Was ist Chemie? Historische Entwicklung Basisschulung Chemie. Basisschulung Teil I: Grundlagen Chemie. Was ist Chemie?

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1 Basisschulung Teil I: Basisschulung Chemie Grundlagen Chemie Referentin: Carmen Noehl Tel.: Was bedeutet der Begriff Chemie? Historische Entwicklung Teilgebiete der Chemie Allgemeine Chemie - Elemente (Atomaufbau) - Periodensystem - Moleküle - Reaktionen Chemie im Alltag Was ist Chemie? Was ist Chemie? Wenn s knallt und stinkt Öffentlichkeit: "Chemie ist alles, was nicht natürlich ist." Historiker: Chyma (gr.) = Metallguss Naturwissenschaftler: Lehre von Aufbau, Eigenschaften und Umwandlung von Substanzen* * = Elemente + Verbindungen Historische Entwicklung Historische Entwicklung Antike ( v. Chr.): Praktisches Wissen über Stoffumwandlungsprozesse Töpferei, Metallguss, Brauen, Backen, Färben, Heilmittel Naturphilosophische Ansätze Theorie der 4 Erdelemente, aus denen alle Stoffe bestehen 1

2 Historische Entwicklung Historische Entwicklung Mittelalter (bis 1650 n. Chr.): Moderne Chemie (seit 1790): Aus der griechischen Theorie und den alten Handwerkskünsten entwickelte sich in Alexandrien die Alchimie Metallveredlung Arzneimittel / Lebenselexir Antoine Lavoisier wird als erster Chemiker angesehen: benutzte als erster eine Waage, um chemische Erscheinungen zu erklären formulierte als erster das 1. Grundgesetz der Chemie = Erhaltung der Massen Andere berühmte Chemiker Andere berühmte Chemiker Im Spätherbst 1895, entdeckte der Würzburger Professor Wilhelm Conrad Röntgen "eine neue Art von Strahlen". Alfred Nobel erfand wirkungsvolle Sprengstoffe für friedliche und militärische Zwecke. Andere berühmte Chemiker Teilbereiche Chemie heute Louis Pasteur erforschte die Rolle der Mikroorganismen und entdeckte die Möglichkeit, diese durch ERHITZEN abzutöten und dadurch Lebensmittel haltbar zu machen, zu konservieren bzw. zu pasteurisieren. 2

3 Chemie heute Wichtigste Teilbereiche Chemische Industrie zählt heute zu den wichtigsten Industriezweigen und ist bedeutender Wirtschaftszweig wichtigste Erzeugnisse sind u. a. Grundchemikalien, Düngemittel, Kunststoffe, Lacke, Pharmaprodukte, Pestizide Im Laufe der Zeit hat sich die Chemie in verschiedene Fachgebiete verzweigt: Organische Chemie (Medizin, Lebensmittel ) Anorganische Chemie (Salze, Metalle ) Physikalische Chemie (Akkus, Katalysatoren ) Organische Chemie Anorganische Chemie untersucht kohlenstoffhaltige Verbindungen, die NICHT von Lebewesen hergestellt werden Biologie + Medizin: Arzneimittel, Lebensmittel, Konservierungsstoffe Petrochemie: Kunststoffe, Reinigungsmittel, Farben/ Lacke behandelt Elemente des Periodensystems, die nicht ausschliesslich aus Kohlenstoffketten bestehen + deren Verbindungen Salze, Metalle + deren Verbindungen (Legierungen) Schaffung neuer Werkstoffe mit speziellen physikalischen und chemischen Eigenschaften Physikalische Chemie Biochemie beschäftigt sich mit den grundlegenden Phänomenen der Chemie Grenzbereich zwischen Physik und Chemie Thermodynamik, Elektrochemie, Technik (Akkus, Katalysatoren ) befasst sich mit Stoffwechselvorgängen, Genetik Grenzbereich zur Biologie Überschneidung mit Disziplinen Pharmazeutische und Medizinische Chemie 3

4 Allgemeine Chemie Allgemeine Chemie Grundlagen der Chemie, die in fast allen Teilbereichen von Bedeutung sind Elemente = Atome + Aufbau Periodensystem der Elemente (PSE) Chemische Bindung (Moleküle) Chemische Reaktionen (Industrie + Alltag) Elemente = Atome Schon gehört? Definition: Die Erde besteht zu 90 % aus 5 Elementen: Element (ATOM) = kleinste Einheit, in die sich Materie mit chemischen oder mechanischen Mitteln zerlegen lässt. Element Symbol Anteil 1. Sauerstoff O 49,9 % 2. Silicium Si 25,9 % 3. Aluminium Al 7,5 % 4. Eisen Fe 4,7 % 5. Calcium Ca 3,7 % 90.8 % Periodensystem der Elemente (PSE) Atomaufbau Im PSE sind sind alle bekannten Elemente aufgeführt derzeit 118 Elemente Forschung neue Elemente entdeckt Jedes Element hat einen Namen Element-Kürzel besteht aus einem oder zwei Buchstaben (bei neueren Elementen auch drei). 4

5 Atomaufbau Atomaufbau Atomkern = positive Protonen + gleiche Anzahl neutraler Neutronen Atomhülle = negative Elektronen, die sich auf verschiedenen Energieniveaus (=Schalen) kreisförmig um Atomkern bewegen Immer gleich viele Elektronen in der Hülle wie Protonen / Neutronen im Kern. Einfachstes Element = Wasserstoff (H) 1 Elektron kreist auf 1 Schale um den Atomkern (1P+1N) Schon komplizierter: = Sauerstoffatom (O) 8 Elektronen kreisen auf 2 Schalen um den Atomkern (8P+8N) Periodensystem der Elemente 2 flüssige Elemente Auflistung der Elemente nach steigender Protonenzahl und chemischer Ähnlichkeit Ordnungszahl Elementsymbol Elementname Rel. Atommasse 6 Fe C O Hg Kohlenstoff Feste Elemente Gasförmige Elemente Flüssige Elemente (20 ) Radioaktive Elemente Hg 80 Br 35 Von den chemischen Elementen sind bei Raumtemperatur * nur Quecksilber und Brom flüssig. 11 gasförmige Elemente Feste Elemente Ne 10 N 7 Von den gasförmigen Elementen sind 6 Edelgase, davon 1 Element zusätzlich auch radioaktiv (Radon Rn). S 16 Li 3 Alle anderen Elemente sind feste Stoffe, bzw. Metalle. 5

6 I II III IV V VI VII VIII PSE Perioden Nebengruppen Perioden horizontale Reihen: gibt Anzahl der Schalen (=Perioden) an in 1. Periode alle Elemente mit nur 1 Schale (K-Schale) H; He In 2. Periode alle Elemente mit 2 Schalen (K- und L-Schale) Li bis Ne, usw Insgesamt 6 Schalen: K L M N O - P Schalenmodell I II III IV V VI VII VIII Innere Schale: max. 2 Elektronen alle anderen Schalen: Je max. 8 Elektronen Insgesamt 6 Schalen: K L M N O P Untergruppen Nebengruppen Beispiel Schwefel (S): 16 Elektronen PSE Hauptgruppen PSE Hauptgruppen Hauptgruppen vertikale Spalten: Gruppe I : Elemente mit 1 Elektron auf äußeren Schale Wasserstoff bis Fancium Gruppe II: Elemente mit 2 Elektronen auf äusseren Schale Gruppe VIII: Elemente mit 8 Elektronen auf äusseren Schale (= Edelgase) Elementfamilien mit chem. ähnlichen Elementen: HG I HG II HG III HG IV HG V HG VI HG VII HG VIII Alkalimetalle Erdalkalimetalle Erdmetalle Kohlenstoff Sillicium-Gruppe Stickstoff- Phosphor-Gruppe Chalkogene Halogene Edelgase Eigenschaften der Elemente werden durch die Elektronenzahl auf der äußeren Schale bestimmt. 6

7 Ordnungszahl bestimmen Besonderheit Edelgase Wasserstoffatom (H) Heliumatom (He) = Edelgas Edelgase Elemente der Hauptgruppe VIII K-Schale 1. Reihe (Periode) = 1 Schale 1. HG = max. 1 Elektron aussen Insgesamt also: 1 Elektron K-Schale 1. Reihe (Periode) = 1 Schale 8. HG = max. 8 Elektronen aussen Insgesamt also: 2 Elektronen Nur Edelgase kommen in Natur als Einzelatome vor! Edelgase haben auf der äußeren Schale maximal mögliche Elektronenzahl = stabilste Konfiguration alle Elemente streben «ideale» Edelgaskonfiguration an müssen sich mit anderen Elementen verbinden, also Elektronen abgeben, aufnehmen oder teilen. Chemische Verbindung (Moleküle) Moleküle Definition: Moleküle = kleinste Teile, die eine chemische Verbindung darstellen. 2 oder mehrere Atome sind fest miteinander verknüpft Moleküle Chemische Verbindungen Alle Elemente (außer Edelgase) kommen in Natur in größeren Einheiten vor (z. B. als Moleküle) Anzahl der Atome = tiefgestellte Zahl Beispiele: Wasserstoff = H 2 Sauerstoff = O 2 Ozon = O 3 Wasser = H 2 O Alle Stoffe bestehen aus relativ wenigen Bausteinsorten, d. h. aus Elementen 7

8 Schon gehört? Chemische Verbindungen Der Mensch besteht aus ca. 21 Elementen: Hauptsächlich: O, C, H, N Weitere Elemente: Ca, Cl, P, K, S, Na, Mg 10 Spurenelemente: Fe, F,I, Diese Elemente verbinden sich zu Wasser (60%), Proteinen, Lipiden, Kohlenhydraten, Mineralstoffen, Aminosäuren, DNA, etc. = Moleküle Durch Kombination entstehen mehrere Millionen unterschiedliche Verbindungen (z.b. Wasser, Sand, Pflanzen- u. Tiergewebe, Kunststoffe ) Art der Zusammensetzung bestimmt chemische und physikalische Eigenschaften Chemie = umfangreiche Wissenschaft Wie entstehen Moleküle? Chemische Reaktionen Weiterbildung Basisschulung Teil RC-Personal I - Chemie 2011 Elektronen können durch elektromagnetische Wechselwirkung an mehrere Atome gebunden sein so entstehen chemische Verbindungen Wasserstoffatom (H) Sauerstoffatom (O) Wasserstoffatom (H) A + B AB Chemische Reaktionen Die Chemische Reaktion Definition: Bei einer chemischen Reaktion werden Elektronen übertragen. Verbindungen werden gelöst und neue geknüpft. chemische Reaktion beinhaltet immer eine Stoffumwandlung aus Elementen werden Verbindungen aus chemischen Verbindungen werden höhere Verbindungen Reaktionen werden begleitet von - Wärmezufuhr (endotherme Reaktion) oder - Freisetzung von Wärme (exotherme Reaktion). 8

9 Reaktionsgleichungen Bekannte chemische Reaktionen Der Ablauf chemischer Reaktionen wird als Reaktionsgleichung dargestellt sie beschreibt: Ausgangsstoffe einer Reaktion (Edukte) Endprodukte einer Reaktion (Produkte) Knallgasreaktion: 2 H 2 + O 2 2H 2 O (Wasser) Korrosion: 4Fe + 3O 2 2Fe 2 O 3 (Eisenoxid) Reaktionsgleichung Reaktionsgleichung Wasser Eisenoxid (Korrosion) 2H 2 + O 2 2H 2 O Edukte: - Sauerstoff liegt immer molekular vor O 2 - Wasserstoff H 2 Endprodukt: - Wasser 4 Fe + 3 O 2 2Fe 2 O 3 Edukte: - Eisen Fe - Sauerstoff O 2 Endprodukt: - Eisenoxid Reaktionsgleichung 2 Produkte Die Chemische Reaktion Kein echtes Gleichheitszeichen benutzt, weil: Fe + S FeS 1) Die neu entstandenen Stoffe verfügen über andere spezifische Eigenschaften, wie z. B. Farbe Geruch Dichte Viskosität Siedepunkt 2) Der Pfeil deutet die Richtung an, in der sich der Vorgang abspielt. 9

10 Chemische Reaktionen im Alltag Chemische Reaktionen im Alltag finden z. B. beim Kochen, Backen, Braten statt komplexe Stoffumwandlungen führen zum typischen Aroma von Speisen finden auch in unserem Körper statt Nahrung wird bei körpereigenen Abbauvorgängen chemisch in Bestandteile zerlegt und in Energie umgewandelt «Chemie» im Sprachgebrauch Analyse oft in eingeschränktem Sinn als Abkürzung für Produkt der chemischen Industrie chemische Reinigung ist eigentlich physikalischer Vorgang Lösen der Verunreinigung Putzen ohne Chemie wie z. B. Kalkentfernung ist chemischer Vorgang, bei dem Kalk durch Säure umgewandelt wird in Calciumsalze und CO 2 AB A + B I VIII II III IV V VI VII Nebengruppen 10