in der flüssigen Phase

Die Göttin Styx gießt Wasser in seiner flüssigen Phase in den Fluss; erweisen wir ihr unseren Respekt.

Eis als feste Phase des Wassers

Und Boreas arbeitet hart, um Ihnen die feste Phase des Wassers zu zeigen; erweisen wir ihm unseren Respekt.