Chemie Hayley Birch schlüssel ideen
Hayley Birch 50 Schlüsselideen Chemie Aus dem Englischen übersetzt von Angela Simeon
Inhalt Einleitung 3 01 Atome 4 02 Elemente 8 03 Isotope 12 04 Verbindungen 16 05 Wie alles zusammenhält 20 06 Wechsel von Zustandsformen 24 07 Energie 28 08 Chemische Reaktionen 32 09 Gleichgewichte 36 10 Thermodynamik 40 11 Säuren 44 12 Katalysatoren 48 13 Redox 52 14 Gärung 56 15 Cracken 60 16 Chemische Synthese 64 17 Das Haber-Bosch-Verfahren 68 18 Chiralität 72 19 Grüne Chemie 76 20 Trennung 80 21 Spektren 84 22 Kristallographie 88 23 Elektrolyse 92 24 Fertigung im Mikromaßstab 96 25 Selbstorganisation 100 26 Lab-on-a-chip 104 27 Computergestützte Chemie 108 28 Kohlenstoff 112 29 Wasser 116 30 Der Ursprung des Lebens 120 31 Astrochemie 124 32 Proteine 128 33 Enzymaktivität 132 34 Zucker 136 35 DNA 140 36 Biosynthese 144 37 Photosynthese 148 38 Chemische Boten 152 39 Kraftstoffe 156 40 Kunststoffe 160 41 CFKWs 164 42 Verbundwerkstoffe 168 43 Solarzellen 172 44 Arzneistoffe 176 45 Nanotechnologie 180 46 Graphen 184 47 3D-Druck 188 48 Künstliche Muskeln 192 49 Synthetische Biologie 196 50 Brennstoffe der Zukunft 200 Periodensystem der Elemente 204 Index 206
Einleitung 3 Einleitung Chemie wird oft als der Underdog unter den Naturwissenschaften betrachtet. Erst kürzlich sprach ich mit einer Chemikerin, die sagte, sie habe genug davon, dass ihr Fach als ein Haufen von Leuten, die mit übelriechenden Dingen im Labor herumfummeln gelte. Irgendwie scheint Chemie nicht so bedeutend wie Biologie und nicht so interessant wie Physik zu sein. Als Autorin eines Buches über Chemie ist es deshalb meine Aufgabe, Ihnen einen Blick hinter dieses Bild zu ermöglichen und Sie für den Underdog einzunehmen. Denn Chemie ist viele wissen das nicht die beste Naturwissenschaft. Chemie steckt im Kern von fast allem. Aus ihren Bausteinen Atome, Moleküle, Verbindungen und Mischungen besteht jedes Staubkorn und jede Faser auf diesem Planeten. Ihre Reaktionen sind dafür verantwortlich, dass es Leben gibt, und schaffen alles, wovon Leben abhängt. Ihre Produkte kennzeichnen den Fortschritt unserer Existenz als Menschen, von Bier bis zu Feinstrumpfhosen. Der Grund, warum Chemie ein Imageproblem hat, beruht meiner Meinung nach darauf, dass wir uns nicht auf die relevanten und interessanten Themen konzentrieren, sondern uns damit verzetteln, eine Garnitur Regeln zu lernen: Wie Chemie funktioniert, Formeln von molekularen Strukturen, Rezepte für Reaktionen und so weiter. Auch wenn Chemiker anführen mögen, dass diese Regeln und Rezepte wichtig sind, so werden doch die meisten zustimmen, dass sie nicht besonders spannend sind. Deshalb werden wir uns in diesem Buch nicht allzu viel mit Regeln befassen. Wenn Sie möchten, können Sie Regeln und Rezepte anderswo nachschlagen. Ich habe versucht, mich auf das zu konzentrieren, was relevant und interessant ist an der Chemie. Und nebenbei habe ich versucht, den Geist meines Chemielehrers Mr. Smailes einfließen zu lassen, der mir zeigte, wie ich Seife oder Nylon herstellen kann, und der wirklich großartige Krawatten trug.
4 Atome 01 Atome Atome sind die Bausteine der Chemie und unseres Universums. Sie bilden die Elemente, die Planeten, die Sterne und uns. Atome zu verstehen wie sie aufgebaut sind und wie sie aufeinander einwirken kann fast alles erklären, was bei chemischen Reaktionen im Labor und in der Natur passiert. Bill Bryson, der Autor von Ein kurze Geschichte von fast allem, schrieb, dass jeder einzelne von uns bis zu einer Milliarde Atome in sich tragen könnte, die einmal zu William Shakespeare gehörten. Hoppla, könnten Sie jetzt denken, das sind eine Menge tote Shakespeare-Atome. Nun, das stimmt und auch wieder nicht. Einerseits ist eine Milliarde (1 000 000 000) etwa die Anzahl an Sekunden, die jeder von uns bis zu seinem 33. Geburtstag gelebt hat. Andererseits ist eine Milliarde etwa die Anzahl an Salzkörnchen, die in eine gewöhnliche Badewanne passen, und weniger als ein Milliardstel eines Milliardstels der Atome in Ihrem ganzen Körper. Dies deutet an, wie klein ein Atom ist: Es gibt mehr als eine Milliarde mal eine Milliarde mal eine Milliarde Atome nur in uns und es bedeutet, dass wir nicht genug toten Shakespeare in uns haben, um auch nur eine Gehirnzelle daraus zu bauen. Das Leben ist ein Pfirsich Atome sind so winzig, dass es bis vor Kurzem unmöglich war, sie zu sehen. Das hat sich mit der Entwicklung superhochauflösender Mikroskope insofern geändert als australische Wissenschaftler 2013 eine Aufnahme von dem Schatten machen konnten, den ein einzelnes Atom warf. Aber Chemiker mussten Atome nicht immer sehen, um zu verstehen, dass sich mit Atomen grundsätzlich das Meiste von dem erklären lässt, was im Reagenzglas und auch im Leben vor sich geht. Viele chemische Vorgänge beruhen auf den Aktivitäten von noch kleineren, subatomaren Teilchen, den Elektronen, die die äußeren Bereiche der Atome ausmachen. Wenn wir ein Atom wie einen Pfirsich in der Hand halten könnten, wäre der Stein des Pfirsichs das, was Nukleus (Atomkern) genannt wird. Er enthält die H. Birch, 50 Schlüsselideen Chemie, DOI 10.1007/978-3-662-48510-1_1, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016 Zeitleiste ca. 400 v. Chr. der griechische Philosoph Demokrit verwendet den Begriff Atom für kleinste, nicht weiter teilbare Bausteine 1803 John Dalton schlägt eine Atomtheorie vor 1904 Joseph John Thomsons Plum-Pudding-Modell des Atomaufbaus 1911 Ernest Rutherford beschreibt den Atomkern