Chemie für Dummies
Author: John T. Moore
Date: 2008-08-04T15:36:02+00:00
Keywords: Science; Chemistry; Bildung; General
Description: Wenn es knallt und stinkt, dann ist Chemie im Spiel! Chemie für Dummies macht deutlich, dass Chemie nicht nur aus Formeln, sondern vor allem aus unzähligen interessanten Stoffen, Versuchen und Reaktionen besteht.In diesem etwas anderen Chemie-Buch lernen Sie die Grundlagen der Chemie kennen und erfahren, wo sich chemische Phänomene im Alltag bemerkbar machen. John T. Moore macht für Sie so schwer vorstellbare Begriffe wie Atom, Base oder Molekül begreiflich und zeigt, wie man mit dem Periodensystem umgeht. Erfahren Sie außerdem, welche wichtige Rolle die Chemie im täglichen Leben spielt: Kosme
Publisher: Wiley Verlag

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VIllA

(18) 2 He Helium 4,00 10 Ne N•a 20,18 18 Ar Argon 39,94 36 Kr l(rypton 83.80 54 Xe Xenon 131.29 86 Rn Radon (222.021

118

Uuo Ununoctiurn 12931

VIIA

(17) 9 F Fluor 19.00 17 Cl Chlor 35,45 35 Br Brom 79,90 53 I Jod 126,90 85 At

Uus

Astat

12101

117

§

71

Lu Lutetium 174,97 103
lr Lawrencium 1260.111

VIA

(16)

8

Saoorsloff

16.00

16

Schwefel

32.07

34

Se Selen 78.96 52

Te

Po

Uuh

Tellur

127,60

84

Polonium

12101

116

Ununhexium

12891

70

Yb Ytterbium 113,04 102

No Nobelium 1259.101

VA

(15) 1 N
p

Stickstoft

14,00

15

Phosphor

30.97

33

As Arsen 74,92 51

Sb Antimon 121.75 83

Bi Wismut 208.98

115

Uup §

69

Tm Thulium 168.93 101

Md Mendeleviu m 12501

IVA

(14)

1

6
c Kohlenstoff 12.01 14

Si Silicium 28.09 32

Ge Germanium 72.61 50

Sn Zinn 118,71 82

Pb Blei 207�

114

Uuq Ununquadium (285)

68

Er Erium 167�6 100

Fm Fent1ium 1257
lilA

(13)

Ho

-----------

5

B . ., 10,81 13

Al

Es

Aluminium

26.89

31

Ga Gallium 69,72 49
ln Indium 114.82 81

Tl Thallium 204�

113

Uut §

67

Holmium

164.93

99

Einsteinium

1252.081

IIB

(12) 30 Zn Zink 65.37 48 Cd

Dy

Cadmium

112,41

80

Hg Quecksilbe ' 200.59

112

Uub Ununbium (211)

66

Dysprosium

162.50

98

Cf Californium 1251.081

IB

(11) 29 Cu Kupfer 63.55 47 Ag Silber 107,87 79 Au Gold 196,97

111

Uuu Unununium (211)

65

Tb Terbium 158,93 97

Bk Berkelium 1247.071

VIIIB

(10) 28 Ni Nickel 50.69 46 Pd Palladium 106,42 78 Pt Platin 195.08

110

Uun Ununillium (269)

64

Gd Gadolinium 157.25 96

Cm Curium 1247.071

(9)

VIIIB

27

Co

5

Kobalt

50.93

4

Rh Rhodium 102,91 77

Ir Iridium 192.22

109

Mt Meitnerium 12681

63

Eu Europidium 151,97 95

Am Americium 1243.061
d

(8)

VIIIB

26

Fe Eisen 55,85 44

Ru R11thenium 101,07 76

Os Osmium 190�

108

Hs Hassium 12691

62

Sm Samarium 150.36 94

Pu Plutonium 1244.061

VIIB

(7) 25 Mn Mangan 54.94 43 Tc

Re

Bh

Pm

146.921

Technetium

(98.911

75

Rhenium

186�

107

Bohrium

12641

61

Promethium

1

93

Np Neptunium 1237.041

6)

VIB

( 24 Cr Chrom 52,00 42 Mo Molybdän 95.94 74 w Wolfram 183,85

106

Sg Seaborgiu

12661

60

Nd
u

Neodym

144.24

92

Uran

238.03

Period

VB

(5) 23 V

Ha

Vanadium

50.94

41

Nb Niob 92.91 73

Ta Tantal 180,95

105

Hahnium

12621

59

Pr Praseodym 14ü,91 91

Pa Protectiniu m 1231.041

IVB

(4) 22 Ti

Hf

Rf

Titan

47,88

40

Zr Zhtonium 91.22 12

Hafnium

178,49

104

Ruther1ord.

12611

58

Ce

140.12

Th Thorium 232.04

IIIB

(3) 21 Sc Scandium 44.96 39 V

La-

Lu

Ac-
lr

Yttrium

88,91

57-11

Lutetium

89-103
lawrenciu•

�

57

La Lanthan 138,91 89

Ac Actinium 1227.031

IIA

(2)

ro

=:: :::> h �" a iu'iii

4

Be Beryllium 9,01 12

Mg Magne 24�1 20

Ca

��:� 38

Sr� Stront 87,62 56

Ba Barium 137�3

88

Ra Radium 1226,031
der
der
lA

(1)

1

H Wasserstoff 1,008 3

Li Lithium 6.94 11

Na Natrium 22.99 19

K Kalium 39,10 37

Rb Rubidium 85.47 55

Cs Cäsium 132,91

81

Fr Francium 1223.021

----

1

2

3

4

5

6

7

Elemente
lanthanreihe

Elemente

Actiniumreihe

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I

I

Chemie für Dummies - Schummelseite

I
x

BinduniJ

LösuniJskonzentration

I
v Bei der Bindung nehmen Atome Elektronen auf,

Gewicht/Gewicht (GIG)%= (gelöster Stoff in Gramm/
geben sie ab oder teilen sie mit anderen Atomen.

Lösung in Gramm) x 100

I

Dabei wird die Anzahl der Elektronen des näch

Molarität (M) = Molekülmasse des gelösten Stoffes/

I
sten Edelgases angestrebt.

Liter Lösung
v Metall + Nichtmetall = Ionenbindung

Teilchen/Million (ppm) = Gelöster Stoff in Gramm/
v Nichtmetall + Nichtmetall kovalente Bindung

1.000.000 Gramm Lösung mg/1

=

=
v Elektronen-Füll-Muster: 1s, 2s, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p,

5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f

Säuren und Basen

DarsteltuniJ rlon Isotopen

Eine Säure ist ein H+ -Geber, eine Base ein H+ -Nehmer.

�X
pH -Jog[H+]; (H+] 10-PH

=

=

X= Elementsymbol, Z = Atomzahl (Zahl der Protonen),

A = Massenzahl (Zahl der Protonen + Neutronen)

Redox

Oxidation ist die Abgabe von Elektronen, Reduktion

Nützliche Komlersionen und
die Aufnahme.

metrische Präfixe

Temperaturumrechnungen:

V

°F=9Js(°C) + 32
v

°C=Sfs(°F - 32)

V

K=°C

GasiJesetze

+ 273

Metrische Konversionen:

Kombiniertes Gasgesetz:

v 1 Inch = 2,54 cm

(PNJ)/T1 = (P2V2)/T2 (T in Kelvin)

v 1 Pound= 454 g

Ideales Gasgesetz:

v 1 qt = 0,946 l

PV = nRT (R = 0,08211 x atm/K x mol)

Druckumrechnung: 1 atm = 760 mm Hg = 760 torr

1 torr = 0,133 x 103 Pa (Pascal)

Übliche metrische Umrechnungen:

v Milli ... = 0,001

Mol-Konzept
v Zenti ... = 1/wo

Molekulargewicht = 6,022 x 1023/mol = Formelv

Kilo ... = 1000
gewicht in Gramm

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Chemie
für Dummies

John T. Moore

Chemie
für Dummies

2., überarbeitete AuflatJ.e

Übersetzun9 aus dem Amerikanischen
flon Hans Joachim ßeese
und Hartmut Strahl

Fachkorrektur flon Christian Hans
und Ulrike Meister

�

WILEY

VCH

WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation
in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische

Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrutbar.

2., überarbeitete Auflage 2008

© 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Original English language edition Copyright © 2005 by Wiley Publishing, Inc.

All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.

Copyright der englischsprachigen Originalausgabe © 2005 von Wiley Publishing, Inc.

Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.

Wiley, the Wiley logo, Für Dummies, the Dummies Man logo, and related trademarks and trade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley & Sons, Inc. and/or its affiliates, in the United States and other countries. Used by permission.

Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies<<, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Printed in Germany

Gedruckt auf säurefreiem Papier

Satz Conrad und Lieselotte Neumann, München

Druck und Bindung M.P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, Paderborn

ISBN 978-3-527-704 73-6

lnhaltsrlerzeichnis

Ein(ührun9

21

Über dieses Buch

2 1

Wie man dieses Buch benutzt

22

Voraussetzungen

22

Wie ist dieses Buch aufgebaut?

23

Teil 1: Grundlegende Konzepte der Chemie

23

Teil II: Drum prüfe, wie sich Atome verbinden

23

Teil III: Das Mol: Der beste Freund des Chemikers

24

Teil IV: Chemie im Alltag: Nutzen und Probleme

24

Teil V: Der Top-Ten-Teil

24

Icons, die in diesem Buch verwendet werden

25

Wie geht es von hier aus weiter?

25

Teil I

GrundleiJende Konzepte der Chemie

27

Kapitel 7

Was ist Chemie und warum sollte man darüber etwas wissenl

29

Was ist genau Chemie?

29

Zweige der Chemie

29

Makroskopische und mikroskopische Perspektive

31

Reine und angewandte Chemie

31

Was macht nun der Chemiker den lieben langen Tag?

32

Und wo arbeiten Chemiker tatsächlich?

33

Kapitel 2

Materie und Ener9ie

35

Zustände der Materie: Makroskopische und mikroskopische Sicht

35

Festkörper

36

Flüssigkeiten

36

Gase

37

Eis in Alaska, Wasser in Texas: Materie wechselt den Zustand

37

Ich löse mich auf! Oh, was für eine Welt!

37

Der Siedepunkt

37

Gefrierpunkt: Das Wunder des Eiswürfels

38

Sublimieren Sie das!

39

Reine Substanzen und Mischungen

39

----· 9 -

---· Chemie für Dummies

Reine Substanzen

39

Nun kommen die Mischungen hinzu

4 1

Das Messen von Materie

4 1

Das SI-System

42

SI-Umwandlungen ins Englische

42

Sie haben ja nette Eigenschaften bekommen

43

Wie dicht sind Sie?

43

Das Messen der Dichte

44

Energie (Ach, hätte ich doch mehr davon!)

45

Kinetische Energie ist Bewegung

46

Potenzielle Energie - sitzen Sie gut?

46

Das Messen von Energie

47

Temperatur und Temperaturskalen

47

Fühlen Sie die Wärme

48

Kapitel 3

Kleiner als ein Atom! Die Struktur des Atoms

51

Subatomare Teilchen: So, das ist also ein Atom

51

Der Kern: Mittelpunkt

53

Wo sind nun diese Elektronen?

56

Das Bohr'sche Modell - überhaupt nicht langweilig

56

Quantenmechanisches Modell

57

Elektronenkonfigurationen (Das Bett der Elektronen)

62

Das gefürchtete Energieniveaudiagramm

62

Elektronenkonfigurationen: Leicht und Platz sparend

64

Valenzelektronen: Ein Leben auf dem Grat

65

Isotope und Ionen: Dies sind einige meiner Lieblingsthemen

66

Das Isolieren eines Isotops

66

Ein Blick auf die Ionen

67

Kapitell#

Das Periodensvstem

69

Das Wiederholen von Mustern der Periodizität

69

Wie die Elemente im Periodensystem angeordnet sind

72

Metalle, Nichtmetalle und Halbmetalle

73

Familien und Perioden

73

KapitelS

Kernchemie, ohne dass Ihre Gehirnzellen zerfallen

81

Alles beginnt mit dem Atom

81

Radioaktivität und künstlicher radioaktiver Zerfall

82

Natürlicher radioaktiver Zerfall: Wie macht es die Natur

83

- 1o----

lnhaltsrlerzeichnis ---•

Alphastrahlung

84

Betastrahlung

85

Gammastrahlung

85

Positronenstrahlung

86

Elektronenaufnahme

86

Halbwertszeiten und radioaktive Altersbestimmung

87

Sichere Handhabung

88

Radioaktive Altersbestimmung

89

Kernspaltung

90

Kettenreaktionen und die kritische Masse

90

Atombomben (Riesenknall ohne Theorie)

9 1

Atomkraftwerke

92

Brutreaktoren: Das Erzeugen von spaltbarem Material

94

Kernfusion: Die Hoffnung für unsere Energiezukunft

95

Zum Thema Kontrolle

95

Was bringt die Zukunft

96

Leuchte ich etwa? Die Wirkungen der Strahlung

97

Teil II

Drum prüfe, wie sich Atome flerbinden

99

Kapitel6

Ge9ensätze ziehen sich an: lonenbindun9en

101

Die Magie der Ionenbindung: Natrium + Chlor = Tafelsalz

101

Die Bestandteile des Salzes

102

Die Reaktion

103

Am Ende kommt die Bindung

104

Positive und negative Ionen: Kationen und Anionen

105

Polyatomare Ionen

107

Ionenbindungen

109

Das Verbinden von Magnesium und Brom

109

Das Verwenden der Kreuzregel
l l O

Das Benennen von Ionenverbindungen

1 l l

Elektrolyte und Nichtelektrolyte
ll2

Kapitel 7

Korlaiente ßindun9: brüderlich teilen

115

Grundlagen der kovalenten Bindung
ll5

Ein Wasserstoffbeispiel
ll6

Vergleich der kovalenten Bindung mit anderen Bindungsarten
ll7

Zum Verständnis der Vielfachbindung
l l8

Das Benennen von binären kovalenten Verbindungen
l l9

----n-

---• Chemie für Dummies

So viele Formeln, so wenig Zeit

120

Empirische Formel: Nur Elemente

120

Molekulare oder wirkliche Formel: Das »Innere« der Zahlen

120

Strukturierte Formeln: Fügen Sie das Bindungsmuster hinzu

122

Einige Atome sind attraktiver als andere

126

Das Anziehen von Elektronen: Elektronegativitäten

126

Polarkavalente Bindung

128

Wasser: Ein wirklich fremdartiges Molekül

129

Wie sieht Wasser wirklich aus? Die VSEPR-Theorie

132

KapitelS

Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen

135

Was Sie haben und was Sie kriegen: Ausgangsstoffe und Produkte

135

Wie treten Reaktionen auf? Die Kollisionstheorie

137

Ein exothermes Beispiel

138

Ein endothermes Beispiel

138

Was für eine Reaktion bin ich?

140

Kombinationsreaktionen

140

Zerfallsreaktionen

140

Einzelne Verschiebungsreaktionen

141

Doppelte Verschiebungsreaktionen

142

Verbrennungsreaktionen

143

Redox-Reaktionen

144

Die Bilanz chemischer Reaktionen

144

Riechen Sie dieses Ammoniak?

145

Zünden Sie Ihr Feuerzeug

146

Chemisches Gleichgewicht

147

Das Prinzip von Le Chatelier

149

Konzentrationsänderung

150

Temperaturänderung

151

Druckänderung

152

Schnelle und langsame Reaktionen: Chemische Kinetik

153

Natur der Ausgangsstoffe

153

Partikelgröße der Ausgangsstoffe

153

Konzentration der Ausgangsstoffe

154

Druck von gasförmigen Ausgangsstoffen

154

Temperatur

154

Katalysatoren

156

Kapitel9

Elektrochemie: Batterien für Teekannen

159

Da gehen sie hin, die Elektronen: Redox-Reaktionen

159

Wo habe ich jetzt die Elektronen gelassen? Oxidation

160

- 1 2----

---·

Gucken Sie mal, was ich gefunden habe! Reduktion

161

Des einen Verlust ist des anderen Gewinn

162

Zahlenspiel: Oxidationszahlen

162

Das Abwägen von Redox-Gleichungen

164

Strom an und los: Elektrochemische Batterien

167

Hübsche Zelle, Daniell

167

Es werde Licht: Taschenlampenbatterien

169

Gentlemen, starten Sie Ihre Motoren: Autobatterien

170

Fünf Euro für eine goldene Kette? Elektrogalvanisierung

171

Dies bringt mich zur Weißglut! Verbrennung von Treibstoffen und Nahrung

172

Teil/li

Das Mol1 der beste Freund des Chemikers

17 5

Kapitel 10

Das Mol: Atome zum Anfassen

7 77

Das Zählen durch Wiegen

177

Paare, Dutzende, alte Riese und Mole

178

Avogadros Nummer: Steht nicht im Telefonbuch

178

Die Anwendung des Mols in der realen Welt

179

Chemische Reaktionen und das Mol

181

Wie viel man für wie viel braucht: Reaktionsstöchiometrie

183

Wo ist es geblieben? Prozentuale Ausbeute

185

Zu viel oder zu wenig: Limitierende Reaktanden

185

Kapitel 7 7

Mischen �on Materie: LösuniJen

7 8 7

Gelöster Stoff, Lösungsmittel und Lösungen

187

Eine Lösungsdiskussion

188

Satte Fakten

188

Konzentration

189

Prozentuale Zusammensetzung

189

Die Nummer 1 heißt Molarität

191

Molalität: Eine andere Verwendung für das Mol

194

Teile pro Million: Die Verschmutzungseinheit

194

Kolligative Eigenschaften von Lösungen

195

Dampfdruckerniedrigung

195

Warum verwenden wir im Sommer Frostschutzmittel?

Siedepunkterhöhung

196

Wir stellen Eis her: Gefrierpunkterniedrigung

196

So bleiben Blutkörperchen lebendig und gesund: Osmotischer Druck

198

Rauch, Wolken, Schlagsahne und Marshmallows: Alles Kolloide

200

---- 13 -

---• Chemie für Dummies

Kapitel 12

Sauer und bitter: Säuren und Basen

20

1

Eigenschaften von Säuren und Basen, makroskopisch betrachtet

201

Wie sehen Säuren und Basen aus? - Ein Blick durchs Mikroskop

202

Die Theorie von Arrhenius: Ohne Wasser geht gar nichts

203

Die Brönsted-Lowry-Säure-Base-Theorie: Geben und Nehmen

204

Ätzend oder trinkbar: Starke und schwache Säuren und Basen

204

Starke Säuren

205

Starke Basen

206

Schwache Säuren

206

Schwache Basen

208

Her mit dem Proton: Brönsted-Lowry-Säure-Base-Reaktionen

208

Entscheide dich: amphoteres Wasser

209

Ein altes Abführmittel und Rotkohl: Säure-Base-Indikatoren

210

Das gute alte Lackmus�Papier

210

Phenolphthalein: alles geregelt

2 1 1

Wie sauer ist mein Kaffee: Die pH-Skala

212

Puffer: Die pH-Controllettis

215

Säureneutralisatoren: Grundlagenchemie

215

Kapitel 13
ßaffons1 Reifen und Pressfu(tflaschen:

Die wunderbare Weft der Gase

21 7

Gase unter dem Mikroskop: Die kinetische Gastheorie

217

Druck: Eine Frage der Atmosphäre

220

Ein Messgerät für die Atmosphäre: Das Barometer

220

Ein Messgerät für den Bruck eingeschlossener Gase: Das Manometer

221

Auch Gase halten sich an Gesetze - Gasgesetze

222

Boyles Gesetz

222

Charles' Gesetz

224

Gay-Lussacs Gesetz

226

Das kombinierte Gasgesetz

227

Avogadros Gesetz

228

Die Gleichung des »Idealen Gasgesetzes«

229

Gasgesetze und Stöchiometrie

230

Die Gesetze von Dalton und Graham

231

Daltons Gesetz

231

Grahams Gesetz

231

- 14 ----

---·

Teil IV

Chemie im Alltal}: Nutzen und Probfeme

233

Kapitel 14

Kohlenstoff: OrtJ.anische Chemie

235

Kohlenwasserstoffe: Vom Einfachen zum Komplexen

235

Vom Gasgrill zum Tiger im Tank: Alkane

236

Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene

243

Alkine braucht die Welt

244

Aromatische Verbindungen: Benzol und andere

»anrüchige« Verbindungen

245

Funktionelle Gruppen

245

Alkohole (einreiben und einverleiben): R-OH

246

Carbonsäuren (kleine Stinker): R-COOH

247

Ester (noch mehr Gerüche, aber diesmal Wohlgerüche): R-COOR'

248

Aldehyde und Ketone

248

Ether (Gute Nacht): R-0-R

249

Amine und Amide: Organische Basen

250

Kapitel 15

Erdöl: Chemikalien für VerbrennuntJ. und GestaltuntJ.

251

Sei nicht so roh, raffiniert kommt man weiter

251

Trennung ohne Schmerz: Fraktionierte Destillation

252

Aufbruchstimmung: Katalytisches Cracken

254

Schieb mir mal was rüber: Katalytisches Reformieren

254

Die Geschichte des Benzins

255

Wie gut ist Ihr Benzin: Oktanzahlen

256

Additive: Blei rein, Blei raus

257

Kapitel 16

PollJ.mere: Gleich und Gleich 9esefft sich 9ern

261

Natürliche Monomere und Polymere

261

Wie man synthetische Monomere und Polymere klassifiziert

263

Brauchen wir nicht alle Strukturen?

263

Und wenn's mal heiß wird?

263

Was mache ich denn damit?

264

Wie wird's gemacht?

264

Kunststoffe reduzieren, wiederverwenden, recyceln

272

---- 15 -

---• Chemie für Dummies

Kapitel 1 7

Chemie im Haushaft

2 73

Chemie in der Waschküche

273

Alles im Reinen: Seife

275

Weg mit dem Rand in der Wanne: Detergenzien

276

Ach, ist das weich: Wasserenthärtung

277

Weißer als weiß: Bleichmittel

278

Küchenchemie

279

Alles sauber: Allzweckreiniger

279

Spüli und Konsorten: Spülmittel

279

Chemie im Badezimmer

280

Auch im Rachen lässt sich was machen: Zahnpasta

280

Puh! Deodorants und Antitranspirants

280

Weich und schön: Die Chemie der Hautpflege

281

Waschen, färben, legen: Die Chemie der Haarpflege

286

Medizinschränkchen-Chemie

288

Die Geschichte des Aspirins

289

Minoxidil und Viagra

290

Kapitel 1 8

Hust! Hust! Keuch! Keuch! Luft�erschmutzuniJ

291

Zivilisation und Atmosphäre (oder: Wo der ganze Schlamassel anfängt)

291

Atmen oder nicht atmen: Unsere Atmosphäre

292

Die Troposphäre: Hier bin ich Mensch, hier atme ich ein

292

Die Stratosphäre: Schutzschild Ozonschicht

293

Hände weg von meinem Ozon: Haarspray, FCKWs und das Ozonloch

293

Wie schädigen FCKWs die Ozonschicht?

294

Werden FCKWs immer noch produziert?

295

Ist Ihnen auch so heiß? (Der Treibhauseffekt)

295

Braune Luft? (Photochemischer Smog)

296

London-Smog

297

Photochemischer Smog

297

»Ich zerrfliiiiiiiiiiiiiieße!« - Saurer Regen

299

Aufladen und raus damit: Elektrostatische Filter

301

Spülwasser: Nasse Entschwefelung

302

Kapitel 19

Braunes1 stinkendes Wasser} Wasser�erschmutzuniJ

303

Wo kommt unser Wasser her und wo fließt es hin?

303

Verdunsten, kondensieren, wiederholen

304

Wohin das Wasser fließt

304

Wasser: Eine höchst ungewöhnliche Substanz

305

- 16 ----

Jnhaltsrlerzeichnis ---•

Igittigitt! Was unser Wasser verschmutzt

307

Das Blei ist noch nicht überall verschwunden:

Verunreinigungen durch Schwermetalle

308

Saurer Regen

309

Infektiöse Erreger

309

Deponien

310

Wasserverschmutzung durch Agrarwirtschaft

3 1 1

Auch Hitze kann schaden: Thermische Versehrnutzung

3 1 1

Brauchen Sie Sauerstoff? - BSB

312

Das müssen wir erst noch klären: Abwässer

312

Mechanische Abwasserreinigung

312

Biologische Abwasserreinigung

313

Chemische Abwasserreinigung

314

Trinkwasseraufbereitung

3 14

Teil(/

Der Top-Ten-Teil

3 17

Kapitel 20

Zehn zu(älli(je Entdeckun9en in der Chemie

319

Archimedes: Alles mit Muße

319

Die Vulkanisierung von Gummi

320

Rechts und links drehende Moleküle

320

William Perkin und die Farbe Lila

320

Kekule: Ein schöner Traum

321

Die Entdeckung der Radioaktivität

321

Eine schlüpfrige Sache: Teflon

321

Nicht nur für Sträflinge: Haftnotizen

322

Lass wachsen

322

Süßer als Zucker

322

Kapitel 21

Zehn Kor1Jphäen der Chemie

323

Amedeo Avogadro

323

Niels Bohr

323

Madame Marie Curie

324

John Dalton

324

Michael Faraday

324

Antoine Lavoisier

324

Dimitri Mendelejew

325

Linus Pauling

325

Ernest Rutherford

325

---- 17-

-====--. Chemie für Dummies

Glenn Seaborg

326

Das Mädchen in der dritten Klasse, das mit Essig und Backpulver
herumexperimentiert

326

Kapitel22

Zehn nützliche Chemie-Websites

327

Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie

327

Naturwissenschaftliches Arbeiten

327

Gefährliche Stoffe

328

ChemLin.de

328

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit

328

Chemieplanet

329

Interaktives Periodensystem

329

Chemikalien und Riechstoffe

329

Das Exploratorium

329

Deutsches Museum

330

AnhanlJ A

Wissenschaftliche Einheiten: Das metrische S1Jstem

331

SI-Präfixe

331

Länge

332

Masse

332

Volumen

333

Temperatur

333

Druck

333

Energie

334

AnhanlJ 8

Wie man mit sehr lJ.roßen und sehr kleinen Zahlen umiJ.eht

335

Exponentielle Schreibweise

335

Addition und Subtraktion

336

Multiplikation und Division

336

Zahlen potenzieren

336

Rechnen mit dem Taschenrechner

336

AnhanlJ C

Methoden zur UmrechnunlJ flon Einheiten

339

-�s----

AnhanlJ D

Relevante Stellen und das Runden

343

Zahlen: Genau und gezählt oder gerundet

343

Bestimmung der relevanten Stellen einer gemessenen Zahl

344

Die richtige Anzahl relevanter Stellen angeben

344

Addition und Subtraktion

344

Multiplikation und Division

345

Zahlen runden

345

Stichu/ortllerzeichnis

34 7

Ein(ührun9

Die erste Hürde für das Verständnis der Chemie haben Sie bereits überwunden: Sie haben sich
dieses Buch ausgesucht. Ich könnte mir vorstellen, dass viele Leute den Titel lesen, das Wort

Chemie sehen und sich wieder entfernen, als flüchteten sie vor Pest-Bakterien.

Ich weiß nicht mehr, wie oft ich mich schon im Urlaub mit jemandem unterhalten habe, bis
die gefürchtete Frage kam: »Was machen Sie eigentlich?«

»Ich bin Lehrer«, antwortete ich.

»Echt? Und was unterrichten Sie?«

Ich wappne mich, knirsche mit den Zähnen und antworte mit meiner freundlichsten Stimme:

»Chemie.«

Ich sehe den gewissen Gesichtsausdruck und höre: »Wow, habe ich in der Schule abgewählt.«

»War einfach zu schwierig.« Oder: »Sie müssen ziemlich schlau sein, wenn Sie Chemie unterrrichten.« Oder auch nur: »Tschüss!«

Ich glaube, viele Leute denken ähnlich, weil sie vermuten, die Chemie sei zu abstrakt, zu
mathematisch und zu weit weg von der Realität ihres Lebens. Auf die eine oder andere Weise
kommen wir jedoch alle mit Chemie in Berührung.

Erinnern Sie sich daran, wie Sie als Kind Wasser zum Sprudeln gebracht und aus Essig einen
kleinen Vulkan gemacht haben? Kochen oder putzen Sie oder benutzen Sie Nagellackentferner? All das ist Chemie. Ich hatte als Kind niemals einen Chemiebaukasten, mochte aber schon immer die Naturwissenschaft. Mein Chemielehrer auf der High-School war ein großartiger

Biologielehrer, hatte aber nicht so viel Ahnung von Chemie. Als ich jedoch auf einer anderen

Schule meinen ersten Chemiekurs hatte, nahm mich das Labor regelrecht gefangen. Ich hatte

Spaß an den vielen Farben und auch an den festen Stoffen, die man aus Lösungen gewinnen
konnte. Und ich war davon fasziniert, neue Verbindungen synthetisch herzustellen, d.h. etwas
zu produzieren, das vielleicht vorher noch niemand erzeugt hatte. Ich wollte unbedingt in einem Chemieunternehmen arbeiten und Forschung betreiben. Aber dann entdeckte ich meine zweite Leidenschaft: lehren.

Chemie wird manchmal »Zentrale Wissenschaft« genannt (meistens von Chemikern), denn um

Biologie, Geologie oder sogar Physik gut zu verstehen, wird ein gutes Verständnis der Chemie
vorausgesetzt. Unsere Welt ist eine chemische, und ich hoffe, es wird ihnen Spaß machen, die
chemische Natur unserer Welt zu entdecken - und dass Sie dann das Wort Chemie nicht mehr
so schrecklich finden.

Über dieses Buch

Mein Ziel ist nicht, Sie mit diesem Buch zu einem Chemieguru zu machen. Ich möchte Ihnen
einfach ein grundlegendes Verständnis einiger chemischer Schwerpunkte vermitteln, die im

---- 2 1 -

---• Chemie für Dummies

Allgemeinen an höheren Schulen vorkommen. Wenn Sie einen Kurs besuchen, benutzen Sie
dieses Buch einfach als Referenz in Verbindung mit Ihren Notizen und Ihrem Lehrbuch.

Den Leuten einfach nur beim Tennis zuzuschauen, aus welchem Grund auch immer, macht

Sie noch nicht zu einem Tennisstar. Sie benötigen Praxis. Das Gleiche gilt natürlich auch
für die Chemie. Sie ist kein Zuschauersport Wenn Sie einen Chemiekurs besuchen, sollten

Sie unbedingt auch praktisch arbeiten. Ich zeige Ihnen, wie man bestimmte Problemtypen
anpackt - die Gasgesetze zum Beispiel. Benutzen Sie aber bitte das Lehrbuch für praktische

Aufgaben. Okay, das ist Arbeit, kann aber eine Menge Spaß machen.

Wie man dieses Buch benutzt

Ich habe den Buchinhalt logisch (zumindest für mich) gegliedert. Das heißt aber nicht, dass

Sie am Anfang des Buches beginnen und es bis zu Ende durchlesen müssen. Ich habe jedes

Kapitel eigenständig konzipiert. Sie haben also die Freiheit, im Buch hin und her zu springen.

Manchmal bekommen Sie ein besseres Verständnis, wenn Sie zu einem früheren Abschnitt
zurückspringen. Um die erforderlichen HintergrundKapitel besser finden zu können, habe
ich häufig Hinweise der Art »siehe Kapitel XX für weitere Informationen« im ganzen Buch
verteilt.

Da ich ein Verfechter konkreter Beispiele bin, habe ich viele Illustrationen und Abbildungen in
den Text integriert. Sie sind wirklich hilfreich beim Verständnis chemischer Zusammenhänge.

Um Ihnen bei den mathematischen Aspekten zu helfen, habe ich die meisten Probleme in einzelne Schritte zerlegt, so dass es ihnen leicht fallen sollte, meinen Ausführungen zu folgen.

Obwohl ich den Stoff auf das Wichtigste entlang eines roten Fadens konzentriert habe, gibt
es doch ein paar seitliche Verzweigungen. Sie sind interessant zu lesen (zumindest für mich),
jedoch nicht wirklich wichtig zum Verständnis eines gewissen Themas. Sie können diese Teile
deshalb auch überspringen. Dies ist Ihr Buch, benutzen Sie es, wie es Ihnen Spaß macht.

VoraussetzuniJen

Ich weiß nun wirklich nicht, warum Sie dieses Buch gekauft haben (oder kaufen werden - für
den Fall, dass Sie noch im Buchladen stehen und sich bisher noch nicht entschließen konnten,
eins oder zwei zu kaufen, um eines davon zu verschenken). Ich nehme jedoch an, Sie bereiten
sich irgendwie auf einen Chemiekurs vor. Ich möchte auch annehmen, dass Sie einigermaßen
vertraut mit Arithmetik und Algebra sind, um etwa eine Gleichung nach einer Unbekannten
aufzulösen. Außerdem setze ich das Vorhandensein eines wissenschaftlichen Taschenrechners
voraus.

Sollten Sie dieses Buch für den persönlichen Kick kaufen wollen - ohne besondere Absicht
oder einem bevorstehenden Chemiekurs - haben Sie meinen Applaus und ich hoffe, Sie haben
viel Spaß an diesem Abenteuer.

-22----

1 >- Chemie ---

Wie ist dieses Buch auftJebautJ

Ich habe die einzelnen Themen in logischer Folge aneinander gereiht - im Prinzip auf dieselbe

Art, wie ich meine Kurse für Nichtwissenschaftler und Erstsemester organisiere. Ich habe auch
ein paar Kapitel zur Umweltchemie - Luft- und Wasserverschmutzung - hinzugefügt, weil
diese Themen so häufig in der Zeitung stehen. Ich habe außerdem noch Material in den Anhängen hinzugefügt, das für Sie hilfreich sein könnte - insbesondere Anhang C zur Methodik der Umformung von Einheiten im Rahmen von bestimmten Problemen.

Im Folgenden finden Sie einen Überblick über alle Teile dieses Buches.

Teil I: Grundle9ende Konzepte der Chemie

In diesem Teil führe ich Sie in die wirklich elementaren Konzepte der Chemie ein. Ich definiere
die Chemie selbst und zeige, wie sie sich in die anderen Wissenschaftszweige einfügt (natürlich
in der Mitte). Ich zeige Ihnen die Welt der Chemie um Sie herum und außerdem, warum die

Chemie für Sie wichtig sein sollte. Ich zeige Ihnen außerdem die drei Zustände der Materie
und wie diese in einen anderen Zustand überführt werden - natürlich unter Berücksichtigung
der damit verbundenen Energieänderungen.

Über die Behandlung der makroskopischen Welt hinaus, wie zum Beispiel das Schmelzen von

Eis, erfahren Sie etwas über die mikroskopische Welt der Atome. Ich erkläre die Teilchen, aus
denen sich das Atom zusammensetzt - Protonen, Neutronen und Elektronen -, und zeige

Ihnen auch, wo sich diese Teilchen im Atom befinden.

Sie erfahren, wie man das Periodensystem der Elemente, ein unverzichtbares Werkzeug für

Chemiker, anwendet. Sie gehen mit mir bis zum Atomkern, erfahren etwas über Radioaktivität,
die Kohlenstoff(C14)-Altersbestimmung, über Kernspaltungs- und Fusionsreaktoren und sogar
etwas über die so genannte kalte Fusion. Nach diesem Kapitel werden Sie selbst strahlen.

Teil /I: Drum prüfe, wie sich Atome tierbinden

Dieser Teil liefert Ihnen etwas wirklich Nützliches: die chemische Bindung. In Kapitel 6 zeige
ich Ihnen, wie man Tafelsalz erzeugt, nämlich durch Ionenbindung. In Kapitel 7 behandele ich
dann die kovalente Bindung im WassermoleküL Ich erläutere, wie man Millionen Bindungen
benennt und wie man Strukturformeln gemäß Lewis zeichnet. Ich kann Ihnen sogar zeigen,
wie einige diese Moleküle aussehen. Entspannen Sie sich, ich werde Ihnen das entsprechende
technische Kauderwelsch rechtzeitig erklären.

Sie erfahren in diesem Teil auch etwas über chemische Reaktionen. Sie erhalten ein paar Beispiele verschiedener Arten chemischer Reaktionen und wie diese ins Gleichgewicht gebracht werden. (Sie haben doch nicht wirklich geglaubt, ich könnte dem widerstehen?) Ich behandle

Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit betreffen, und erkläre, warum Chemiker nur selten so viel Reaktionsprodukt erzeugen, wie sie erwarten. Wir werden ebenso den Elektronentransfer in so genannten Redox-Reaktionen diskutieren, wie sie beim Galvanisieren und bei Fotobatterien vorkommen. Ich hoffe, in diesem Teil geht Ihnen ein Licht auf.

---- 23 -

---• Chemie für Dummies

Teil 111: Das Mol: Der beste Freund des Chemikers

In diesem Teil führe ich in das Mol-Konzept ein. Komischer Name, gebe ich zu. Aber ein Mol
ist für Ihr Verständnis chemischer Berechnungen von zentraler Bedeutung. Es versetzt Sie
in die Lage, die Menge an Stoffen für eine bestimmte chemische Reaktion zu bestimmen und
die Menge der erzeugten Reaktionsprodukte zu berechnen. Ich schreibe darüber hinaus über

Lösungen und darüber, wie man deren Konzentration berechnet beziehungsweise bestimmt.

Ich erkläre auch, warum ich auch im Sommer den Frostschutz in meinen Heizkörpern lasse
und warum ich Salz hinzufüge, wenn ich Eiscreme zubereite.

Sie erhalten ferner saure und bittere Details über Säuren, Basen, pH-Werte und Mittel gegen

Magensäure. Ich zeige Ihnen natürlich auch die Eigenschaften von Gasen. Im Kapitel über

Gase lernen Sie so viele Gesetze kennen (das Boylesche Gesetz, Charles' Gesetz, das Gesetz
von Gay-Lussac, das allgemeine Gasgesetz, das ideale Gasgesetz, Avogadros Gesetz und vieles
mehr), dass Sie sich am Schluss wie ein Rechtsanwalt fühlen.

Teil IV: Chemie im AlltaiJ: Nutzen und Probleme

In diesem Teil zeige ich Ihnen die Chemie des Kohlenstoffs, auch organische Chemie genannt. Wir widmen einige Zeit den Kohlenwasserstoffen, da diese in unserer Gesellschaft als Energiequelle so wichtig sind, und ich führe Sie in einige organische Funktionsgruppen ein.

In Kapitel 15 zeige ich Ihnen eine praktische Anwendung der organischen Chemie - das Raffinieren von Petroleum zu Benzin. In Kapitel 16 werden Sie sehen, wie dasselbe Petroleum zur Synthese von Polymeren verwendet werden kann. Ich behandle ein paar verschiedene Typen
von Polymeren, wie sie hergestellt und angewendet werden.

Ich zeige Ihnen in diesem Teil auch ein vertrautes Chemielabor - das Zuhause - und Sie erfahren etwas über Reinigungsmittel, Spülmittel, Kosmetik, Pflegemittel für Haare und Medizin.

Wir diskutieren dann einige Probleme der Gesellschaft, mit der sich die Industrie auf der
ganzen Welt auseinander zu setzen hat: Ich meine die Luft- und Wasserverschmutzung. Ich
hoffe, Sie gehen nicht im »Smog« verloren.

Teil V: Der Top# Ten# Teil

In diesem Teil führe ich Sie zu den zehn größten Entdeckungen in der Chemie, stelle Ihnen
zehn großartige Chemie-Genies vor und weise Sie auf zehn nützliche Chemie-Internetseiten
hin. Ich wollte auch noch meine zehn Lieblings-Chemiesongs bringen, mir fielen aber nur
neun ein - schade.

Ich habe auch noch einige Anhänge geschrieben, die Ihnen bei mathematischen Problemen
helfen könnten. Ich erläutere wissenschaftliche Einheiten, wie man besonders große oder besonders kleine Zahlen handhabt, eine einfache Umrechnungsmethode für Einheiten und wie man Berichte mit Hilfe der so genannten signifikanten Abbildung erzeugt.

- 24 ----

1 � Chemie ---

Jcons, die in diesem ßuch rlerwendet werden

Wenn Sie schon andere für Dummies-Bücher gelesen haben, dann kennen Sie natürlich die

Icons, die in diesem Buch verwendet werden. Aber hier ist noch mal eine kurze Erklärung für
all diejenigen, die damit nicht so vertraut sind:

Dieses Icon verweist auf einen Tipp für den schnellsten Weg und/oder leichtesten

Weg, eine Aufgabe durchzuführen oder ein Konzept zu erforschen. Es stellt gewisses Material bereit, dessen Kenntnis ganz einfach nützlich ist, und weiteres Material, das Ihnen Zeit und Frust erspart.

Dieses Erinnerungs-Icon soll einen Anstoß dafür liefern, diese Sache wirklich
wichtig zu nehmen und sich zu merken.

Ich verwende dieses Zeichen, wenn ich einen Sicherheitshinweis geben möchte,
insbesondere, wenn ich beschreibe, wie chemische Substanzen zu mischen sind.

Ich verwende dieses Icon relativ selten, da ich den Inhalt möglichst einfach gehalten habe. In den Fällen aber, in denen ich meine Erklärungen über das Basiswissen hinaus ausweite, zeige ich das mit diesem Icon an. Man kann über diese Stelle
natürlich hinwegspringen, aber es könnte ja sein, dass Sie an einer detaillierteren

Beschreibung einer Sache interessiert sind.

Wie 9eht es rlon hier aus weiter J

Das liegt wirklich ganz bei Ihnen und Ihren Vorkenntnissen. Wenn Sie etwas ganz Bestimmtes
klären möchten, schlagen Sie ruhig das Kapitel oder diesen Abschnitt hierzu auf. Wenn Sie ein
echter Neuling sind, beginnen Sie einfach bei Kapitel 1 und lesen von hier aus weiter. Wenn Sie
schon ein kleiner Chemiker sind, schauen Sie sich bitte noch einmal Kapitel 3 an und springen
dann in Teil li. Kapitel lO über das Mol ist sehr wichtig, ebenso Kapitel l3 über Gase.

Wenn Sie nur daran interessiert sind, etwas über die Chemie in Ihrem täglichen Leben zu erfahren, lesen Sie Kapitel l und springen dann in die Kapitel 16 und 1 7. Wenn Sie am meisten an Umweltchemie interessiert sind, gehen Sie zu Kapitel lS und 19. Eigentlich können Sie
nichts verkehrt machen. Ich hoffe, Sie haben an Ihrem Chemietrip viel Spaß.

---- 25 -

Teil I

GrundletJende Konzepte
der Chemie

Ich bin mathematischer Analphabet.

Ist aber nicht so UnlJeu!öhnlich,

100 rlon 15 Leuten sind das.

ln diesem Teil . . .

Wenn Sie neu in der Chemie sind, sieht das Ganze vielleicht
etwas Furcht erregend aus. Ich begegne jeden Tag Studenten,
die sich selbst verrückt machen, indem sie sich einreden, für
die Chemie nicht geeignet zu sein.

Jeder kann die Chemie begreifen. Wenn Sie kochen, putzen oder
einfach nur da sind, sind Sie Teil der chemischen Welt.

Ich arbeite viel mit Grundschülern und sie lieben Naturwissenschaften. Ich zeige ihnen ein paar chemische Reaktionen (Essig mit Soda zum Beispiel) und schon drehen sie durch. Ich hoffe,
es geht Ihnen genauso.

Die Kapitel von Teil I vermitteln Ihnen den grundlegenden Hintergrund der Chemie. Ich erzähle Ihnen etwas über die Materie und die Zustände, in denen sie sich befinden kann. Ich sage
etwas über die Energie einschließlich der Methoden, wie sie gemessen wird. Ich diskutiere die mikroskopische Welt des Atoms und seine grundlegenden Bestandteile. Ich erläutere auch das

Periodensystem, das nützlichste Werkzeug für den Chemiker.

Sie erfahren auch etwas über Radioaktivität, Kernreaktoren und

Atombomben.

Dieser Teil entführt Sie auf eine lustige Reise. Werfen Sie die

Maschine schon mal an ...

Was ist Chemie und warum sollte
man darüber etwas wissen?

ln diesem Kapitel

Die Wissenschaft von der Chemie definieren

Einen Überblick über Bereiche der Chemie erhalten

Überall ist Chemie

Wenn Sie einen Kurs in Chemie belegen, kann es sein, dass Sie dieses Kapitel auslassen
und direkt zu dem Bereich springen wollen, mit dem Sie Schwierigkeiten haben. Aber,
wenn Sie dieses Buch gekauft haben, um zu entscheiden, ob Sie einen Kurs in Chemie belegen
oder ob es Spaß macht, etwas Neues zu entdecken, möchte ich Sie ermutigen, dieses Kapitel zu
lesen. Ich setze die Stufe für den Rest des Buches hier dadurch, dass ich Ihnen zeige, was

Chemie ist, was Chemiker tun, und warum Sie an Chemie wirklich interessiert sein sollten.

Mir macht Chemie richtig Spaß. Sie ist viel mehr als eine einfache Sammlung von Fakten und
ein Gebilde von Wissen. Ich denke, es ist faszinierend zu beobachten, wie chemische Veränderungen stattfinden, Unbekanntes herauszufinden, Instrumente zu benutzen, die Sinne zu erweitern und Voraussagen zu machen und zu begreifen, warum sie richtig oder falsch sind.

Alles fängt hier mit den Grundlagen an - herzlich willkommen in der faszinierenden Welt der

Chemie.

Was ist 9enau Chemie?

Einfach ausgedrückt, behandelt dieser ganze Zweig der Wissenschaft alles über Materie, die
irgendetwas ist, das Masse hat und Platz einnimmt. Chemie ist die Studie über die Zusammensetzung und die Eigenschaften der Materie und die Veränderungen, denen sie ausgesetzt ist.

Chemie kommt hauptsächlich dort ins Spiel, wo Veränderungen stattfinden. Materie besteht
entweder aus reinen Substanzen oder aus Mischungen davon. Die Veränderung von einer

Substanz in eine andere nennen die Chemiker chemische Änderung oder chemische Reaktion.

Wenn diese stattfindet, ist das ein Höhepunkt im Leben des Chemikers, denn es entsteht etwas
gänzlich Neues (siehe Kapitel 2 zu den Details hierzu).

Zwei9e der Chemie

Chemie ist so umfassend, dass sie anfänglich in verschiedene Spezialbereiche unterteilt wurde.

Heute jedoch gibt es ein hohes Maß an Überlappung zwischen den verschiedenen Bereichen

---- 29 -

---• Chemie für Dummies
der Chemie, genau wie bei den verschiedenen Wissenschaften. Hier sind die traditionellen

Bereiche der Chemie:

V Analytische Chemie: Dieser Zweig befasst sich mit der Analyse von Substanzen. Es kann
sein, dass Chemiker aus diesem Bereich versuchen herauszufinden, welche Substanzen
in einer Mischung (qualitative Analyse) sind oder wie viel von einer besonderen Substanz
darin enthalten ist (quantitative Analyse). In der analytischen Chemie finden wir eine große

Menge verschiedenster Laborinstrumente.

V Biochemie: Dieser Zweig spezialisiert sich auf lebende Organismen. Biochemiker studieren
die chemischen Reaktionen, die auf dem molekularen Niveau eines Organismus stattfinden - der Ebene, in der die Dinge mit bloßem Auge nicht mehr wahrgenommen werden können. Biochemiker studieren Prozesse wie Verdauung, Stoffwechsel, Vermehrung, Atmung usw. Manchmal ist es schwierig, zwischen einem Biochemiker und einem molekularen Biologen zu unterscheiden, weil sie beide Systeme auf einer mikroskopischen Ebene studieren. Jedoch konzentriert sich ein Biochemiker wirklich mehr auf die Reaktionen, die
auftreten.

V Biotechnik: Dies ist ein relativ neuer Bereich der chemischen Wissenschaft. Es ist die

Anwendung von Biochemie und Biologie, wenn es darum geht, genetisches Material oder

Organismen für bestimmte Zwecke zu schaffen oder zu modifizieren. Es wird in solchen

Bereichen wie dem Klonen oder der Schaffung von krankheitsresistenten Ernten verwendet, und sie hat die potenziellen Möglichkeiten, genetische Krankheiten zukünftig zu eliminieren.

V Anorganische Chemie: Dieser Zweig befasst sich mit dem Studium anorganischer Verbindungen wie den Salzen. Er schließt das Studium über die Struktur und die Eigenschaften dieser Verbindungen ein. Dazu gehört auch das Studium der einzelnen Elemente der Verbindungen. Anorganische Chemiker würden wahrscheinlich sagen, es handele sich um das Studium aller Verbindungen ohne den Kohlenstoff. Diesen überlassen sie den organischen

Chemikern.

Was sind nun Verbindungen und Elemente? Sie sind die Anatomie der Materie. Materie besteht
entweder aus reinen Substanzen oder Mischungen aus reinen Substanzen. Substanzen selbst
bestehen entweder aus Elementen oder Verbindungen daraus. (Kapitel 2 gliedert die Anatomie der Materie. Und wie bei allen Dingen der Zergliederung ist es am besten, vorbereitet zu sein - mit einer Nasenklammer und leerem Magen.)

V Organische Chemie: Diese ist das Studium des Kohlenstoffs und seiner Verbindungen.

Es ist wahrscheinlich der Organisierteste Bereich der Chemie - aus gutem Grund. Es
gibt Millionen organische Verbindungen und Tausende, die jedes Jahr neu entdeckt oder
geschaffen werden. Industrien wie die Kunststoffindustrie, die Ölindustrie und die Pharmaindustrie verlassen sich auf organische Chemiker.

V Physikalische Chemie: Dieser Zweig analysiert, wie und warum sich ein chemisches System so verhält, wie es das tut. Physikalische Chemiker studieren die physikalischen Eigenschaften und das physikalische Verhalten der Materie und versuchen, Modelle und Theorien zu entwickeln, die dieses Verhalten bechreiben.

- 3o ----

- 1 > Was ist Chemie und warum sotlte man darüber etwas wissen] ---•

Was ist Wissenschaft?

Wissenschaft ist viel mehr als eine Sammlung von Fakten, Zahlen, Kurven und Schreibtischen. Wissenschaft ist eine Methode, das physische Universum zu prüfen. Es ist eine spezielle Art, Fragen zu stellen und zu beantworten. Wissenschaft wird am besten durch
die Persönlichkeit der Wissenschaftler selbst beschrieben: Sie sind skeptisch - sie müssen
ja in der Lage sein, Phänomene zu prüfen. Und sie halten die Ergebnisse ihrer Experimente
vorläufig fest und warten darauf, dass ein anderer Wissenschaftler sie widerlegt. Was nicht
getestet werden kann, ist keine Wissenschaft. Wissenschaftler wundern sich, wollen das

»Warum« herausfinden, und sie experimentieren - sie sind in dieser Beziehung wie kleine

Kinder. Vielleicht ist dies eine gute Definition von Wissenschaftlern - sie sind Erwachsene,
die die Wunder der Natur und den Wunsch zu lernen nie aus den Augen verloren haben.

Makroskopische und mikroskopische Perspekticle

Die meisten Chemiker, die ich kenne, arbeiten wie selbstverständlich in zwei Welten. Die eine
ist die makroskopische Welt, die Sie und ich wahrnehmen, fühlen und berühren. Dies ist die

Welt der fleckigen Laborkittel und Dinge wie Natriumchlorid abzuwiegen, um Dinge wie Wasserstoffgas zu schaffen. Dies ist die Welt der Versuche oder das, was einige Nichtwissenschaftler die »wirkliche Welt« nennen.

Aber Chemiker arbeiten auch in der mikroskopischen Welt, die Sie und ich nicht direkt sehen,
fühlen oder berühren können. Hier arbeiten Chemiker mit Theorien und Modellen. Sie können
das Volumen und den Druck eines Gases in der makroskopischen Welt messen, aber sie müssen
die Messungen geistig in die mikroskopische Welt übersetzen, wie klein die Gaspartikel auch
sind.

Wissenschaftler sind oft daran gewöhnt, zwischen diesen beiden Welten vor und zurück zu
schalten, ohne dass sie dies real bemerken. Ein Auftreten oder eine Beobachtung in der makroskopischen Welt generiert eine auf die mikroskopische Welt bezogene Idee und umgekehrt.

Sie könnten meinen, dass dieser Fluss von Ideen zunächst etwas irritiert. Aber, sobald Sie die

Chemie kennen lernen, stellen Sie fest, dass so etwas zur zweiten Natur wird.

Reine und antJeUiandte Chemie

In der reinen Chemie sind Chemiker frei, das zu tun, wofür sich die Forschung auch immer
interessiert - oder, welchen Forschungsauftrag auch immer sie bekommen. Es gibt hier keine wirkliche Erwartung praktischer Anwendung. Der Forscher will einfach »Wissen um des Wissens willen«. Diese Art von Forschung (oft auch Grundlagenforschung genannt) wird
am häufigsten an Schulen und Universitäten durchgeführt. Der Chemiker setzt Studenten
und Graduierte für die Forschung ein. Diese Arbeit ist Teil der beruflichen Ausbildung des

Studenten. Der Forscher gibt seine Ergebnisse in professionellen Zeitschriften heraus, damit
andere Chemiker diese prüfen und ggf. widerlegen können. Geld ist fast immer ein Problem,
weil das Experimentieren, die Chemikalien und die Ausrüstung ziemlich teuer sind.

---- 3 1 -

---• Chemie für Dummies

In angewandter Chemie arbeiten Chemiker normalerweise für private Unternehmen. Ihre

Forschung ist auf ein sehr bestimmtes, vom Unternehmen gesetztes kurzfristiges Ziel gerichtet - Produktverbesserung oder die Entwicklung einer krankheitsresistenten Maissorte zum Beispiel. Normalerweise ist bei angewandter Chemie mehr Geld für Ausrüstung und Instrumente verfügbar, aber es gibt auch hier den Druck, den Zielen des Unternehmens zu dienen.

Diese beiden Arten der Chemie, rein und angewandt, besitzen dieselben grundsätzlichen Unterschiede wie Wissenschaft und Technik. In der Wissenschaft ist das Ziel einfach der Erwerb des Wissens. Dort muss es scheinbar keine praktische Anwendung geben. Wissenschaft ist einfach

Wissen um des Wissens willen. Technik ist die Anwendung der Wissenschaft in Richtung eines
sehr bestimmten Ziels.

Es gibt einen Platz in unserer Gesellschaft für Wissenschaft und Technik - ebenso für die zwei

Arten der Chemie. Der reine Chemiker generiert Daten und Information, die dann vom »angewandten« Chemiker genutzt werden. Beide Arten von Chemikern haben ihre eigenen Stärken, Probleme und auch den Druck. Tatsächlich werden viele Universitäten wegen der geringeren

Forschungsmittel immer mehr in das Entwickeln von gewinnträchtigen Patenten involviert
und für Technologietransfers in den privaten Sektor bezahlt.

Was macht nun der Chemiker den lieben lantJen Tat)J

Sie können die Aktivitäten eines Chemikers in diese größeren Kategorien einteilen:

V Chemiker analysieren Substanzen. Sie stellen fest, was und wie viel davon in einer Substanz ist. Sie analysieren Festkörper, Flüssigkeiten und Gase. Es kann sein, dass sie versuchen, die aktive Zusammensetzung in einer in der Natur gefundenen Substanz zu finden, oder es kann sein, dass sie Wasser analysieren, um zu sehen, wie viel Blei darin ist.

v Chemiker schaffen oder synthetisieren neue Substanzen. Es kann sein, dass sie versuchen,
die synthetische Version einer Substanz zu schaffen, die man in der Natur gefunden hat.

Oder sie können eine ganz neue und einzigartige Verbindung schaffen. Es kann sein, dass
sie versuchen, einen Weg zu finden, Insulin zu synthetisieren. Sie können einen neuen

Kunststoff, eine Tablette oder eine Farbe schaffen. Oder es kann sein, dass sie versuchen,
einen neueren, effizienteren Verfahrensprozess zu finden, um diesen für die Herstellung
eines bestehenden Produkts zu verwenden.

V Chemiker schaffen Modelle und testen die Vorhersagekraft von Theorien. Dieser Bereich
der Chemie wird als theoretische Chemie bezeichnet. Chemiker, die in diesem Zweig der

Chemie arbeiten, benutzen Computer, um chemische Systeme zu modellieren. Ihre Welt
ist die der Mathematik und der Computer. Manche dieser Chemiker besitzen nicht einmal
einen LaborkitteL
v Chemiker messen die physikalischen Eigenschaften von Substanzen. Sie messen die

Schmelz- und Siedepunkte neuer Verbindungen. Sie können die Stärke eines neuen Polymerstrangs messen oder die Oktanzahl es Benzins be�timmen.

- 32 ----

- 1 > Was ist Chemie und warum sotlte man darüber etwas wissen? ---·

Die wissenschaftliche Methode

Wissenschaftliche Methodik wird normalerweise als die Art beschrieben, wie Wissenschaftler vorgehen, die Welt um sie herum zu prüfen. Tatsächlich gibt es keine wissenschaftliche Methode, die ausnahmslos angewendet wird, aber die, die ich hier behandele, beschreibt
die meisten kritischen Schritte, die Wissenschaftler früher oder später hinter sich bringen
müssen.

Wissenschaftler machen Beobachtungen und beachten Fakten, die irgendetwas im Universum betreffen. Die Beobachtungen können eine Frage oder ein Problem hervorbringen, das der Forscher dann lösen will. Er oder sie kommt zu einer Hypothese, einer versuchsweisen Erklärung, die mit den Beobachtungen übereinstimmt. Der Forscher entwirft dann Experimente, um die Hypothese zu testen. Dieser Versuch generiert Beobachtungen oder

Fakten, die verwendet werden können, um dann eine andere Hypothese zu generieren
oder die vorhandene zu modifizieren. Dann werden weitere Versuche angestellt und die

Schleife setzt sich weiter fort.

In der seriösen Wissenschaft endet diese Schleife nie. Wie Wissenschaftler in ihren wissenschaftlichen Fähigkeiten fortgeschrittener werden und immer bessere Instrumente bauen, werden ihre Hypothesen immer wieder geprüft. Aber ein paar Dinge können sich aus dieser

Schleife ergeben. Zuerst könnte ein Gesetz gefunden werden. Ein Gesetz ist eine Verallgemeinerung dessen, was im untersuchten wissenschaftlichen System geschieht. Und wie die Gesetze, die für das juristische System geschaffen wurden, müssen wissenschaftliche

Gesetze manchmal auf der Grundlage von neuen Fakten modifiziert werden. Eine Theorie
oder ein Modell kann auch als Theorie vorgeschlagen werden. Eine Theorie oder ein Modell
versucht, zu erklären, warum etwas geschieht. Es ist ähnlich wie eine Hypothese, jedoch
von weit höherer Evidenz. Die Macht der Theorie oder des Modells ist Vorhersage. Wenn
der Wissenschaftler das Modell dazu verwenden kann, ein gutes Verständnis des Systems zu
erzielen, dann kann er, basierend auf dem Modell, Voraussagen machen und sie dann mit
weiteren Experimenten überprüfen. Die Beobachtungen im Rahmen dieser Experimente
können wieder dazu verwendet werden, die Theorie oder das Modell zu verfeinern oder zu
modifizieren, und starten auf diese Art eine weitere wissenschaftliche Schleife. Wann das
endet? - Niemals.

Und u/o arbeiten Chemiker tatsächlich)

Es kann sein, dass Sie denken, dass man alle Chemiker tief in einem muffigen Labor findet, wo
sie für irgendeine große Chemiegesellschaft arbeiten. Chemiker haben jedoch eine Vielzahl
von Aufgaben in einer großen Vielfalt von Arbeitsstellen:

v Chemiker in der Qualitätskontrolle: Diese Chemiker analysieren Rohstoffe, Zwischenprodukte und Endprodukte, damit man sich vergewissern kann, dass deren Reinheit in den vorgeschriebenen Rahmen fällt. Sie bieten auch technische Unterstützung für den Kunden
oder analysieren zurückgegebene Produkte. Viele dieser Chemiker lösen oft Probleme
bereits innerhalb des Herstellungsprozesses.

---- 33 -

---· Chemie für Dummies

V Industriechemiker: Chemiker in diesem Beruf führen eine große Zahl physikalischer und
chemischer Tests durch. Sie können neue Produkte entwickeln, aber auch vorhandene

Produkte verbessern. Es kann sein, dass sie mit besonderen Kunden arbeiten, um Produkte zu spezifizieren, die einen bestimmten Bedarf decken. Ferner liefern sie technischen Kundensupport
t/ Vertriebschemiker: Chemiker können als Vertreter für Gesellschaften arbeiten, die Chemikalien oder Pharmaka verkaufen. Sie können ihre Kunden besuchen und sie über neu entwickelte Produkte informieren. Oft helfen sie auch ihren Kunden, Probleme zu lösen.

V Gerichtschemiker (Forensischer Chemiker): Diese Chemiker analysieren Proben von

Tatorten von Verbrechen oder prüfen das Vorhandensein von Medikamenten (z.B. im Blut) .

Sie können auch bei Gericht als sachverständige Zeugen aussagen.

V Umweltchemiker: Diese Chemiker können für Kläranlagen, ein Umweltamt, die Energiebehörde oder ähnliche Einrichtungen arbeiten. Diese Art der Arbeit zieht Leute an, die Chemie mögen, aber auch gerne in die Natur hinausgehen. Sie gehen oft hinaus, um ihre

Proben selbst zu holen.

V Restauration von Kunst und historischen Arbeiten: Es kann sein, dass Chemiker daran
arbeiten, Bilder oder Statuen wieder herzustellen, oder sie versuchen, Fälschungen aufzudecken. Wenn Luft- und Wasserverschmutzung künstlerische Arbeiten zerstören, arbeiten diese Chemiker daran, diese ererbten Werte zu erhalten.

v Chemielehrer: Chemiker, die als Pädagogen arbeiten, lehren Physik und Chemie an öffentlichen Schulen. Oder auch an Hochschulen und Universitäten. Universitätsprofessoren betreiben Forschung und arbeiten oft mit Diplomanden und Doktoranden.

Diese sind nur einige der Berufe, in denen sich Chemiker wiederfinden können. Ich habe dabei
noch nicht einmal die Juristerei, die Medizin, technische Dokumentation, Unternehmensberatung oder gar die Politik genannt. Chemiker sind an fast jedem Aspekt der Gesellschaft beteiligt.

Einige Chemiker schreiben sogar Bücher.

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, Chemiker zu werden, warum sollten Sie trotzdem an

Chemie interessiert sein? (Die Antwort ist wahrscheinlich »Um eine Prüfung zu bestehen«.)

Chemie ist ein integraler Bestandteil unserer täglichen Welt und etwas über Chemie zu wissen hilft, mit unserer alltäglichen technischen und chemischen Umwelt besser zurechtzukommen.

- 34 ----

Materie und Ener9Je
ln diesem Kapitel

Die Zustände der Materie und ihrer Änderungen verstehen

Zwischen reinen Substanzen und Mischungen unterscheiden

Informationen über das metrische System bekommen

Eigenschaften chemischer Substanzen prüfen

Verschiedene Arten der Energie entdecken

Energie in chemischen Bindungen messen
ß etreten Sie ein Zimmer und schalten Sie das Licht an. Schauen Sie sich um-was sehen

Sie? Es könnte ein Tisch, einige Stühle, eine Lampe oder ein eingeschlafener Computer
sein. Aber alles, was Sie sehen, ist in Wirklichkeit Materie und Energie. Es gibt viele Arten von

Materie und von Energie, aber, wenn alles gesagt und getan ist, bleiben Materie und Energie
übrig. Wissenschaftler pflegten zu glauben, dass diese beiden Dinge getrennt und verschieden
sind, heute aber müssen sie feststellen, dass Materie und Energie miteinander verbunden
sind. In einer Atombombe oder einem Atomreaktor wird Materie in Energie umgewandelt.

Die Sciencefiction des »Star-Treks« wird eventuell eines Tages Realität und es wird vielleicht
alltäglich, den menschlichen Körper in Energie zu verwandeln, zu befördern und wieder in

Materie zurückzuverwandeln. Aber ich bleibe inzwischen bei den Grundlagen von Materie und

Energie.

In diesem Kapitel behandele ich die zwei Grundbestandteile des Universums - Materie und

Energie. Ich prüfe die verschiedenen Zustände von Materie und das, was geschieht, wenn

Materie von einem Zustand in einen anderen übergeht. Ich zeige Ihnen, wie das metrische

System verwendet wird, um Materie und Energie zu messen, und wie ich die verschiedenen

Arten der Energie prüfe und messe.

Zustände der Materie:

Makroskopische und mikroskopische Sicht

Sehen Sie sich um. All das Zeug um Sie herum, das Sie sehen - der Stuhl, das Wasser, das Sie
trinken, das Papier, worauf dieses Buch gedruckt ist, ist Materie. Materie ist der materielle

Teil des Universums. Sie ist irgendetwas, das Masse hat und Platz einnimmt. (Später in diesem

Kapitel stelle ich Ihnen die Energie, den anderen Teil des Universums, vor.) Materie kann in
einem von drei Zuständen existieren: fest, flüssig und gasförmig.

---• 35 -

---• Chemie für Dummies

Festkörper

Die makroskopische Ebene ist diejenige, in der wir direkt mit unseren Sinnen einen festen

Körper bemerken, mit einer festen Form und einem festen Volumen. Denken Sie an einen

Eiswürfel in einem Glas - es ist ein Festkörper. Sie können den Eiswürfel leicht wiegen und
sein Volumen messen. Auf der mikroskopischen Ebene (wo Sachen so klein sind, dass der

Mensch sie nicht direkt beobachten kann) sind die Partikel, die das Eis ausmachen, sehr nah
zusammen und bewegen sich nur geringfügig (siehe Abbildung 2.1).

Der Grund, warum die Partikel, die das Eis ausmachen, (auch als Wassermoleküle bekannt),
nah beisammen sind und nur kleine Bewegungen machen, ist der, dass in vielen Festkörpern
die Partikel in eine starre, regelmäßig aufgebaute Struktur, das Kristallgitter, eingebunden
sind. Die Partikel, die im Kristallgitter enthalten sind, bewegen sich zwar immer noch, aber
sehr wenig - es ist mehr eine leichte Vibration. Je nach den Partikeln kann dieses Kristallgitter
von verschiedenster Form sein.

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0

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8 W� 8

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(a) fest

(b) flüssig

(c) gasförmig

Abbildung 2,1: Fester, flüssiger und gasförmiger Zustand der Materie

Flüssitjkeiten

Wenn ein Eiswürfel schmilzt, wird er eine Flüssigkeit. Im Gegensatz zu Festkörpern haben

Flüssigkeiten keine feste Form, aber sie haben ein festes Volumen, genau wie feste Körper.

Zum Beispiel hat eine Tasse Wasser in einem hohen engen Glas eine andere Form als eine Tasse

Wasser auf einem Suppenteller, aber in beiden Fällen ist das Volumen der Tasse gleich - eine

Tasse. Warum? Die Partikel in Flüssigkeiten sind viel weiter auseinander als die Partikel in

Festkörpern, und sie bewegen sich auch viel mehr herum (siehe Abbildung 2.1 b). Obwohl die

Partikel in Flüssigkeiten weiter auseinander sind als in Festkörpern, kann es sein, dass einige

Partikel in Flüssigkeiten immer noch nahe beieinander sind, zusammengeballt in kleinen

Gruppen. Weil die Partikel in Flüssigkeiten weiter auseinander sind, sind die Anziehungskräfte
zwischen ihnen nicht so stark, wie sie in Festkörpern sind, weshalb Flüssigkeiten ja keine
sichere Form haben. Jedoch sind diese Anziehungskräfte stark genug, die Substanz in einer
großen Masse - einer Flüssigkeit - gefangen zu halten.

- 36 ----

2 >- Materie und Enertjie ---·

Gase

Wenn Sie Wasser erhitzen, können Sie es in Dampf umwandeln, die gasförmige Form des

Wassers. Ein Gas hat keine feste Form und kein festes Volumen. In einem Gas sind Partikel
viel weiter voneinander entfernt als in Festkörpern oder Flüssigkeiten (siehe Abbildung 2.1 c)

und sie bewegen sich weitestgehend unabhängig voneinander. Wegen der Entfernung zwischen
den Partikeln und der unabhängigen Bewegung dehnt sich Gas aus, um den Bereich zu füllen,
in dem es sich befindet (und es hat so auch keine feste Form).

Eis in Afaska, Wasser in Texas:

Materie wechselt den Zustand

Wenn eine Substanz von einem Zustand der Materie in einen anderen übergeht, nennen wir
diesen Prozess eine Zustandsänderung. Während dieses Prozesses treten einige ziemlich interessante Dinge auf.

Ich löse mich auf! Oh, was für eine Weft!

Stellen Sie sich vor, Sie nehmen ein großes Stück Eis aus Ihrem Kühlschrank und legen es in
einen großen Topf auf Ihrem Herd. Wenn Sie die Temperatur des Eises messen, kann es sein,
dass Sie zum Beispiel -5° Celsius messen, oder so. Wenn Sie die Temperatur ablesen, während

Sie das Eis erhitzen, stellen Sie fest, dass die Temperatur des Eises anzusteigen beginnt, da die

Hitze vom Ofen bewirkt, dass die Eispartikel beginnen, schneller und schneller im Kristallgitter
zu vibrieren. Nach einer Weile bewegen sich manche der Moleküle so schnell, dass sie frei das

Gitter verlassen und das Kristallgitter (das seinen festen Körper zunächst behält) schließlich
auseinander bricht. Der Festkörper beginnt, von einem festen Zustand in einen flüssigen
überzugehen, was wir schmelzen nennen. Die Temperatur, bei der das Schmelzen beginnt,
wird der Schmelzpunkt (GP wie Gefrierpunkt s.u.) der Substanz genannt. Der Schmelzpunkt
für Eis ist 32° Fahrenheit oder oo Celsius.

Wenn Sie die Temperatur des Eises beobachten, wenn es schmilzt, sehen Sie, dass die Temperatur bei ooc konstant bleibt, bis das ganze Eis geschmolzen ist. Während Änderungen des Zustands (Phasenänderungen) bleibt die Temperatur konstant, obwohl die Flüssigkeit mehr

Energie als das Eis enthält (weil sich die Partikel in Flüssigkeiten schneller als die Partikel in

Festkörpern bewegen, wie im vorherigen Abschnitt erwähnt).

Der Siedepunkt

Wenn Sie einen TopfWasser erhitzen (oder wenn Sie fortfahren, den im vorangegangenen Abschnitt erwähnten Topf mit dem Eiswürfel zu erhitzen), steigt die Temperatur des Wassers an, und die Partikel bewegen sich schneller und schneller, während sie die Hitze absorbieren. Die

Temperatur steigt an, bis das Wasser die nächste Änderung des Zustands erreicht. Wenn sich

---- 3 7 -

---• Chemie für Dummies
die Partikel schneller und schneller bewegen, je nachdem, wie sie erhitzt werden, beginnen sie,
die Anziehungskräfte untereinander zu überwinden und als Dampf aufzusteigen. Der Prozess,
bei dem sich eine Substanz vom flüssigen in den gasförmigen Zustand bewegt, wird sieden
genannt. Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit zu kochen beginnt, wird der Siedepunkt (SP)

genannt. Der SP ist vom atmosphärischen Druck abhängig, aber für Wasser auf Meereshöhe
liegt er bei 2 12°F oder 100°C. Die Temperatur des kochend heißen Wassers bleibt konstant,
bis alles verdampft ist.

Es gibt sowohl Wasser als auch Dampf bei 100°C. Sie haben dieselbe Temperatur, aber der

Dampf hat viel mehr Energie (weil sich die Partikel unabhängig und ziemlich schnell bewegen).

Weil Dampf mehr Energie hat, sind Verbrennungen durch Dampf normalerweise viel ernster als
die durch kochendes Wasser, weil viel mehr Energie auf Ihre Haut übertragen wird. Ich wurde
hieran eines Morgens erinnert, als ich versuchte, eine Falte aus meinem Hemd zu bügeln, das
ich anhatte. Meine Haut und ich können bestätigen - Dampf enthält viel Energie!

Ich kann den Prozess des Wassers, das sich von einem Festkörper zu einer Flüssigkeit verwandelt, wie folgt zusammenfassen: Eis � Wasser � Dampf

Weil das Grundteilchen in Eis, Wasser und Dampf das Wassermolekül H20 ist, kann derselbe

Prozess auch als so dargestellt werden

H20(s) � H20(1) � H20(g)

Hierbei steht (s) für Festkörper, das (I) steht für Flüssigkeit und (g) für Gas. Die Abkürzungen s,

I, g sind die Anfangsbuchstaben der englischen Bezeichnungen für solid, liquid und gas. Diese
zweite Darstellung ist viel besser, weil die meisten Substanzen im Gegensatz zu H20 keine
unterschiedlichen Namen für ihren festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand haben.

Gefrierpunkt: Das Wunder des Eiswürfels

Wenn Sie eine gasförmige Substanz abkühlen, können Sie die Phasenänderungen genauso
beobachten. Die Phasenänderungen sind
v Kondensation, Gas wird zur Flüssigkeit

II Gefrieren, Übergang vom flüssigen in den festen Zustand

Die Gaspartikel haben viel Energie, aber da sie abgekühlt sind, ist diese Energie reduziert. Die

Anziehungskräfte haben jetzt eine Chance, die Partikel enger zusammenzuziehen, wobei sich

Flüssigkeit bildet. Dieser Prozess wird Kondensation genannt. Die Partikel sind jetzt in Klumpen (wie er bei Partikeln in einem flüssigen Zustand charakteristisch ist), aber da mehr Energie durch Abkühlen entfernt wird, beginnen die Partikel, sich auszurichten, und ein Festkörper
entsteht. Dieser ist bekannt als Eis. Die Temperatur, bei der dies geschieht, wird Gefrierpunkt

(GP) der Substanz genannt.

38 ----

2 >- Materie und Enertjie ---•

Der Gefrierpunkt ist der gleiche wie der Schmelzpunkt - es ist der Punkt, an dem
die Substanz in der Lage ist, ein Gas oder ein Festkörper zu sein.

Ich kann Wasser als Zustandsänderung eines Gases in einen Festkörper darstellen:

HzO(g) --7 H20 (I) --7 H20(s)

Sublimieren Sie das!

Die meisten Substanzen gehen durch die »logische« Fortentwicklung vom Festkörper zur

Flüssigkeit, sobald sie erhitzt werden - oder umgekehrt, wenn sie abgekühlt werden. Aber
einige Substanzen gehen direkt vom Festkörper in den gasförmigen Zustand über, ohne jemals eine Flüssigkeit zu werden. Wissenschaftler nennen das Sublimation. Trockeneis - festes Kohlenstoffdioxid C02(s) ist das klassische Beispiel für Sublimation. Sie können sehen, wie

Trockeneispartikel kleiner werden, da der Festkörper beginnt, sich in ein Gas zu verwandeln,
aber es bildet sich währenddessen keine Flüssigkeit. Wenn Sie schon mal Trockeneis gesehen
haben, dann werden Sie sich daran erinnern, dass es normalerweise von einer weißen Wolke
umgeben ist - Zauberer und Theaterproduktionen verwenden oft Trockeneis für das Erzeugen
von KunstnebeL Die weiße Wolke, die Sie normalerweise sehen, ist nicht das Kohlenstoffdioxidgas - das Gas selbst ist farblos. Die weiße Wolke entsteht durch die Kondensation von Wasser in der Luft, die mit dem Trockeneis in Berührung kommt.

Der Prozess der Sublimierung wird so dargestellt:

C02(s) --7 C02(g)

Zusätzlich zu Trockeneis gehen Mottenkugeln und bestimmte feste Luftauffrischer auch durch
den Prozess der Sublimierung. Das Gegenteil der Sublimierung ist Deposition, bei der eine

Substanz direkt von einem gasförmigen Zustand in einen festen geht.

Reine Substanzen und MisehuntJen

Einer der Grundprozesse in der Wissenschaft ist die Klassifizierung. Wie im vorangegangenen

Abschnitt erläutert, können Chemiker Materie als fest, flüssig oder gasförmig klassifizieren.

Aber es gibt noch andere Arten, Materie zu klassifizieren. In diesem Abschnitt erörtere ich,
wie alle Materie als entweder eine reine Substanz oder als Mischung klassifiziert werden kann

(Abbildung 2.2).

Reine Substanzen

Eine reine Substanz hat eine sichere und konstante Komposition oder eine feste und konstante

Erscheinung wie Salz oder Zucker.

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---• Chemie für Dummies

Eine reine Substanz kann entweder ein Element oder eine Verbindung sein, aber die Zusammensetzung einer reinen Substanz variiert nicht.

Abbildung 2.2: Klassifizierung der Materie

Elementar, fieber Leser

Ein Element besteht aus einer einzigen Art von Atomen. Ein Atom ist der kleinste Teil eines

Elements, das noch all die Eigenschaften des Elements hat. Hier ist ein Beispiel: Gold ist ein

Element? Wenn Sie ein Stück des Goldes durchschneiden und durchschneiden, bis nur ein winziges Partikel übrig ist, das nicht noch weiter zerteilt werden kann, ohne seine Eigenschaften zu verlieren, die goldenes Gold ausmachen, dann haben Sie ein Atom.

Die Atome in einem Element haben alle dieselbe Anzahl von Protonen. Protonen sind subatomare Partikel - Teile eines Atoms. Es gibt drei größere subatomare Partikel, die in Kapitel 3
bis »zum Abwinken« behandelt werden.

Das Wichtigste, das Sie sich in diesem Augenblick merken können, ist, dass Elemente die

Bausteine von Materie sind. Und sie befinden sich in einer eigenartigen Tabelle, die Sie vielleicht
irgendwann einmal gesehen haben - dem Periodensystem der Elemente. (Wenn Sie nie zuvor
eine solche Tabelle gesehen haben - sie ist nur eine Liste von Elementen.) Kapitel 3 enthält ein
solches Periodensystem - wenn Sie schon einen kurzen Blick darauf werfen wollen.

Das Verbinden des Problems

Eine Verbindung ist aus zwei oder mehr Elementen in einem bestimmten Verhältnis zusammengesetzt. Zum Beispiel ist Wasser (H20) eine aus zwei Elementen zusammengesetzte Verbindung, Wasserstoff (H) und Sauerstoff (0). Diese Elemente sind auf eine ganz bestimmte

Weise miteinander verbunden, nämlich in einem Verhältnis von zwei Wasserstoff-Atomen zu
einem Sauerstoff-Atom (daher H20). Viele Verbindungen enthalten Wasserstoff und Sauerstoff,
aber nur eine hat dieses spezielle 2+1-Verhältnis, eben das Wasser. Obwohl Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff besteht, hat das Wasser andere physikalische und chemische Eigenschaften

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2 >- Materie und Enert)ie ---•
als Wasserstoff oder Sauerstoff - die Eigenschaften des Wassers sind eine einzigartige Kombination der zwei Elemente.

Chemiker können die Bestandteile einer Verbindung nicht so leicht trennen: Sie müssen zu
irgendeiner Art chemischer Reaktion greifen.

Nun kommen die MisehuntJen hinzu

Mischungen sind physische Kombinationen reiner Substanzen, die keine sichere oder konstante

Zusammensetzung haben - die Komposition einer Mischung variiert entsprechend dem, der
die Mischung vorbereitet. Nehmen wir einmal an, ich bitte zwei Menschen darum, mir einen

Margarita (eine reizende Mischung) zuzubereiten. Selbst wenn diese zwei Menschen genau
dasselbe Rezept verwendeten, würden diese Mischungen ein wenig in der Menge des verwendeten Tequilas usw. variieren. Sie hätten zwei leicht verschiedene Mischungen produziert.

Jedoch, jeder Bestandteil einer Mischung (das heißt, jede reine Substanz, die die Mischung
ausmacht - im Getränkebeispiel jede Zutat) bewahrt ihren eigenen Satz von physikalischen
und chemischen Merkmalen. Deshalb ist es relativ leicht, die verschiedenen Substanzen in
einer Mischung zu trennen.

Chemikern fällt es schwer, eine Verbindung wieder in ihre Bestandteile zu zerlegen. Mischungen lassen sich jedoch einigermaßen leicht zerlegen. Nehmen Sie zum Beispiel an, dass Sie eine Mischung aus Salz und Sand haben und Sie den Sand durch Entfernen des Salzes reinigen
wollen. Sie können dies dadurch tun, dass Sie Wasser hinzufügen, damit es das Salz löst und
dann die Mischung filtern. Und schon haben Sie reinen Sand.

Mischungen können entweder homogen oder heterogen sein.

Homogene Mischungen, manchmal Lösungen genannt, sind in der Zusammensetzung relativ
gleichförmig; jeder Teil der Mischung ist wie jeder andere Teil. Wenn Sie Zucker in Wasser
auflösen und ihn wirklich gut mischen, ist Ihre Mischung grundsätzlich gleich, egal, wo Sie
das prüfen.

Wenn Sie aber etwas Zucker in einen Topf geben, etwas Sand hinzuzufügen und dann ein
paar Mal schütteln, hat Ihre Mischung nicht überall in dem Topf dieselbe Komposition. Weil
der Sand schwerer ist, gibt es wahrscheinlich mehr Sand unten auf dem Topfboden und mehr

Zucker am oberen Ende. In diesem Fall haben Sie eine heterogene Mischung, eine Mischung,
deren Komposition je nach Ort innerhalb der Probe variiert.

Das Messen flon Materie

Wissenschaftler haben oft die Aufgabe, Volumen- und Temperaturmessungen durchzuführen,
wobei die Masse (bzw. das Gewicht) mit eingeschlossen wird. Wenn jede Nation ihr eigenes

Messsystem hätte, würde die Kommunikation unter Wissenschaftlern ungeheuer behindert.

Deshalb wurde ein weltweites Messsystem übernommen, um sicherzustellen, dass Wissenschaftler dieselbe Sprache sprechen können.

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---• Chemie für Dummies

Das SI-S1Jstem

Das SI-System (vom französischen Systeme International) ist ein weltweites Messsystem basierend auf dem älteren metrischen System, das die meisten von uns in der Schule kennen lernten. Es gibt geringfügige Unterschiede zwischen dem SI und dem metrischen System, aber
zum Zweck dieses Buchs sind sie austauschbar.

SI ist ein Dezimalsystem mit Grundeinheiten für Masse, Länge und Volumen und Präfixe, die
die Grundeinheiten modifizieren. Zum Beispiel bedeutet das Präfix kilo ... (k) 1 .000. Also ist
ein Kilogramm (kg) 1 .000 Gramm und ein Kilometer (km) ist 1.000 Meter. Zwei andere sehr
nützliche SI-Präfixe sind zenti ... (c) und milli ... (m), sie bedeuten 0,01 beziehungsweise 0,001.

So ist ein Milligramm (mg) O,OOI Gramm - oder Sie können sagen, dass es 1 .000 Milligramm
in einem Gramm gibt. (Anhang A liefert die nützlichsten SI-Präfixe.)

SJ-UmwandfuntJ.en ins EntJ.fische

Vor vielen Jahren gab es eine Bewegung in den Vereinigten Staaten, zum metrischen System
überzugehen. Aber Amerikaner kaufen leider immer noch ihre Kartoffeln in Pounds und ihr

Benzin in Gallonen. Machen Sie sich hierüber keine Sorgen. Die meisten gewerbsmäßigen

Chemiker, die ich kenne, benutzen sowohl das US- als auch das SI-System ohne irgendwelche

Probleme. Es ist zwar notwendig, Konvertierungen zwischen den Maßsystemen durchzuführen, aber ich zeige Ihnen gerne, wie das geht.

Die Grundeinheit der Länge im SI-System ist der Meter (m). Ein Meter ist etwas länger als ein

Yard. 1,094 Yard, um genauer zu sein. Aber das ist keine wirklich nützliche Umwandlung. Die
nützlichste SI/Englische-Umwandlung für Länge ist

2,54 Zentimeter = 1 Zoll

Die Grundeinheit der Masse im SI-System für Chemiker ist das Gramm (g). Und die nützlichste

Umwandlung für Masse ist

454 Gramm = 1 Pound

Die Grundeinheit für Volumen im SI-System ist der Liter (1). Die nützlichste Umwandlung
ist

0,946 Liter = 1 Quart

Wenn Sie die vorangegangenen Konvertierungen und die Einheiten-Umwandlungsmethode, die ich in Anhang C beschreibe, verwenden, werden Sie in der Lage sein, mit den meisten benötigten SI/Englisch-Umwandlungen umzugehen.

Nehmen Sie zum Beispiel an, Sie haben einen 5-Pound-Sack Kartoffeln und Sie wollen das

Gewicht in Kilogramm wissen.

5.0 lbs

I

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2 > Materie und Ener9ie ---

Weil Sie die Einheit lbs im Zähler beseitigen müssen, müssen Sie eine Beziehung zwischen

Pound und etwas anderem finden - um das dann mit etwas anderem im Nenner auszudrücken.

Sie kennen die Beziehung zwischen Pound und Gramm, so dass Sie das verwenden können.

5.0 1bs. 454 g

-- x --

1

1 Th..

Nun kann man von Gramm nach Kilogramm auf dieselbe Weise umrechnen.

Sie haben ja nette EiiJenschaften bekommen

Wenn Chemiker chemische Substanzen untersuchen, prüfen sie zwei Arten von Eigenschaften:

V Chemische Eigenschaften: Diese Eigenschaften ermöglichen einer Substanz, sich in eine
völlig neue Substanz zu verwandeln, und sie beschreiben, wie eine Substanz mit anderen

Substanzen reagiert. Ändert sich eine Substanz vollständig, wenn Wasser hinzugefügt
wird - wie das Metall Natrium sich in Natriumhydroxid verwandelt? Brennt sie in Luft?

V Physikalische Eigenschaften: Diese Eigenschaften beschreiben die physikalischen Merkmale einer Substanz. Die Masse, das Volumen und die Farbe einer Substanz sind physikalische Eigenschaften genau so wie ihre Fähigkeit, elektrisch leitfähig zu sein.

Einige physikalische Eigenschaften sind extensive Eigenschaften. Es sind Eigenschaften, die
vom Maß an vorhandener Materie abhängen. Masse und Volumen sind extensive Eigenschaften.

Intensive Eigenschaften hängen jedoch nicht von der Menge an Materie ab. Farbe ist eine
intensive Eigenschaft. Ein großes Stück Gold hat zum Beispiel dieselbe Farbe wie ein kleines

Stück. Die Masse und das Volumen dieser zwei Stücke sind anders (extensive Eigenschaften),
aber die Farbe ist die gleiche. Intensive Eigenschaften sind Chemikern besonders nützlich, weil
sie sie verwenden können, um eine Substanz zu identifizieren.

Wie dicht sind Sie?

Dichte ist eine der nützlichsten intensiven Eigenschaften einer Substanz, die es Chemikern
ermöglicht, leichter Substanzen zu identifizieren. Den Unterschied zwischen der Dichte von

Quarz und Diamanten zum Beispiel zu kennen, erlaubt einem Goldschmied, einen Diamantring schnell und leicht zu überprüfen. Dichte (D) ist das Verhältnis der Masse (m) zum Volumen (V) einer Substanz. Mathematisch sieht das so aus: D = mN

Normalerweise wird Masse in Gramm (g) und Volumen in Millilitern (ml) ausgedrückt, so
dass Dichte g/ml ist. Weil die Volumina von Flüssigkeiten ein wenig mit der Temperatur variieren, geben Chemiker normalerweise auch die Temperatur an, bei der eine Dichtemessung

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---• Chemie für Dummies
gemacht wird. Die meisten Nachschlagewerke geben die Dichten bei 20°C an, weil es nahe bei
der Raumtemperatur und somit leichter ist, ohne viel Heizung oder Kühlung zu messen. Die

Dichte des Wassers bei 20°C ist zum Beispiel 1 g/ml.

Ein anderer Ausdruck, den Sie manchmal hören können, ist das spezifische Gewicht (SC), welches das Verhältnis der Dichte einer Substanz zur Dichte des Wassers bei derselben Temperatur ist. Das spezifische Gewicht ist nur ein anderer Weg, wie Sie um das Problem des Volumens von Flüssigkeiten herumkommen, das mit der Temperatur variiert. Das spezifische Gewicht
wird bei der Harnuntersuchung in Krankenhäusern verwendet und zur Beschreibung der

Flüssigkeit in Autobatterien in Autoreparaturwerkstätten. Beachten Sie, dass das spezifische

Gewicht keine Maßeinheit besitzt, weil die Einheiten g/ml in Zähler und Nenner erscheinen
und einander aufheben (siehe den Abschnitt SI-Umwandlungen ins Englische weiter vorne
in diesem Kapitel). In den meisten Fällen sind die Dichte und das spezifische Gewicht fast die
gleichen, so dass es üblich ist, einfach die Dichte zu verwenden.

Sie können Dichte manchmal als g/cm3 oder g/cc sehen. Diese Beispiele bedeuten
das Gleiche wie g/ml. Ein Würfel mit einem Zentimeter an jeder Kante (geschrieben
als 1 cm3) hat ein Volumen von 1 Milliliter ( 1 ml). Weil 1 ml = 1 cm3 ist, sind g/ml
und g/cm3 austauschbar. Und weil ein Kubikzentimeter (cm3) auch schon mal als
cc geschrieben wird, bedeutet g/cc auch dasselbe. (Sie hören cc häufiger in der

Medizin. Wenn Sie eine 1 0-cc-Spritze erhalten, bekommen Sie 10 Milliliter (ml)

dieser Flüssigkeit.)

Das Messen der Dichte

Die Dichte zu berechnen ist ziemlich einfach. Sie messen die Masse eines Objekts durch

Verwendung einer Gleichgewichtswaage oder einer Federwaage, bestimmen das Volumen des

Objekts und dann teilen Sie die Masse durch das Volumen.

Das Volumen von Flüssigkeiten zu bestimmen ist leicht, bei Festkörpern ist das schwieriger.

Wenn das Objekt ein regelmäßiger Festkörper wie ein Würfel ist, können Sie seine drei Dimensionen messen und das Volumen durch Multiplizieren der Länge mit der Breite und der Höhe berechnen (Volumen = L x B x H). Aber, wenn das Objekt ein unregelmäßiger Festkörper wie
ein Stein ist, ist das Bestimmen des Volumens schon schwieriger. Bei unregelmäßigen Festkörpern können Sie das Volumen dadurch messen, dass Sie das Archimedes-Prinzip verwenden.

Das Archimedes-Prinzip sagt aus, dass das Volumen eines Festkörpers dem Volumen des Wassers, das es verdrängt, gleich ist. Der griechische Mathematiker Arehirnedes entdeckte dieses Konzept im dritten Jahrhundert vor Christus. Die Dichte eines Objekts herauszufinden, wird
durch das Archimedes'sche Prinzip sehr vereinfacht. Nehmen wir einmal an, Sie wollen das

Volumen eines kleinen Steins messen, um seine Dichte zu bestimmen. Zuerst gießen Sie etwas

Wasser in einen Glaszylinder mit Markierungen für jeden ml und lesen das Volumen ab. (Das

Beispiel in Abbildung 2.3 zeigt 25 ml.) Dann fügen Sie den Stein hinzu und vergewissern sich,
dass er völlig untergetaucht ist. Nun lesen Sie das Volumen wieder ab (29 ml in Abbildung 2.3).

Der Unterschied im Volumen (4 ml) ist das Volumen des Steins.

- ���� ----

2 >- Materie und Enertjie ---•

29 ml

25 ml

0

Abbildung 2.3: Die Bestimmung des Volumens eines unregelmäßigen Festkörpers:

Das Archimedes-Prinzip

Alles mit einer Dichte, die niedriger ist als die von Wasser, schwimmt auf Wasser.

Alles mit einer Dichte, die größer ist als 1 g/ml, sinkt.

Zu Ihrem Vergnügen zeigt Tabelle 2.1 die Dichte einiger bekannter Materialien.

Substanz

Dichte

Benzin

0,68

Eis

0,92

Wasser

1,00

Tafelsalz

2,16

Eisen

7,86

Blei

1 1,38

Quecksilber

13,55

Gold

19,3

Tabelle 2.1: Dichten von typischen Festkörpern und Flüssigkeiten in glml

EnertJ.ie ( Ach1 hätte ich doch mehr darlon!)

Materie ist einer von zwei Bestandteilen des Universums. Energie ist der andere. Energie ist
die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Wenn es Ihnen so geht wie mir, dann ist Ihre Fähigkeit,

Arbeit zu verrichten, nachmittags um 17:00 Uhr ziemlich gering.

Energie kann mehrere Formen haben wie Hitzeenergie, Lichtenergie, elektrische Energie oder
mechanische Energie. Aber zwei allgemeine Kategorien von Energie sind Chemikern besonders
wichtig - kinetische und potenzielle Energie.

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---• Chemie für Dummies

Kinetische Enert)ie ist ßeuleiJ.UniJ.

Kinetische Energie ist die Energie der Bewegung. Ein Baseball, der durch die Luft in Richtung
des Schlagmanns fliegt, hat ein großes Maß an kinetischer Energie. Fragen Sie irgendjemanden, der jemals von einem Baseball getroffen wurde, und ich bin sicher, er stimmt Ihnen zu!

Chemiker studieren manchmal Teilchen, die sich bewegen, besonders bei Gasen, weil die kinetische Energie dieser Partikel hilft, zu klären, ob eine bestimmte Reaktion stattfinden kann.

Der Grund ist, dass Zusammenstöße zwischen Partikeln eine Übertragung von Energie bewirken, so dass chemische Reaktionen stattfinden können.

Die kinetische Energie kann von einem Partikel auf ein anderes übertragen werden. Haben

Sie jemals Pool-Billard gespielt? Sie übertragen kinetische Energie von Ihrem Stock auf den

Spielball und (hoffentlich) auf den Ball, auf den Sie zielen.

Kinetische Energie kann in andere Arten von Energie umgewandelt werden. In einem Staukraftwerk wird die kinetische Energie des fallenden Wassers in elektrische Energie umgewandelt.

In der Tat gibt ein wissenschaftliches Gesetz - das Gesetz der Erhaltung der Energie - an,
dass in gewöhnlichen chemischen Reaktionen (oder physikalischen Prozessen) Energie weder
geschaffen noch zerstört wird, aber aus einer Form in eine andere umgewandelt werden kann.

(Dieses Gesetz bestätigt sich nicht bei Kernreaktionen. In Kapitel S erfahren Sie, warum.)

Potenzielle Ener9ie - sitzen Sie iJ.Utl

Nehmen Sie an, dass Sie einen Ball nehmen und ihn in einen Baum hinaufwerfen, wo er stecken
bleibt. Sie gaben diesem Ball kinetische Energie mit - Energie in Bewegung, als Sie ihn warfen.

Aber wo ist diese Energie jetzt? Sie ist in die andere größere Kategorie von Energie - potenzielle Energie - umgewandelt worden.

Potenzielle Energie ist gespeicherte Energie. Es kann sein, dass Objekte potenzielle Energie in

Bezug auf ihre Position speichern lassen. Dieser Ball auf dem Baum hat aufgrund seiner Höhe
potenzielle Energie. Wenn der Ball fallen sollte, würde diese potenzielle Energie in kinetische

Energie umgewandelt. (Gehen Sie ruhig mal hinaus und schauen Sie zu.)

Potenzielle Energie, die durch die Lage eines Gegenstands definiert ist, ist nicht die einzige Art
potenzieller Energie. Tatsächlich sind die Chemiker nicht alle an einer solchen potenziellen

Energie so besonders interessiert. Chemiker sind viel interessierter an der gespeicherten Energie (potenzielle Energie) in chemischen Verbindungen, die durch die Kräfte entsteht, die Atome in ihren Bindungen halten.

Es braucht viel Energie, einen menschlichen Körper in Betrieb zu halten. Was wäre, wenn es
keine Möglichkeit gäbe, die Energie aus der Nahrung zu speichern? Sie würden die ganze Zeit
essen müssen, nur um Ihren eigenen Körper auf Betriebstemperatur zu halten (meine Frau
behauptet, dass ich sowieso die ganze Zeit esse!), aber Menschen können Energie in chemischen

Verbindungen speichern. Später, wenn wir diese Energie dann brauchen, können unsere Körper diese Verbindungen aufbrechen und die Energie wieder freigeben.

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2 > Materie und Eneujie ---·

Dasselbe gilt für die Treibstoffe, die wir überall verwenden, um unsere Häuser zu heizen und
unsere Autos zu fahren. Energie ist in diesen Treibstoffen - Benzin zum Beispiel - gespeichert
und wird freigegeben, wenn chemische Reaktionen stattfinden.

Das Messen t/on Ener9ie

Potenzielle Energie zu messen kann eine schwierige Aufgabe sein. Die potenzielle Energie eines

Balles, der in einem Baum steckt, ist mit der Masse des Balls und seiner Höhe über dem Boden
verknüpft. Die in chemischen Verbindungen enthaltene potenzielle Energie ist mit der Art der

Bindung und der Anzahl der Bindungen verknüpft, die potenziell aufbrechen können.

Es ist viel leichter, kinetische Energie zu messen. Sie können das mit einem relativ einfachen

Instrument - einem Thermometer - tun.

Temperatur und Temperaturskalen

Wenn Sie, sagen wir, die Lufttemperatur in Ihrem Garten messen, messen Sie in Wirklichkeit
die durchschnittliche kinetische Energie (die Energie der Bewegung) der Gaspartikel in Ihrem

Garten. Je schneller sich jene Partikel bewegen, desto höher ist die Temperatur.

Nun bewegen sich all die Partikel nicht mit derselben Geschwindigkeit. Manche sind sehr
schnell und manche relativ langsam, aber die meisten bewegen sich mit einer Geschwindigkeit
zwischen den zwei Extremen. Die Temperatur, die auf Ihrem Thermometer ablesbar ist, hat
mit der durchschnittlichen kinetischen Energie der Partikel zu tun.

Sie benutzen vielleicht die Fahrenheit-Skala, um Temperaturen zu messen. Aber die meisten

Wissenschaftler und Chemiker benutzen entweder die Celsius(°C)- oder Kelvin(K)-Temperaturskala. (Es gibt kein mit K verbundenes Gradsymbol.) Abbildung 2.4 vergleicht die drei Temperaturskalen mit Hilfe des Gefrierpunkts und des Siedepunkts des Wassers als Referenzpunkte.

Wie Sie aus Abbildung 2.4 ersehen können, kocht Wasser bei 100°C (373 K) und gefriert bei
ooc (273 K). Um Kelvin-Fieber zu bekommen, nehmen Sie die Celsius-Temperatur und fügen

273 hinzu. Mathematisch sieht dies so aus:

K = °C+ 273

Es kann sein, dass Sie wissen wollen, wie man von Fahrenheit in Celsius umwandelt, (weil Sie
manchmal mit °F konfrontiert werden.) Hier sind die Gleichungen, die Sie brauchen:

°C = 5/9 (°F - 32)

Achten Sie darauf, vor dem Multiplizieren mit 5/9 die 32 von Ihrer Fahrenheit-Temperatur zu
subtrahieren.

---- 4 7 -

---• Chemie für Dummies

Fahrenheit (°F)

Kelvin (K)

-- 212°F
des Wassers

-- 1 ooac

-- 373 K

Gefrierpunkt

-- 273 K
des Wassers

Abbildung 2.4: Vergleich der Temperaturskalen Fahrenheit, Celsius und Kelvin

Achten Sie darauf, Ihre Celsius-Temperatur mit 9/5 zu multiplizieren und dann 32 hinzuzufügen.

Also los - probieren Sie diese Gleichungen einmal aus, indem Sie verifizieren, dass die normale

Körpertemperatur von 37°C dasselbe wie 98,6°F ist.

In diesem Buch benutze ich meistens die Celsius-Skala. Aber, wenn ich das Verhalten von

Gasen bescheibe, benutze ich die Kelvin-Skala.

Zählen f/on Kalorien

Wenn Sie das Wort Kalorien hören, denken Sie bestimmt an Nahrungs- und Zählkalorien.

Nahrung enthält Energie (Wärme). Das Maß dieser Energie ist die Nährkalorie, die in

Wirklichkeit eine Kilokalorie (kcal) ist. Das Bonbon, das Sie gerade gegessen haben, enthält

300 Nährkalorien, was 300 kcal oder 300.000 Kalorien entspricht. Es kann sein, dass es

Ihnen, wenn Sie das bedenken, etwas leichter fällt, der Bonbon-Versuchung zu widerstehen.

Fühlen Sie die Wärme

Wärme ist nicht das Gleiche wie Temperatur. Wenn Sie die Temperatur von etwas messen,
messen Sie die durchschnittliche kinetische Energie der einzelnen Partikel. Wärme ist andererseits ein Maß der Gesamtsumme der Energie, die eine Substanz besitzt. Zum Beispiel

- 4s ----

2 >- Materie und Ener9ie ---
können ein Glas Wasser und ein Schwimmbad dieselbe Temperatur haben, aber sie enthalten
sehr verschiedene Wärmemengen. Man braucht viel mehr Energie, um die Temperatur eines

Schwimmbads um 5°C zu erhöhen, weil viel mehr Wasser im Schwimmbad ist.

Die Einheit der Wärme im SI-System ist das Joule (1). Die meisten von uns verwenden immer
noch die metrische Einheit von Wärme, die Kalorie (cal). Hier ist die Beziehung zwischen den
bei den:

1 Kalorie = 4,184 Joule

Die Kalorie ist ein ziemlich kleines Maß an Wärme - der Betrag, den man braucht, um die

Temperatur von 1 Gramm Wasser um 1 oc anzuheben. Ich verwende oft die Kilokalorie (kcal),
was 1 .000 Kalorien entspricht, als eine praktische Einheit der Wärme. Wenn Sie ein großes

Küchenstreichholz völlig verbrennen, produziert es etwa 1 Kilokalorie (1.000 cal) Wärme.

Kleiner als ein Atom?

Die Struktur des Atoms
ln diesem Kapitel

Einen Blick auf die Teilchen werfen, aus denen ein Atom besteht

Etwas über Isotope und Ionen erfahren

Die Elektronenkonfigurationen verstehen

Die Bedeutung der Valenzelektronen entdecken

I eh erinnere
hörte.

mich

Meine
daran,

Lehrer
wie ich
nannten als
sie Kind in der

Bausteine,

Schule
und wir zum ersten
verwendeten Mal
in etwas
der
über

Tat

Ato

Klötze me
und

Legosteine, um Atome darzustellen. Ich erinnere mich auch daran, dass man sagte, Atome seien
so klein, dass niemand jemals eins sehen würde. Stellen Sie sich meine Überraschung einige

Jahre später vor, als die ersten Bilder von Atomen erschienen. Sie waren nicht sehr detailliert,
aber sie veranlassten mich, innezuhalten und darüber nachzudenken, wie weit Wissenschaft
inzwischen gekommen war. Ich staune heute noch, wenn ich Bilder von Atomen sehe.

In diesem Kapitel erzähle ich Ihnen von Atomen, den Grundbausteinen des Universums. Ich
behandele die drei Grundpartikel eines Atoms - Protonen, Neutronen und Elektronen - und
zeige Ihnen, wo sie sind. Und ich spendiere ein paar Seiten für die Elektronen, da chemische

Reaktionen (wobei viel Chemie ins Spiel kommt) mit dem Verlust, dem Gewinn oder der Verteilung von Elektronen zusammenhängen.

Subatomare Teilchen: So, das ist also ein Atom

Das Atom ist der kleinste Teil der Materie eines speziellen Elementes. Eine Zeit lang nahm man
an, das Atom sei der kleinste existierende Teil der Materie. Aber Ende des neunzehnten und

Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts entdeckten Wissenschaftler, dass Atome aus bestimmten
subatomaren Teilchen bestehen, und dass ganz gleich, um welches Element es sich handelt,
ein Atom immer aus den gleichen Teilchen besteht. Die Anzahl der verschiedenen subatomaren

Partikel ist der einzige Unterschied zwischen den Elementen.

Wissenschaftler wissen heute, dass es viele subatomare Partikel gibt (dem Physiker läuft jetzt
das Wasser im Mund zusammen). Für den Erfolg in Chemie benötigen Sie tatsächlich jedoch
nur die subatomaren Haupt-Teilchen:

V Protonen

V Neutronen

V Elektronen

---- 5 1 -

---• Chemie für Dummies

Tabelle 3.1 fasst die Merkmale dieser drei subatomaren Teilchen zusammen.

Name

Symbol

Ladung

Masse (g)

Masse (amu)

Ort

Proton

P+

+1

1,673 X 10-24

1

Kern

Neutron

NO

0

1,673 X }0·24

1

Kern

Elektron
e·

-1

9,109 X 10·28

0,0005
außerhalb des Kerns

Tabelle 3.1: Die drei größeren subatomaren Teilchen

In Tabelle 3.1 sind die Massen der subatomaren Partikel auf zwei Arten angegeben: Gramm und
amu, das für atomare Masseneinheiten steht. Es ist leichter, die Masse in amu als in Gramm
auszudrücken.

Atomare Masseneinheiten basieren auf der Kohlenstoff-12-Skala, einem weltweiten Standard,
der für Atomgewichte übernommen wurde. Durch internationale Vereinbarung hat ein Kohlenstoff-Atom, das 6 Protonen und 6 Neutronen enthält, ein Atomgewicht von genau 12 amu, so dass 1 amu I!Jz dieses Kohlenstoff-Atoms entspricht. Okay, was haben das Kohlenstoff-Atom
und die Nummer 12 nun eigentlich zu bedeuten? Vertrauen Sie mir nur. Weil die Masse in

Gramm von Protonen und Neutronen fast genau gleich ist, sollen sowohl Protonen als auch

Neutronen eine Masse von 1 amu haben. Beachten Sie, dass die Masse eines Elektrons viel
kleiner als die eines Protons oder Neutrons ist. Man braucht fast 2.000 Elektronen, um die

Masse eines einzelnen Protons zu erreichen.

Tabelle 3.1 zeigt ferner die mit jedem subatomaren Teilchen verbundene elektrische Ladung.

Materie kann zwei Arten von elektrischer Ladung besitzen: positive oder negative Ladung. Das

Proton besitzt eine Einheit positiver Ladung, das Elektron eine Einheit negativer Ladung, und
das Neutron hat keine Ladung - es ist neutral.

Wissenschaftler haben durch Beobachtung festgestellt, dass Teilchen gleicher Ladung, ob positiv oder negativ, einander abstoßen. Teilchen mit ungleichen Ladungen ziehen sich jedoch an.

Das Atom selbst hat (von außen gesehen) keine Ladung. Es ist neutral. (In Kapitel 6 wird
erklärt, dass spezielle Atome Elektronen gewinnen oder verlieren und dadurch eine Ladung
erwerben können. Atome, die eine Ladung, ob positiv oder negativ, besitzen, werden Ionen
genannt.) Nun, wie kann ein Atom neutral sein, wenn es positiv geladene Protonen und negativ
geladene Elektronen enthält? Gute Frage! Die Antwort ist, dass sich bei gleicher Anzahl von

Protonen und Elektronen - d.h. gleiche Anzahl von positiven und negativen Ladungen - deren

Wirkung nach außen hin aufhebt.

Die letzte Spalte in Tabelle 3.1 zeigt den Ort der drei subatomaren Partikel im Atom. Protonen
und Neutronen befinden sich im Kern, einem dichten zentralen Inneren in der Mitte des Atoms,
während sich die Elektronen außerhalb des Kerns befinden (siehe Wo sind denn nun diese

Elektronen? später in diesem Kapitel).

- s2 ----

-------- 3 >- Kleiner als ein Atom? Die Struktur des A toms ---·

Der Kern: Mittelpunkt

Im Jahr 1911 entdeckte Ernest Rutherford, dass Atome einen Kern bzw. ein Zentrum haben, das

Protonen enthält. Wissenschaftler entdeckten später, dass der Kern auch Neutronen enthält.

Der Kern ist sehr, sehr klein und sehr, sehr dicht, wenn man ihn mit dem Rest des Atoms vergleicht. Normalerweise haben Atome einen Durchmesser von etwa 10-10 Meter. (Das ist ziemlich klein!) Kerne sind dabei etwa 10-15 Meter im Durchmesser. (Das ist nun wirklich winzig!). Wenn
zum Beispiel das Superdome in New Orleans ein Wasserstoff-Atom darstellte, dann hätte der

Kern die Größe einer Erbse.

Die Protonen eines Atoms sind alle zusammen im Kern zusammengepresst. Nun könnte es
sein, dass einige von Ihnen denken, »Okay, jedes Proton trägt eine positive Ladung, also stoßen
sich Protonen voneinander ab. Wenn aber all die Protonen einander abstoßen, warum fliegt
der Kern nicht einfach auseinander?« Nun, die Macht ist mit ihnen, Luke! Die Kräfte im Kern
wirken dieser Abstoßung entgegen und halten den Kern zusammen. (Physiker nennen diese

Kräfte Kernkräfte. Aber diese Kräfte sind nicht immer stark genug, so dass der Kern manchmal
tatsächlich auseinander bricht. Dieser Prozess heißt Radioaktivität. )

Der Kern ist nicht nur sehr klein, sondern enthält auch die meiste Masse des Atoms. In der

Tat ist die Masse des Atoms praktisch die Summe der Massen der Protonen und Neutronen.

(Ich ignoriere die winzige Masse der Elektronen, es sei denn, ich mache sehr, sehr genaue

Berechnungen.)

Die Summe aus der Anzahl von Protonen und der Anzahl von Neutronen in einem Atom wird
die Massenzahl genannt. Und die Anzahl von Protonen in einem speziellen Atom hat ebenso
einen speziellen Namen, die Kernladungszahl. Chemiker verwenden üblicherweise die Bezeichnungen in Abbildung 3.1, um ein spezielles Element darzustellen.

M assenzahl

(p+ + nD)

Elem e ntsymbol

Abbildung 3.1: Die Darstellung eines bestimmten Elements

Wie in Abbildung 3.1 gezeigt, verwenden Chemiker den Platzhalter X, um das chemische Symbol darzustellen. Sie können das chemische Symbol eines Elements im Periodensystem der Elemente finden (siehe Tabelle 3.2 für eine Liste der Elemente). Der Platzhalter Z repräsentiert
die Kernladungszahl - die Anzahl von Protonen im Kern. A ist die Massenzahl, also die Summe
der Anzahl von Protonen und Neutronen. Die (auch Atomgewicht genannte) Massenzahl ist
in amu aufgeführt.

--- 53

Chemie für Dummies

Nehmen Sie an, Sie wollen Uran darstellen. Sie können sich das Periodensystem der Elemente
oder eine Liste von Elementen wie die in Tabelle 3.2 anschauen und feststellen, dass das Symbol
für Uran U, seine Kernladungszahl 92 und seine Massenzahl 238 ist.

Name

Kernla-

Massenzahl Name

Symbol Kernla-

Massenzahl
dungszahl
dungszahl

Actinium

Ac

89

227,028

Gold

Au

79

196,967

Aluminium

Al

13

26,982

Hafnium

Hf

72

178,49

Americium

Am

95

243

Hassium

Hs

108

265

Antimon

Sb

51

121,76

Helium

He

2

4,003

Argon

Ar

18

39,948

Holmium

Ho

67

164,93

Arsen

As

33

74,922

Indium

In

49

1 14,82

Astat

At

85

210

Iridium

Ir

77

192,22

Barium

Ba

56

137,327

Jod

53

126,905

Berkelium

Bk

97

247

Kalium

K

19

39,098

Beryllium

Be

4

9,012

Kalzium

Ca

20

40,078

Blei

Pb

82

207,2

Kobalt

Co

27

58,933

Bohrium

Bh

107

262

Kohlenstoff
c

6

12,011

Bor

B

5

10,811

Krypton

Kr

36

83,8

Brom

Br

35

79,904

Kupfer

Cu

29

63,546

Cadmium

Cd

48

1 12,411

Lanthan

La

57

138,906

Californium

Cf

98

251

Lawrencium

Lr

103

262

Cäsium

Cs

55

132,905

Lithium

Li

3

6,941

Cerium

Ce

58

58140,115

Lutetium

Lu

71

174,967

Chlor

Cl

17

35,453

Magnesium

Mg

12

24,305

Chrom

Cr

24

51,996

Mangan

Mn

25

54,938

Curium

Cm

96

247

Meitnerium

Mt

109

266

Dubnium

Db

105

262

Mendelevium Md

101

258

Dysprosium

Dy

66

162,5

Molybdän

Mo

42

95,94

Einsteinium

Es

99

252

Natrium

Na

11

22,990

Eisen

Fe

26

55,845

Neodym

Nd

60

144,24

Erbium

Er

68

167,26

Neon

Ne

10

20,180

Europium

Eu

63

151,964

Neptunium

Np

93

237,048

Fermium

Fm

100

257

Nickel

Ni

28

58,69

Fluor

F

9

18,998

Niob

Nb

41

92,906

Francium

Fr

87

223

Nobelium

No

102

259

Gadolinium

Gd

64

157,25

Osmium

Os

76

190,23

Gallium

Ga

31

69,723

Palladium

Pd

46

106,42

Germanium

Ge

32

72,61

Phosphor
p

15

30,974

- 511

3 >- Kleiner als ein Atoml Die Struktur des Atoms

Name

Symbol Kernla-

Massenzahl Name

Symbol Kernla-

Massenzahl
dungszahl
dungszahl

Platin

Pt

78

195,08

Stickstoff

N

7

14,007

Plutonium

Pu

94

244

Strontium

Sr

38

87,62

Polonium

Po

84

209

Tantal

Ta

73

180,948

Praseodym

Pr

59

140,908

Technetium

Tc

43

98

Promethium

Pm

61

145

Tellur

Te

52

127,60

Protactinium

Pa

91

231,036

Terbium

Tb

65

158,925

Quecksilber

Hg

80

200,59

Thallium

Tl

81

204,383

Radium

Ra

88

226,025

Thorium

Th

90

232,038

Radon

Rn

86

222

Thulium

Tm

69

168,934

Rhenium

Re

75

186,207

Titan

Ti

22

47,88

Rhodium

Rh

45

102,906

Uran
u

92

238,029

Rubidium

Rb

37

85,468

Vanadium

V

23

50,942

Ruthenium

Ru

44

101,07

Wasserstoff

H

1

1,0079

Rutherfordium Rf

104

261

Wismut

Bi

83

208,980

Samarium

Sm

62

150,36

Wolfram
w

74

183,84

Sauerstoff

0

8

15,999

Xenon

Xe

54

131,29

Scandium

Sc

21

44,956

Ytterbium

Yb

70

173,04

Schwefel
s

16

32,066

Yttrium
y

39

88,906

Seaborgium

Sg

106

263

Zink

Zn

30

65,39

Selen

Se

34

78,96

Zinn

Sn

50

118,71

Silber

Ag

47

107,868

Zirkonium

Zr

40

91,224

Silizium

Si

14

28,086

Tabelle 3.2: Die Elemente

Also können Sie Uran wie in Abbildung 3.2 darstellen.

Abbildung 3.2: Die Darstellung von Uran

Sie wissen, dass Uran eine Kernladungszahl von 92 (Anzahl der Protonen) und Massenzahl von

238 (Protonen plus Neutronen) hat. Wenn Sie nun die Anzahl der Neutronen des Urans wissen
wollen, ist alles, was Sie tun müssen, die Kernladungszahl (92 Protonen) von der Massenzahl

(238 Protonen plus Neutronen) zu subtrahieren. Das Ergebnis: Uran hat 146 Neutronen.

Aber wie viele Elektronen hat das Uran? Weil das Atom neutral ist (es also nach außen keine
elektrische Ladung aufweist), muss es die gleiche Anzahl von positiven und negativen La-

---- ss -

---• Chemie für Dummies
dungen bzw. die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen besitzen. Also gibt es in jedem

Uran-Atom 92 Elektronen.

Wo sind nun diese Elektronen J

Frühe Modelle des Atoms zeigten Elektronen, die den Kern mehr oder weniger zufällig umkreisten. Als die Wissenschaftler aber das Atom besser kennen lernten, stellten sie fest, dass dies wahrscheinlich nicht genau richtig ist. Heute sind zwei Modelle atomarer Struktur üblich:

das Bohr-Modell und das quantenmechanische Modell. Das Bohr-Modell ist einfach und relativ
leicht zu verstehen; das quantenmechanische Modell basiert auf viel Mathematik und ist etwas
schwerer zu verstehen. Beide Modelle sind jedoch dabei hilfreich, das Atom zu verstehen, so
dass ich in den folgenden Abschnitten beide Modelle erklären möchte (ohne zu viel Mathe zu
verwenden).

Ein Modell ist nützlich, weil es dabei hilft, zu verstehen, was man in der Natur
beobachten kann. Es ist nicht so ungewöhnlich, mehr als ein Modell zu benutzen,
um einen speziellen, komplizierten Sachverhalt zu beschreiben.

Das ßohr'sche Modelt - überhaupt nicht lantJu!eilit}

Haben Sie schon einmal Farbkristalle für Ihren Kamin gekauft, um Flammen in verschiedenen

Farben zu erzeugen? Oder haben Sie schon einmal ein Feuerwerk beobachtet und sich gefragt,
woher die Farben kommen?

Farbe kommt von verschiedenen Elementen. Wenn Sie Tafelsalz oder irgendein anderes Salz,
das Natrium enthält, ins Feuer werfen, bekommen Sie eine gelbe Farbe (nicht Sie, das Feuer!).

Salze, die Kupfer enthalten, geben der Flamme ein grünliches Blau. Und wenn Sie sich die

Flammen durch ein Spektroskop (ein Instrument, das ein Prisma verwendet, um das Licht in
seine verschiedenen Bestandteile aufzulösen) anschauen, sehen Sie eine Anzahl von verschiedenen Farblinien. Diese klaren Farblinien bilden das Linienspektrum.

Niels Bohr, ein dänischer Wissenschaftler, erklärte dieses Linienspektrum, als er ein Modell
für das Atom entwickelte.

Nach der Vorstellung Bohrs umkreisen die Elektronen in Atomen den Kern auf verschiedenen

Umlaufbahnen mit unterschiedlicher Energie (denken Sie an die Planeten, die um die Sonne
kreisen). Bohr verwendete den Ausdruck Energieniveau (oder Elektronenschalen), um diese

Kreise unterschiedlicher Energie zu beschreiben. Und er sagte, dass die Energie eines Elektrons
gequantelt ist, das heißt, dass Elektronen dieses oder jenes Energieniveau haben können, aber
kein Niveau dazwischen.

Das Energieniveau, das ein Elektron normalerweise annimmt, wird sein Grundzustand genannt. Aber dieses kann sich zu einer höheren, weniger stabilen Energie, durch Absorption von Energie, verändern. Diese höhere Energie wird angeregter Zustand genannt.

- s6 ----

-------- 3 � Kleiner als ein AtomJ Die Struktur des Atoms ---•

Wenn ein Elektron einmal angeregt ist, kann es durch Freigabe der Energie, die es absorbiert
hat (siehe Abbildung 3.3), in seinem Grundzustand zurückkehren. Hier nun kommt die Erklärung mit Hilfe des Linienspektrums ins Spiel. Manchmal entspricht die von den angeregten Elektronen freigegebene Energie einem Teil des elektromagnetischen Spektrums (d.h. der

Wellenlänge der entsprechenden Energie) des sichtbaren Lichts, und der Mensch nimmt dies
als farbiges Licht wahr. Kleine Veränderungen im Energiebetrag bedeuten hierbei, dass man
verschiedene Farben wahrnimmt.

angeregter Zustand

Energieaufnahme

G rundzustand

Abbildung 3.3: Grundzustand und angeregter Zustand im Bohr'schen Modell

Bohr stellte fest, dass ein Elektron umso weniger Energie benötigt, je näher es sich am Kern
befindet. Ist es dagegen auf einer »Umlaufbahn«, die weiter vom Kern entfernt ist, benötigt
es mehr Energie. Also nummerierte Bohr die Energieniveaus des Elektrons. Je höher die

Energieniveaunummer, desto weiter das Elektron also vom Kern entfernt ist, desto höher die
entsprechende Energie.

Bohr stellte auch fest, dass die verschiedenen Energieniveaus verschiedene Anzahlen an Elektronen enthalten können: Energiestufe 1 kann bis zu zwei Elektronen halten, Energiestufe 2
kann bis zu acht Elektronen usw.

Das Bohr-Modell funktioniert bei sehr einfachen Atomen wie Wasserstoff (der ein Elektron
hat) ganz gut, aber nicht bei komplexeren Atomen. Obwohl es das Bohr-Modell immer noch
gibt und es besonders in Grundlehrbüchern immer noch verwendet wird, wird heute ein höher entwickeltes (und komplexeres) Modell - das quantenmechanische Modell - viel häufiger verwendet.

Quantenmechanisches Modell

Das einfache Bohr-Modell war nicht in der Lage, Beobachtungen komplexerer Atome zu erklären. Folglich entwickelte man ein komplexeres, hochmathematisches Modell atomarer Struktur - das quantenmechanische Modell.

---- 57 -

---• Chemie für Dummies

Dieses Modell basiert auf der Quantentheorie, die sagt, dass Materie auch Welleneigenschaften
besitzt. Nach der Quantentheorie ist es unmöglich, zu derselben Zeit die genaue Position und
den genauen Impuls (Ort und Geschwindigkeit) eines Elektrons zu messen. Dies ist als das

Unschärfeprinzip bekannt. So mussten Wissenschaftler Bohrs Umkreisungen durch Orbitale

(manchmal auch Elektronenwolken genannt) ersetzen, d.h. durch Räume, in denen es mit
einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein Elektron gibt. Mit anderen Worten, es wurde Gewissheit
durch Wahrscheinlichkeit ersetzt.

Das quantenmechanische Modell des Atoms verwendet komplexe Formen von Orbitalen anstelle Bohrs einfacher kreisförmiger Aufenthaltsorte für Elektronen. Ohne viel Mathematik (bitte, gern' geschehen) zeigt dieser Abschnitt Ihnen einige Aspekte dieses neuesten Atommodells.

Es wurden vier Quantenzahlen eingeführt, um die Merkmale von Elektronen und ihrer Orbitale
zu beschreiben. Sie müssen zugeben, ein paar Spitzen-High-Tech-Namen sind das schon:

V Hauptquantenzahl n

V Nebenquantenzahl t (od. Bahndrehimpulsquantenzahl)

v Magnetquantenzahl m1
v Spinquantenzahl ms

Tabelle 3.3 fasst die vier Quantenzahlen zusammen. Alle zusammen bilden für den theoretischen Chemiker eine recht gute Beschreibung der Merkmale eines speziellen Elektrons.

Name

Symbol

Beschreibung

Erlaubte Werte

Haupt
n

Orbitale Energie

Positive ganze Zahlen (1, 2, 3 usw.)

Bahndrehimpuls

Orbitale Form

Ganze Zahlen von 0 bis n-1

Magnet
mi

Orientierung

Ganze Zahlen von -I bis 0 bis +I

Spin
ms

Elektronenspin

+Yl oder -Yl

Tabelle 3.3: Zusammenfassung der Quantenzahlen

Die Hauptquantenzahl n

Die Hauptquantenzahl n beschreibt den durchschnittlichen Abstand der Orbitale vom Kern und die Energie des Elektrons in einem Atom. Sie ist fast die gleiche wie Bohrs Energieniveauzahl. Sie kann positive ganze Zahlen als Werte annehmen: 1, 2, 3, 4 usw. Je größer der Wert von n ist, desto höher ist die Energie und desto größer ist auch das Orbital. Chemiker nennen
die Orbitale manchmal auch Elektronenschalen.

Die Nebenquantenzahl t

Die Nebenquantenzahl l beschreibt die Form der Orbitale, und die Form wird von der Hauptquantenzahl n beschränkt: Die Nebenquantenzahl t kann positive ganze Zahlenwerte von 0 bis n-1 haben. Zum Beispiel, wenn der Wert n 3 ist, sind drei Werte für I erlaubt: 0, 1 und 2.

- ss ----

-------- 3 > Kleiner als ein Atom? Die Struktur des Atoms ---•

� Der Wert von I definiert die Form der Orbitale, der Wert von n die Größe.

Orbitale, die denselben Wert n besitzen, aber verschiedene Werte von I, werden auch Unterschalen genannt. Diesen Unterschalen werden verschiedene Buchstaben zugeordnet, um den Chemikern zu helfen, sie voneinander zu unterscheiden. Tabelle 3.4 zeigt die Buchstaben, die
den verschiedenen Werten von I entsprechen.

Wert von I (Unterschale)

Buchstabe

0
s

1
p

2
d

3
f

4
g

Tabelle 3.4: Buchstaben-Kennzeichnung der Unterschalen

Wenn Chemiker eine besondere Unterschale in einem Atom beschreiben, können sie sowohl
den Wert n als auch den Unterschalenbuchstaben verwenden - 2p, 3d usw. Normalerweise
ist der Wert 4 der größte, der für die Beschreibung einer Unterschale gebraucht wird. Wenn

Chemiker einmal einen größeren Wert benötigen, können sie Unterschalenzahlen und Buchstaben erzeugen.

Abbildung 3.4 zeigt die Formen der s-, p- und d- Orbitale.

In Abbildung 3.4 (a), gibt es zwei s-Orbitale - eins für Energieniveau 1 (1s) und das andere für
das Energieniveau 2 (2s). s-Orbitale sind sphärisch verteilt, mit dem Atomkern im Zentrum.

Beachten Sie, dass das 2s-Orbital einen größeren Durchmesser besitzt als das 1s-Orbital. In
großen Atomen ist das ls-Orbital vom 2s-Orbital umhüllt, genau wie das 2p sich im 3p eingenistet hat. Das Gleiche gilt für das 2p-Orbital - es ist vom 3p-Orbital umhüllt.

Abbildung 3.4 (b) zeigt die Formen des p-Orbitals, und Abbildung 3.4 (c) zeigt die Formen des
d-Orbitals. Beachten Sie, dass die Formen fortschreitend komplexer werden.

Die MatJnetl{utmtenzahf m1

Die Magnetquantenzahl m1 beschreibt, welche Orientierung die Orbitale im Raum besitzen. Der

Wert von m1 hängt vom Wert von l ab. Die erlaubten Werte sind ganze Zahlen von -1 bis 0 bis

+1. Wenn zum Beispiel der Wert von I = 1 (p-Orbital - siehe Tabelle 3.4), kann m1 drei Werte
annehmen: -1, 0 und +1. Dies bedeutet, dass es für ein Orbital drei verschiedene p-Unterschalen
gibt. Die Unterschalen besitzen dieselbe Energie, aber verschiedene Raumorientierungen.

Abbildung 3.4 (b) zeigt, wie die p-Orbitale im Raum orientiert sind. Beachten Sie, dass die
drei p-Orbitale den m1-Werten -1, 0 und +1 entsprechen und sich in Richtung der x-, y- und
z-Achsen orientieren.

---- 59 -

---• Chemie für Dummies
a
z
z

X
y

1 s

2s
b
z
z
z

X
y

X
y

X
y
c
z
z
z

X
y

X
y

X
y
z
z

X
y

X
y

Abbildung 3.4: Formen der s-, p- und d-Orbitale

- 60 -====

-------- 3 > Kleiner als ein Atom.> Die Struktur des Atoms ---•

Die Spint(uantenzahl ms

Die vierte und letzte Quantenzahl (ich weiß, jetzt mache ich Sie glücklich ... ) ist die Spinquantenzahl m,. Diese beschreibt die Richtung, in der sich das Elektron in einem magnetischen Feld dreht, entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. m, kann nur zwei Werte
annehmen: +\12 oder -\12. Für jede Unterschale kann es nur zwei Elektronen geben, eines mit
dem Spin +\12 und ein anderes mit dem Spin -\12.

Wenn Sie alle Zahlen zusammennehmen, was kommt dann rausJ

(Eine hübsche Tabelle)

Ich weiß, dieses Quantennummernzeugs bringt Wissenschaftsmuffel zum Sabbern und normale Menschen zum Gähnen. Wenn nun aber der Fernseher kaputt ist und Sie etwas Zeit totschlagen wollen, werfen Sie doch mal einen kurzen Blick auf Tabelle 3.5. Sie können die

Quantenzahlen für jedes Elektron in den ersten zwei Energieniveaus überprüfen.

n

Unterschale
ml
m,

1

0

1s

0

+Yl, -Yl

2

0

2s

0

+Yl, -Yl

1

2p

-1

+Yl, -Yl

0

+Yl, -Yl

+1

+Yl, -Yl

Tabelle 3.5: Quantenzahlen für die ersten zwei Energieniveaus

Tabelle 3.5 zeigt, dass es im Energieniveau 1 (n = 1) nur ein s-Orbital gibt. Es gibt kein p-Orbital, weil ein I-Wert von 1 (p-Orbital) nicht erlaubt ist. Beachten Sie auch, dass es nur zwei Elektronen in diesem 1s-Orbital geben kann, (m, von +\12 und -\12). Tatsächlich kann es nur
zwei Elektronen in jedem s-Orbital geben, ob es 1s oder Ss ist.

Wenn Sie sich von Energieniveau 1 zu Energieniveau 2 (n = 2) bewegen, kann es sowohl s- als
auch p-Orbitale geben. Wenn Sie die Quantenzahlen für Energiestufe 3 alle hinschreiben, sehen

Sie s-, p- und d-Orbitale. Jedes Mal, wenn Sie in ein höheres Energieniveau gehen, fügen Sie
eine andere Orbital-Art hinzu.

Beachten Sie auch, dass es drei Unterschalen (ml) für das 2p-Orbital gibt (siehe Abbildung 3.4

(b)), und das macht je ein Maximum von zwei Elektronen. Die drei 2p-Unterschalen können
also maximal sechs Elektronen enthalten.

Es gibt einen Energieunterschied zwischen den größeren Energieniveaus (Energieniveau 2
bedeutet mehr Energie als Energieniveau 1), aber es gibt auch einen Unterschied zwischen den

Energien in den Orbitalen innerhalb eines Energieniveaus. Auf Energiestufe 2 sind sowohl s- als
auch p-Orbitale vorhanden. Aber das 2s hat weniger Energie als das 2p. Die drei Unterschalen
des 2p-Orbitals haben dieselbe Energie. Ebenso haben die fünf Unterschalen des d-Orbitals

(siehe Abbildung 3.4 (c)) dieselbe Energie.

Okay. Genug davon.

---- 6 1 -

Etektronenkon(itJ.urationen (Das Bett der Elektronen)

Chemiker finden Quantenzahlen nützlich, wenn sie sich chemische Reaktionen und Verbindungen ansehen (das sind die Dinge, mit denen sich die Chemiker besonders gerne befassen).

Sie arbeiten jedoch lieber mit zwei anderen Darstellungen der Elektronen, weil sie sie für
leichter und nützlicher halten.

V Energieniveaudiagramme

V' Elektronenkonfigurationen

Chemiker verwenden beide Darstellungen, um zu zeigen, welches Energieniveau, welche Unterschale und welches Orbital von Elektronen in jedem speziellen Atom besetzt wird. Chemiker verwenden diese Information, um vorherzusagen, welche Bindungsart auftreten wird und
welche Elektronen hierzu gebraucht werden. Diese Darstellungen bewähren sich auch, wenn
man zeigen möchte, warum sich bestimmte Elemente ähnlich verhalten.

In diesem Abschnitt zeige ich Ihnen, wie man ein Energieniveaudiagramm anwenden und

Elektronenkonfigurationen aufschreiben kann.

Das tJefürchtete EnertJienifleaudiatJramm

Abbildung 3.5 zeigt ein leeres Energieniveaudiagramm, mit dem Sie Elektronen für jedes spezielle Atom beschreiben können. Sie sehen zwar nicht die bekannten Orbitale und Unterschalen.

Aber mit diesem Diagramm sollten Sie in der Lage sein, alles zu tun, was Ihnen als Chemiker so
einfällt. (Wenn Sie keine Ahnung haben, was Orbitale, Unterschalen oder all jene Zahlen und

Buchstaben mit dem Preis von Bohnen zu tun haben, schauen Sie doch mal in das »quantenmechanische Modell« weiter vorne in diesem Kapitel. Macht Spaß, sag ich Ihnen.) 5p- - -

5s-

4d- - - - -

4p- - - 3d- - - - -

:::>

4s-

"'

Q)

>

3p- - -

·;::

-�

3s-

�

Q)

�

2p- - -

2s-
l s-

Abbildung 3.5: Diagramm der Energieniveaus

- 62 ----

-------- 3 � Kleiner als ein AtomJ Die Struktur des A toms ---•

Ich stelle Orbitale durch Striche dar, in denen Sie maximal zwei Elektronen unterbringen
können. Das ls-Orbital ist dem Kern am nächsten und hat darum die niedrigste Energie. Es ist
auch das einzige Orbital in Energiestufe 1 (siehe Tabelle 3.5.) Auf Energiestufe 2 gibt es sowohl
s- als auch p-Orbitale, wobei 2s eine niedrigere Energie als 2p hat. Die drei 2p-Unterschalen
werden von drei Strichen derselben Energie dargestellt. Die Energieniveaus 3, 4 und 5 werden
auch gezeigt. Beachten Sie, dass 4s eine niedrigere Energie als 3d hat: Dies weicht vielleicht
von Ihrer Erwartung ab, aber es lässt sich halt in der Natur so beobachten. Abbildung 3.6 zeigt
das »Aufbauprinzip«.

Abbildung 3.6: Diagramm zum Aufbauprinzip

Beim Verwenden des Energieniveaudiagramms denken Sie bitte an zwei Dinge:

V Elektronen füllen die niedrigsten freien Energieniveaus zuerst.

V Wenn es mehr als eine Unterschale in einem speziellen Energieniveau wie

3p oder 4d gibt, besetzt nur ein Elektron die jeweilige Unterschale (siehe Abbildung 3.5), bis jede Unterschale mit einem Elektron besetzt ist. Dann erst beginnen Elektronen, in jeder Unterschale Paare zu bilden. Diese Regel heißt
auch Hund 'sehe Regel.

Nehmen wir an, dass Sie das Energieniveaudiagramm des Sauerstoffs zeichnen wollen. Sie
schauen in das Periodensystem oder eine Elementliste und stellen fest, dass Sauerstoff Atomnummer 8 hat. Diese Zahl bedeutet, dass Sauerstoff 8 Protonen in seinem Kern und 8 Elektronen hat. Also platzieren Sie 8 Elektronen in Ihr Energieniveaudiagramm. Sie können Elektronen als Pfeile darstellen (siehe Abbildung 3.7) . Man beachte, dass, wenn zwei Elektronen in einem Orbital liegen, ein Pfeil nach oben, der andere nach unten zeigt (dies wird Spinpaar
genannt. Es entspricht den Spinquantenzahlen +lh und -Yz von m5, wie früher in diesem

Kapitel erläutert).

Das erste Elektron geht in das ls-Orbital, also das niedrigste Energieniveau, das zweite bildet
ein Spinpaar mit dem ersten. Elektronen 3 und 4 bilden ein Paar im nächstniedrigen freien Orbital - dem 2s-Orbital. Elektron 5 geht in eine der 2p-Unterschalen (nein, es ist nicht wichtig, welche - sie haben alle dieselbe Energie), und Elektronen 6 und 7 gehen in die anderen zwei

---- 63 -

---• Chemie für Dummies
völlig freien 2p-Orbitale (denken Sie bitte noch einmal an die beiden oben erwähnten Dinge).

Das letzte Elektronenpaar bildet sich mit einem der Elektronen in den 2p-Unterschalen. (Wieder ist es nicht wichtig, mit welchem Elektron das Paar gebildet wird.) Abbildung 3. 7 zeigt das fertige Energieniveaudiagramm für den Sauerstoff.

5p - - -

4d- - - - -

5s- 4p- - -

3d- - - - -

:::l

"'

4s -

Q)

>

3p - - -

·c;

3s-

Q)

c::

w

2pH l_ l_

2sH

Abbildung 3. 7: Energieniveaudiagramm für Sauerstoff

ElektronenkonfitJurationen: Leicht und Platz sparend

Energieniveaudiagramme sind nützlich, wenn man chemische Reaktionen und Verbindungen
verstehen möchte, aber für die regelmäßige Arbeit sind sie noch zu unhandlich. Wäre es nicht
toll, wenn es eine andere Darstellung gäbe, die nahezu dieselbe Information liefert, aber in
einer viel bequemeren, stenografieähnlichen Form? Nun, es gibt diese. Sie heißt Elektronenkonfiguration.

Die Elektronenkonfiguration für Sauerstoff ist ls22s22p4• Vergleichen Sie diese Schreibweise
mit dem Energieniveaudiagramm für Sauerstoff in Abbildung 3.7. Nimmt die Elektronenkonfiguration nicht viel weniger Platz ein? Sie können die Elektronenkonfiguration aus dem Energieniveaudiagramm ableiten. Die ersten zwei Elektronen des Sauerstoffs füllen das ls

Orbital, so dass Sie es als ls2 in der Elektronenkonfiguration zeigen können. Die 1 ist das

Energieniveau, das s stellt die Art des Orbitals dar und die hochgestellte 2 zeigt die Anzahl der

Elektronen darin. Die nächsten zwei Elektronen sind im 2s-Orbital, so dass Sie 2s2 schreiben
müssen. Schließlich zeigen Sie die vier letzten Elektronen im 2p-Orbital als 2p4• Fügen Sie
nun alles zusammen und Sie bekommen ls22s22p4•

Manche Leute benutzen eine etwas umfassendere Form, die zeigt, wie die einzelnen Px' Py
und pz-Orbitale entlang der x-, y- und z-Achse orientiert sind und die Anzahl der Elektronen
je Orbital. Der Abschnitt Die Magnetquantenzahl m1 weiter vorne in diesem Kapitel erklärt,

- 64 ----

�������------- 3 � Kleiner als ein A toml Die Struktur des Atoms ---·
wie Orbitale im Raum orientiert sind. Die Langform ist ganz nett, wenn Sie sich die Details
wirklich besser ansehen wollen, aber man braucht dieses Maß an Detailliertheit eher selten. Ich
werde deshalb die erweiterte Form der Elektronenkonfiguration hier nicht weiter ausführen
bzw. erläutern.

Die Summe der hochgestellten Ziffern ist mit der Kernladungszahl oder der Anzahl
von Elektronen im Atom identisch.

Hier nun ein paar Elektronenkonfigurationen, die Sie verwenden können, um Ihre Umwandlungen von Energieniveaudiagrammen zu überprüfen: Chlor (Cl:) ls22s22p63s23p5

Eisen (Fe): ls22s22p63s23p64s23d6

Obwohl ich Ihnen gezeigt habe, wie man das Energieniveaudiagramm verwendet, um eine

Elektronenkonfiguration formal zu erzeugen, mit etwas Übung brauchen Sie das Energieniveaudiagramm nun nicht immer hinzuschreiben. Es reicht, wenn Sie die Elektronenkonfiguration in der einfachen Form kennen und wissen, wie viele Elektronen das Element besitzt und wie das Füllmuster der Elektronenschalen aussieht. Nur um ein bisschen Zeit zu sparen,
okay?

Valenzelektronen: Ein Leben auf dem Grat

Wenn Chemiker chemische Reaktionen studieren, studieren sie die Übertragung oder das

Teilen von Elektronen. Die schwächer an den Kern gebundenen Elektronen - die Elektronen
in dem am weitesten vom Kern entfernten Energieniveau - sind die, die gewonnen, verloren
oder geteilt werden.

Elektronen sind negativ geladen, während der Kern aufgrund der Protonen eine
positive Ladung besitzt. Die Protonen ziehen die Elektronen an und halten sie, aber
je weiter die Elektronen entfernt sind, desto geringer ist die Anziehungskraft.

Die Elektronen im äußersten Energieniveau werden gewöhnlich Valenzelektronen genannt.

Chemiker berücksichtigen in Wirklichkeit nur die Elektronen im s-, Hp- und d-Orbital im

Energieniveau, das zu einem bestimmten Zeitpunkt Valenzelektronen enthält. In der Elektronenkonfiguration für Sauerstoff, ls22s22p4 , ist Energieniveau 1 gefüllt, und es gibt zwei Elektronen in den 2s-Orbitalen und vier Elektronen in Niveau 2p mit einer Gesamtsumme von
sechs Valenzelektronen. Jene Valenzelektronen sind die verloren gegangenen, gewonnenen
oder geteilten Elektronen.

Wenn man in der Lage ist, die Anzahl der Valenzelektronen in einem bestimmten Atom zu
bestimmen, haben Sie einen guten Anhaltspunkt dafür, wie dieses Atom wohl reagieren wird.

In Kapitel 4, das einen Überblick über das Periodensystem der Elemente gibt, zeige ich Ihnen

---- 65 -

--- Chemie für Dummies
eine schnelle Methode, die Anzahl von Valenzelektronen zu bestimmen, ohne die Elektronenkonfiguration des Atoms aufschreiben zu müssen.

Isotope und Ionen:

Dies sind eini9e meiner Lieblintjsthemen

Trotzdem bin ich jetzt schon wieder der Depp. Die Atome eines bestimmten Elements besitzen
eine identische Anzahl von Protonen und Elektronen, können jedoch verschiedene Anzahlen
von Neutronen haben. Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl heißen

Isotope.

Das Isolieren eines Isotops

Wasserstoff ist hier auf der Erde ein sehr verbreitetes Element. Die Kernladungszahl des Wasserstoffs ist 1 - sein Kern enthält ein Proton. Das Wasserstoff-Atom hat auch ein Elektron.

Weil es dieselbe Anzahl von Protonen wie Elektronen hat, ist das Wasserstoff-Atom neutral

(die positiven und negativen Ladungen heben einander auf).

Die meisten Wasserstoff-Atome auf der Erde enthalten keine Neutronen. Sie können die Symbolik aus Abbildung 3.2 verwenden, um Wasserstoff-Atome darzustellen, die keine Neutronen enthalten, wie in Abbildung 3.8 (a) gezeigt.

Jedoch enthält etwa ein Wasserstoff-Atom von 6.000 ein Neutron in seinem Kern. Diese Atome
sind immer noch Wasserstoff-Atome, weil sie ein Proton und ein Elektron haben; sie haben
einfach ein Neutron, das den meisten Wasserstoff-Atomen fehlt. Also werden diese Atome

Wasserstoff-Isotope genannt. Abbildung 3.8 (b) zeigt ein Isotop von Wasserstoff, bekannt als

Deuterium. Es ist immer noch Wasserstoff, weil es nur ein Proton enthält, aber es ist anders
als der Wasserstoff in Abbildung 3.8 (a), weil es auch ein Neutron hat. Weil es ein Proton und
ein Neutron enthält, ist seine Massennummer zwei.

� H

�H

�H

(a) Wasserstoff

(b) Deuteriu m

(c) Tritiu m

H - 1

H - 2

H - 3

Abbildung 3.8: Die Isotope des Wasserstoffs

Es gibt sogar ein Isotop von Wasserstoff, das zwei Neutronen enthält. Es heißt Tritium und
wird in Abbildung 3.8 (c) dargestellt. Tritium kommt auf der Erde nicht in der Natur vor, aber
es kann leicht hergestellt werden.

Nun werfen Sie einmal einen Blick auf Abbildung 3.8. Sie zeigt eine weitere Möglichkeit,

Isotope darzustellen: Man schreibe das Symbol des Elements, einen Strich und dann die Massenzahl.

- 66 ----

-------- 3 > Kleiner als ein A tom? Die Struktur des Atoms ---•

Jetzt kann es sein, dass Sie sich fragen: »Wenn ich eine Berechnung mache, die die atomare

Masse des Wasserstoffs einschließt, welches Isotop verwende ich dann?« Nun, verwenden Sie
einen Durchschnitt all der natürlich auftretenden Isotope von Wasserstoff. Aber nicht nur
einen einfachen Durchschnitt. (Sie müssen in Betracht ziehen, dass es viel mehr H-1 als H-2
gibt, und Sie dürfen H-3 überhaupt nicht einbeziehen, weil es nicht natürlich vorkommt.) Sie
verwenden einen gewichteten Durchschnitt, der die Häufigkeit der natürlich vorkommenden

Wasserstoff-Isotope berücksichtigt. Deshalb ist nämlich die atomare Masse des Wasserstoffs
in Tabelle 3.2 keine ganze Zahl: Stattdessen beträgt sie 1,0079 amu. Die Zahl sagt aus, dass es
viel mehr H-1 als H-2 gibt.

Viele Elemente haben mehrere isatopische Formen. Weitere Informationen hierüber finden

Sie in Kapitel 5.

Ein Blick auf die Ionen

Weil ein Atom selbst neutral ist, sage ich im ganzen Buch, dass die Anzahl von Protonen und

Elektronen in Atomen gleich ist. Aber es gibt Fälle, in denen ein Atom eine elektrische Ladung
bekommen kann. Zum Beispiel hat das Natrium-Atom im Natriumchlorid - dem Tafelsalz eine positive Ladung, und das Chlor-Atom hat eine negative Ladung. Atome (oder Gruppen von Atomen) mit ungleicher Anzahl von Protonen und Elektronen werden Ionen genannt.

Das neutrale Natrium-Atom hat elf Protonen und elf Elektronen, was bedeutet, dass es elf positive Ladungen und elf negative Ladungen hat. Insgesamt ist das Natrium-Atom neutral, und es wird durch Na dargestellt. Aber das Natrium-Ion enthält noch eine weitere positive Ladung,
so dass es als Na+ bezeichnet wird (das + zeigt seine positive Nettoladung).

Eine ungleiche Anzahl von negativen und positiven Ladungen kann auf zwei Arten entstehen:

Ein Atom kann ein Proton (eine positive Ladung) oder ein Elektron (eine negative Ladung)

gewinnen oder verlieren. Welcher Prozess ist wahrscheinlicher? Nun, eine grobe Faustregel
sagt, dass es leicht ist, Elektronen zu gewinnen oder zu verlieren, aber sehr schwierig ist,

Protonen zu gewinnen oder zu verlieren.

Also werden Atome zu Ionen durch Gewinnen oder Verlieren von Elektronen. Und Ionen, die
eine positive Ladung haben, werden Kationen genannt. Die Fortentwicklung geht dann so:

Das Na+-Ion entsteht durch den Verlust eines Elektrons. Weil es ein Elektron verloren hat, hat
es mehr Protonen als Elektronen oder mehr positive Ladungen als negative Ladungen, das
heißt, es heißt jetzt Na+-Kation. Genauso wird das Mg2+-Kation gebildet, wenn das neutrale

Magnesium-Atom zwei Elektronen verliert.

Jetzt betrachten Sie mal das Chlor-Atom in Natriumchlorid. Das neutrale Chlor-Atom hat eine
negative Ladung durch Gewinnen eines Elektrons erworben. Weil es eine ungleiche Anzahl
von Protonen und Elektronen hat, ist es jetzt ein Ion und so darzustellen: CL Und, weil Ionen,
die eine negative Ladung haben, Anionen genannt werden, heißt es jetzt Cr-Anion. (Kapitel 6
liefert Ihnen, falls Sie interessiert sind, die volle Lektion zu Ionen, Kationen und Anionen. Dies
hier ist nur ein Appetithappen).

---- 6 7 -

t:===• Chemie für Dummies

Für den kleinen Kick, hier ein paar zusätzliche Häppchen über Ionen:

t/ Sie können Elektronenkonfigurationen und Energieniveaudiagramme für Ionen darstellen. Das neutrale Natrium-Atom (elf Protonen) hat die Elektronenkonfiguration ls22s22p63s1• Das Natrium-Kation hat ein Elektron - das Valenzelektron - verloren, das
am weitesten vom Kern (das 3s-Elektron in diesem Fall) entfernt ist. Die Elektronenkonfiguration von Na+ ist ls22s22p6•
v Die Elektronenkonfiguration des Chlorid-Ions (Cr) ist ls22s22p63s23p6• Dies ist dieselbe

Elektronenkonfiguration wie bei dem neutralen Argon-Atom. Wenn zwei chemische Arten
dieselbe Elektronenkonfiguration haben, sollen sie isoelektronisch sein. Um Chemie zu
verstehen, muss man fast eine neue Sprache lernen, nicht wahr?

t/ In diesem Abschnitt wurden monoatomare Ionen (die mit einem Atom) erörtert. Es gibt
aber auch polyatomare Ionen (das sind die, die mehrere Atome haben). Das Ammonium

Ion NH4 + ist ein polyatomares Ion, oder, anders ausgedrückt, ein polyatomares Kation.

Das Nitrat-Ion, N03-, ist ebenfalls ein polyatomares Ion, oder, anders ausgedrückt, ein
polyatomares Anion.

v Ionen werden üblicherweise in Verbindungen gefunden, die man Salze nennt. Wenn Salze
in Wasser gelöst werden, ergibt das elektrisch leitfähige Lösungen. Eine Substanz, die in
einer Lösung Elektrizität leiten kann, wird Elektrolyt genannt. Wenn Sie aber Zucker in

Wasser lösen, erhalten Sie keine solche Leitfähigkeit. Zucker ist nicht elektrolytisch. Ob
eine Substanz ein Elektrolyt oder nicht ist, sagt etwas über den Bindungstyp der Verbindung aus. Wenn die Substanz elektrolytisch ist, liegt wahrscheinlich eine Ionenbindung vor (siehe Kapitel 6). Wenn sie aber nicht elektrolytisch ist, haben wir (wahrscheinlich)

eine kovalente Bindung vor uns (siehe Kapitel 7).

-6s----

Das Periodens1Jstem
ln diesem Kapitel

Periodizität verstehen

Die Organisation der Elemente im Periodensystem
verstehen

In diesem
besitzt - Kapitel
das
stelle ich Ihnen

Periodensystem.

das

(Seine wizweitwichtigste
chtigsten sind Werkzeug
eine Tasse vor,
und das
der ein Chemiker

Bunsenbrenner,
damit er sich seinen Kaffee kochen kann.)

Chemiker sind, wie die meisten Wissenschaftler, etwas faul. Sie ordnen die Dinge gerne in

Gruppen. Dieser Prozess, genannt Klassifizierung, macht es viel leichter, ein spezielles System
zu studieren. Wissenschaftler haben die chemischen Elemente in einer periodisch strukturierten Tabelle zusammengefasst, so dass sie nicht die Eigenschaften einzelner Elemente lernen müssen. Mit dem Periodensystem sind sie in der Lage, nur die Eigenschaften der verschiedenen

Gruppen erlernen zu müssen. So zeige ich Ihnen in diesem Kapitel, wie die Elemente in der

Tabelle angeordnet sind und welches die wichtigsten Gruppen sind. Ich erkläre auch, wie

Chemiker und andere Wissenschaftler dieses Periodensystem in der Praxis anwenden.

Das Wiederholen clon Mustern der Periodizität

Sowohl in der Natur als auch in Dingen, die von den Menschen erfunden werden, kann man
sich wiederholende Muster beobachten. Die Jahreszeiten wiederholen ihr Muster von Herbst,

Winter, Frühjahr und Sommer. Die Gezeiten wiederholen ihr Muster von Flut und Ebbe.

Dienstag folgt auf Montag, Dezember folgt auf November usw. Ein solches Muster aus Wiederholungen nennt man Periodizität.

Mitte des 19. Jahrhunderts bemerkte Dimitri Mendelejew, ein russischer Chemiker, ein periodisches Muster in den chemischen Eigenschaften der Elemente, die zu der Zeit bekannt waren.

Mendelejew ordnete die Elemente mit wachsender atomarer Masse (siehe Kapitel 3 zur Atommasse) und bildete etwas, das unserem heutigen Periodensystem der Elemente schon recht ähnlich war. Er war sogar in der Lage, die Eigenschaften einiger noch unbekannter Elemente
vorherzusagen. Später wurden die Elemente neu angeordnet, um sie an der Kernladungszahl,
der Anzahl der Protonen im Atomkern, aufsteigend zu orientieren (siehe wieder Kapitel 3).

Abbildung 4.1 zeigt ein Periodensystem aus unseren Tagen.

--==- 69 -

---· Chemie für Dummies

Periodensystem der Elemente
lA

(1 )

1

1

II A

H

Wasserstoff

(2)

1,008

2 3

4

Li

Be

Lithium

Beryllium

6,94

9,01

3 11

12

IIIB IVB

VB

VIB VIIB VIIIB VIIIB

Na

Mg

Natrium

Magnesium

22,99

24,31

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

4 19

20

21

22

23

24

25

26

27

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Kalium

Calcium

Scandium

Titan

Vanadium

Chrom

Mangan

Eisen

Kobalt

39,10

40,08

44,96

47,88

50,94

52,00

54,94

55,85

58,93

5 37

38

39

40

41

42

43

44

45

Rb

Sr

V

Zr

Nb

Mo Tc

Ru

Rh

Rubidium

Strontium

Yttrium

Zirkonium

Niob

Molybdän

Technetium

Ruthenium

Rhodium

85,47

87,62

88,91

91,22

92,91

95,94

(98,91 )

101,07

102,91

6 55

56

57 - 71

72

73

74

75

76

77

Cs

Ba

La-

Hf

Ta
w

Re

Os

Ir

Cäsium

Barium

Lu

Hafnium

Tantal

Wolfram

Rhenium

Osmium

Iridium

132,91

137,33

178,49

1 80,95

183,85

186,2

190,2

192,22

Lutetium

7 87

88

89 - 103 104

105

1 06

107

108

109

Fr

Ra

Ac-

Rf

Ha

Sg

Bh

Hs

Mt

Francium

Radium

Lr

Rutherford.

Hahnium

Seaborgiu

Bohrium

Hassium

Meitnerium

(223,02)

(226,03)

(261)

(262)

m

(264)

(269)

(268)

Lawrencium

(266)

57

58

59

60

61

62

63

Elemente der

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Lanthanreihe

Lanthan

Cer

Praseodym

Neodym

Promethium

Samarium

Europidium

138,91

140,12

140,91

144,24

(146,92)

150,36

151,97

89

90

91

92

93

94

95

Elemente der

Ac

Th

Pa
u

Np

Pu

Am

Actiniumreihe

Actinium

Thorium

Protactiniu

Uran

Neptunium

Plutonium

Americium

(227,03)

232,04
m

238,03

(237,04)

(244,06)

(243,06)

(231,04)

- 7o ----

>- Das PeriodenSIJStem ---

VIl lA

(18)

2
lilA

IVA

VA

VIA

VIIA He

(13)

(14) (15)

(16)

(1 7) Helium

4,00

5

6

7

8

9

10

B
c

N

0

F

Ne

Bor

Kohlenstoff

Stickstoff

Sauerstoff

Fluor

Neon

1 0,81

12,01

14,00

1 6,00

1 9,00

20.18

13

14

15

16

17

18

VII I B

IB

I I B Al

Si
p
s

Cl

Ar

(10) (1 1 ) (12) Aluminium Silicium

Phosphor

Schwefel

Chlor

Argon

26,89

28,09

30,97

32.Q7

35.45

39,94

28

29

30

31

32

33

34

35

36

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Nickel

Kupfer

Zink

Gallium

Germanium

Arsen

Seien

Brom

Krypton

58,69

63,55

65,37

69,72

72,61

74,92

78,96

79,90

83,80

46

47

48

49

50

51

52

53

54

Pd

Ag

Cd
ln

Sn

Sb

Te

I

Xe

Palladium

Silber

Cadmium

Indium

Zinn

Antimon

Tellur

Jod

Xenon

106,42

107,87

1 1 2.41

1 1 4,82

1 1 8,71

121 ,75

127.60

126,90

131,29

78

79

80

81

82

83

84

85

86

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Platin

Gold

Quecksilbe Thallium

Blei

Wismut

Polonium

Astat

Radon

195,08

1 96,97
r

204,38

207,2

208,98

(210)

(210)

(222,02)

200,59

110

111

112

113

114

115

116

117

118

Uun Uuu Uub Uut

Uuq

Uup Uuh

Uus Uuo

Ununillium

Unununium

Ununbium

§

Ununquadium

§

Ununhexium

§

Ununoctium

(269)

(271)

(277)

(285)

(289)

(293)

64

65

66

67

68

69

70

71

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Vb

Lu

Gadolinium

Terbium

Dysprosium

Holmium

Erium

Thulium

Y«erbium

Lutetium

1 57,25

1 58,93

162,50

164,93

167,26

168,93

1 73,04

1 74,97

96

97

98

99

100

101

102

103

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No
lr

Curium

Berkelium

Californium

Einsteinium

Fermium

Mendeleviu

Nobelium

Lawrencium

(247,07)

(247,07)

(251,08)

(252.08)

(257)

m

(259,10)

(260,1 1 )

(258)

Abbildung 4.1: Das Periodensystem der Elemente

---- 7 1 -

---• Chemie für Dummies

Chemiker können sich nicht vorstellen, irgendetwas ohne das Periodensystem der Elemente
zu tun. Statt die Eigenschaften von 109+ Elementen (fast jedes Jahr werden es mehr) zu
erlernen, können Chemiker und Chemiestudenten die Eigenschaften von Familien von Elementen einfach lernen und auf diese Art viel Zeit und Mühe sparen. Sie finden die Beziehungen zwischen Elementen und die Formeln vieler verschiedener Verbindungen, indem sie mit dem

Periodensystem arbeiten. Diese Tabelle liefert bereitwillig Kernladungszahlen, Massenzahlen
und Information über die Anzahl von Valenzelektronen.

Ich erinnere mich daran, vor vielen Jahren eine Sciencefictiongeschichte über ein fremdes

Leben, das auf Silizium basiert, gelesen zu haben. Silizium war die logische Alternative in
dieser Geschichte, weil es in derselben Familie wie das Element Kohlenstoff ist, die Basis für
das Leben auf der Erde. Also ist das Periodensystem eine absolute Notwendigkeit für Chemiker,

Chemiestudenten und Sciencefictionromanautoren. Verlassen Sie Ihr Haus niemals ohne das

Periodensystem!

Wie die Elemente im Periodens1Jstem aniJeordnet sind

Schauen Sie mal in die Tabelle in Abbildung 4.1. Die Elemente sind in der Reihenfolge wachsender Kernladungszahl angeordnet. Die Kernladungszahl (Anzahl von Protonen) befindet sich rechts über dem ElementsymboL Unter dem Elementsymbol befindet sich die Atommasse oder
das Atomgewicht (Summe der Protonen und Neutronen). Die Atommasse ist ein gewichteter

Durchschnitt aller natürlich auftretenden Isotope. (Wenn Ihnen das wie böhmische Dörfer
vorkommt, springen Sie schnell zu Kapitel 3 und haben Sie viel Spaß mit der Atommasse und
den Isotopen.) Beachten Sie auch, dass zwei Reihen von Elementen - Ce-Lu (allgemein Lanthaniden genannt) und Th-Lr (die Aktinide) - aus dem Hauptkörper des periodischen Systems hervorgehoben wurden. Wären sie im Hauptkörper des Periodensystems integriert, hätte die

Tabelle einen erheblich größeren Umfang.

Das Periodensystem ist aus horizontalen Perioden, den Reihen, aufgebaut. Die Perioden sind
links von 1 bis 7 durchnummeriert. Die senkrechten Spalten werden Gruppen oder Familien genannt. Mitglieder dieser Familien haben ähnliche Eigenschaften (siehe den Abschnitt Familien und Perioden später in diesem Kapitel). Die Familien können am oberen Ende der

Spalten auf eine von zwei Arten bezeichnet werden. Die ältere Methode verwendet römische

Ziffern und Buchstaben. Viele Chemiker (besonders so alte wie ich) bevorzugen und verwenden
immer noch diese Methode. Die neuere Methode verwendet die Zahlen von 1 bis 18. Wenn ich
die Eigenschaften der Tabelle beschreibe, verwende ich die ältere Methode.

Mit Hilfe des Periodensystems können Sie die Elemente auf viele Arten klassifizieren. Zwei
sehr nützliche Möglichkeiten sind
v Metalle, Nichtmetalle und Metalloide

V Familien und Perioden

- 72 ----

4 � Das Periodens1Jstem ---

Metalle, Nichtmetalle und Halbmetalle

Wenn Sie sich Abbildung 4.1 gut anschauen, können Sie eine abgestufte Zeile beginnend bei

Bor (B), Kernladungszahl 5, bis zum Polonium (Po), Kernladungszahl 84, erkennen. Außer

Germanium (Ge) und Antimon (Sb) können all die Elemente links von dieser Zeile als Metalle
klassifiziert werden. Abbildung 4.2 zeigt die Metalle.

Diese Metalle haben Eigenschaften, die Sie normalerweise mit den Metallen verbinden, auf die

Sie im täglichen Leben stoßen. Sie sind Festkörper (mit Ausnahme des flüssigen Quecksilbers

Hg), glänzende, gute elektrische Leiter und Wärmeleiter, dehnbar (sie können zu dünnen

Drähten gezogen werden) und geschmeidig (sie können leicht zu sehr dünnen Blechen geschmiedet werden). Alle Metalle tendieren dazu, Elektronen leicht zu verlieren (siehe Kapitel 6). Wie Sie sehen, gehört die überwiegende Mehrzahl der Elemente des Periodensystems zu den Metallen.

Außer den Elementen, die an der treppenförmigen Linie liegen (mehr darüber in ein paar

Sekunden), sind die Elemente rechts von der Zeile als Nichtmetalle klassifiziert (zusammen
mit Wasserstoff). Diese Elemente werden in Abbildung 4.3 gezeigt.

Nichtmetalle haben andere Eigenschaften als Metalle. Die Nichtmetalle sind spröde, nicht geschmeidig oder dehnbar, schlechte Wärmeleiter und besitzen auch eine schlechte elektrische Leitfähigkeit, und sie tendieren dazu, bei chemischen Reaktionen Elektronen zu gewinnen.

Einige Nichtmetalle sind Flüssigkeiten.

Die Elemente, die die abgestufte Zeile begrenzen, sind als Halbmetalle klassifiziert, wie in

Abbildung 4.4 gezeigt.

Halbmetalle haben Eigenschaften wie etwa eine Mischung von Metallen und Nichtmetallen.

Wegen ihrer einzigartigen Leitfähigkeitseigenschaften (sie leiten die Elektrizität nur teilweise,
z.B. nur in eine Richtung) sind sie in der Halbleiter- und Computerchipindustrie besonders
wichtig. (Dachten Sie, Silicon Valley sei ein mit Sand zugeschüttetes Tal? Nein. Silizium, eines
der metallischen Elemente braucht man zur Herstellung von Computerchips.)

Familien und Perioden

Wenn Sie sich einmal das in Abbildung 4.1 gezeigte Periodensystem anschauen, sehen Sie, dass
die sieben waagerechten Reihen von Elementen Perioden genannt werden. Innerhalb einer

Periode steigen die Kernladungszahlen von links nach rechts.

Obwohl sie in derselben Periode sind, haben diese Elemente durchaus sehr verschiedene
chemische Eigenschaften. Sehen Sie zum Beispiel die ersten zwei Mitglieder der 3. Periode:

Natrium (Na) und Magnesium (Mg). Bei Reaktionen tendieren sie beide dazu, Elektronen zu
verlieren (schließlich sind sie Metalle), aber Natrium verliert ein Elektron, während Magnesium
zwei verliert. Chlor (Cl), am Ende der Periode, neigt dazu, ein Elektron (es ist ein Nichtmetall)

zu gewinnen. Sie müssen sich also nur merken, dass die Elemente einer Periode nicht unbedingt ähnliche Eigenschaften besitzen.

---- 73 -

I �

.

�

:: ;·

� .." b s: :: :: ... � "'

1)

encium

84

Po Polonium (210)

71

Lu Lutetium 174,97 103

Lr Lawr (260,1

0)

83

Bi

Yb

No

Wismut

208,98

70

Ynerbium

173,04

102

Nobelium

(259,1

,71

69

Tm Thulium 168,93 101

Md Mendeleviu m (258)

50

Sn Zinn 118 82

Pb Blei 207,2

68

Er Erium 167.26 100

Fm Fermium (257)

13

Al

4,82

Aluminium

26.89

31

Ga Gallium 69.72 49
ln Indium 11 81

Tl Thallium 204,38

)

IIB

(12

,41

67

Ho

99

Es

30

Zn

Holmium

164,93

Einsteinium

(252,08)

Zink

65,37

48

Cd Cadmium 112 80

Hg Ouecksilbe r 288,59 112

Uub Ununbium f2n)

1)

IB

(1

)

Dy

98

Cf

29

Cu

66

Dysprosium

162,58

Californium

(251,08)

Kupfer

63,55

47

Ag Silber 107,87 79

Au Gold 196,97

111

Uuu Unununium (271

(10)

65

Tb

97

Bk Berkelium (247,07)

28

Ni

Terbium

158,93

Nickel

58,69

46

Pd Palladium 106,42 78

Pt Platin 195,08

110

Uun Ununillium (269)

VIIB

(9)

Gd

Cm

27

Co

Gadolinium

157.25

96

Curium

(247,07)

Kobalt

58,93

45

Rh Rhodium 102,91 77

Ir Iridium 192,22

109

Mt Meitnerium (268)

�

(8)

idium

,07

Eu

95

Am

26

Fe

63

Europ

151,97

Americium

(243,06)

Eisen

55.85

44

Ru Ruthenium 101 76

Os Osmium 190,2

108

Hs Hassium (269)

IB
ium et )

VI

(7)

62

Sm

150.36

94

Pu

(244,06)

25

Mn

Samarium

Plutonium

Mangan

54,94

43

Tc Techn (98,91 75

Re Rhenium 186,2

107

Bh Bohrium (264)

VIB

(6) 24 Cr

61

Pm

93

Np

Chrom

52,00

42

Mo

(237,04)

Molybdän

95,94

74

Wolfram

183,85

106

Sg Seaborgiu m (266)

Promethium

(146,92)

Neptunium

VB

(5) 23 V ,94

Nd
u

Vanadium

50

41

Nb Niob 92,91 73

Ta Tantal 180,95

105

Ha Hahnium (262)

60

Neodym

144.24

92

Uran

238,03

IVB

(4) 22 Ti
konium

61)

Pr

Pa

Titan

47,88

40

Zr Zir 91.22 72

Hf Hafnium 178.49

104

Rf Ruthertord. (2

59

Praseodym

140,91

91

Protactiniu
m

(231,04)

1

103

IIIB

(3)

-7

-

21

Sc Scandium 44,96 39

V Yttrium 88,91 57

La-

Lu Lutetium 89

Ac-

No Actinium

58

Ce Cer 140,12 90

Th Thorium 232,D4

(2)

IIA
ontium

4

Be Beryllium 9.01 12

Mg Magnesium 24.31 20

Ca Calcium 40,08 38

Sr Slr 87,62 56

Ba Barium 137,33

88

Ra Radium (226,03)

3

Li Lithium 6,94 11

Na Natrium 22,99 19

K Kalium 39.10 37

Rb Rubidium 85.47 55

Cs Cäsium 132,91

87

Fr Francium (223,02)

I

I ::t>. <::>< <::>< � 1::: � � � t:::l (1;· � � �

�

4 >- Das Periodens1Jstem ---

VIll A

(18)

lA

IVA VA

VIA V I I A 2 He

(1)

(14) (15) (16) (17) Helium

4.00

1

6

7

8

9

10

H
c

N

0

F

Ne

Wasserstoff

Kohlenstoff

Stickstoff

Sauerstoff

Fluor

Neon

1,008

12,01

14,00

16,00

19,00

20,18

15

16

17

18
p
s

Cl

Ar

Phosphor

Schwefel

Chlor

Argon

30,97

32,07

35,45

39,94

34

35

36

Se

Br

Kr

Selen

Brom

Krypton

78,96

79,90

83,80

53

54

I

Xe

Jod

Xenon

126,90

131.29

86

Rn

Radon

(222,02}

Abbildung 4.3: Die Nichtmetalle
lilA

(13)

5

8

...

10,81

14

Si

Silicium

28,09

32

33

Ge

As

Gennanium

Arsen

72,61

74,92

51

52

Sb

Te

Antimon

Tellur

121,75

127,60

85

At

Astat

Abbildung 4.4: Die Halbmetalle

---- 75 -

---• Chemie für Dummies

Die Mitglieder einer Familie haben dagegen ähnliche Eigenschaften. Betrachten Sie zum

Beispiel die Familie lA, die mit Lithium (Li) beginnt - vergessen Sie für einen Augenblick
den Wasserstoff. Der ist einzigartig und passt eigentlich nirgendwo hin - und geht bis zum

Francium (Fr). All diese Elemente geben bei Reaktionen gewöhnlich nur ein Elektron ab. Die

Mitglieder der VIIA-Familie neigen eher dazu, ein Elektron anzunehmen.

Warum haben nun Elemente derselben Familie ähnliche Eigenschaften? Und warum haben
einige Familien die Eigenschaft, Elektronen abzugeben, andere, sie aufzunehmen? Um das
herauszufinden, wählen wir vier Familien des Periodensystems und betrachten einmal die

Elektronenkonfiguration einiger Elemente der jeweiligen Familie.

Mein Familienname ist meine Spezialität

Werfen Sie einen Blick auf Abbildung 4.5. Sie zeigt einige wichtige Familien mit ganz speziellen Namen.

V Die Familie lA besteht aus den Alkalimetallen. In Reaktionen tendieren diese Elemente alle
dazu, ein einzelnes Elektron zu verlieren. Diese Familie enthält einige wichtige Elemente
wie Natrium (Na) und Kalium (K). Beide Elemente spielen eine wichtige Rolle in der Chemie des (unseres) Körpers und kommen verbreitet in Salzen vor.

V Die Familie IIA besteht aus den Erdalkali-Metallen. All diese Elemente neigen dazu, zwei

Elektronen abzugeben. Kalzium (Ca) ist ein wichtiges Mitglied der Familie IIA (Sie brauchen Kalzium für gesunde Zähne und Knochen).

v Die Familie VIIA besteht aus den so genannten Halogenen. Sie neigen alle dazu, bei Reaktionen ein Elektron anzuziehen. Wichtige Mitglieder dieser Familie sind Chlor (Cl), damit Salz auf den Tisch kommt und die Hemden weiß werden (Bleichmittel), und Jod (I). Sie
haben sicher schon einmal eine Verletzung mit Jod desinfiziert, oder?

v Die Familie VIllA besteht aus den Edelgasen. Diese Elemente reagieren eigentlich nicht.

Lange hießen die Edelgase auch träge Gase. Man dachte lange, diese Elemente reagierten
überhaupt nicht. Später zeigte der Wissenschaftler Neil Bartlett, dass wenigstens einige
träge Gase reagieren können, was aber ganz besondere Bedingungen erfordert. Nach BartleUs Entdeckung wurden die Gase damals Edelgase genannt.

Was haben Valenzelektronen mit den Familien zu tunJ

In Kapitel 3 wird erläutert, dass eine Elektronenkonfiguration die Anzahl von Elektronen in
jedem Orbital in einem besonderen Atom zeigt. Die Elektronenkonfiguration bildet die Grundlage eines Konzepts der Bindung und der molekularen Geometrie und des anderen wichtigen Zeugs, das ich in den verschiedenen Kapiteln dieses Buchs abdecke.

Die Tabellen 4.1 bis 4.4 zeigen die Elektronenkonfigurationen für die ersten drei Mitglieder
der Familien lA, IIA, VIIA und VIllA.

- 76 ----

4 > Das PeriodenslJStem ---
lA

IIA

VIllA

(1)

(2)

(18)

3

4

2

Li

Be

VIIA

He

Lithium

Beryllium

(17)

Helium

6,94

9,01

4,00

11

12

9

10

Na

Mg

F

Ne

Natrium

Magnesium

Fluor

Neon

22,99

24,31

19,00

20,18

19

20

17

18

K

Ca

Cl

Ar

Kalium

Calcium

Chlor

Argon

39,10

40,08

35.45

39.94

37

38

35

36

Rb

Sr

Br

Kr

Rubidium

Strontium

Brom

Krypton

85.47

87,62

79,90

83,80

55

56

53

54

Cs

Ba

I

Xe

Cäsium

Barium

Jod

Xenon

132,91

137,33

126,90

131.29

87

88

85

86

Fr

Ra

At

Rn

Francium

Radium

Astat

Radon

(223,02)

(226,03)

(210)

(222,02)

Alkali

Erdalkali

Halogene

Edelgase

Metalle

Metalle

Abbildung 4.5: Einige wichtige chemische Familien

Element

Elektronenkonfiguration

Li
ls22s1

Na
ls22s22p63si

K
ls22s22p63s23p64s1

Tabelle

Elektronenkonfigurationen

Element

Elektronenkonfiguration

Be
ls22s2

Mg
ls22s22p63s2

Ca
ls22s22p63s23p64s2

Tabelle 4.2: Elektronenkonfigurationen für Erdalkalimetalle

---- 77 -

---• Chemie für Dummies

Element

Elektronenkonfiguration

F
ls22s22p5

Cl
ls22s22p63s23p5

Br
ls22s22p63s23p64s23d104p5

Tabelle 4.3: Elektronenkonfigurationen für Halogene

Element

Elektronenkonfiguration

Ne
ls22s22p6

Ar
ls22s22p63s23p6

Kr
ls22s22p63s23p64s23d104p6

Tabelle 4.4: Elektronenkonfigurationen für Mitglieder von VIllA (Edelgase)

Diese Elektronenkonfigurationen zeigen, dass es innerhalb von Gruppen bezüglich der Valenzelektronen gewisse Ähnlichkeiten gibt. Valenzelektronen sind die Elektronen im äußersten Energieniveau eines Atoms (siehe Kapitel 3).

Sehen Sie sich einmal die Elektronenkonfigurationen für die Alkalimetalle (Tabelle 4.1) an.

Beim Lithium ist Energiestufe 1 gefüllt, und im 2s-Orbital befindet sich ein einzelnes Elektron.

In Natrium sind Energieniveau 1 und 2 gefüllt, und ein einzelnes Elektron ist in Energieniveau 3. All diese Elemente haben ein Valenzelektron in einem s-Orbital. Die Erdalkali-Elemente (Tabelle 4.2) haben je zwei Valenzelektronen. Die Halogene (Tabelle 4.3) haben je sieben Valenzelektronen (in s- und p-Orbitalen - d-Orbitale zählen nicht), und die Edelgase (Tabelle 4.4) haben je acht Valenzelektronen, die ihre Valenzorbitale füllen.

Wie man sich das Ganze merken kann?

Hier ein paar Hinweise zum Zusammenhang zwischen der Anzahl von Valenzelektronen und der römischen Spaltenzahl, die vielleicht hilfreich sind: Die lA-Familie hat ein Valenzelektron. Die HA-Familie hat zwei Valenzelektronen. Die VIIA-Familie hat sieben Valenzelektronen und die VIIlA-Familie hat acht Valenzelektronen.

Für die mit einer römischen Ziffer und einem A bezeichneten Familien gibt die
römische Ziffer die Anzahl von Valenzelektronen an.

Die römische Ziffer macht es sehr leicht, zu bestimmen, dass Sauerstoff (0) sechs Valenzelektronen hat (er ist ja in der VIA-Familie), das Silizium (Si) hat vier Valenzelektronen usw. Sie müssen die Elektronenkonfiguration oder das Energiediagramm nicht einmal hinschreiben,
um die Anzahl der Valenzelektronen zu bestimmen.

Was ist nun mit den Elementen, die mit einer römischen Ziffer und einem B bezeichnet sind?

Diese Elemente, man findet sie in der Mitte des Periodensystems, heißen Wechselmetalle.

Ihre Elektronen füllen die d-Orbitale fortschreitend. Scandium (Sc) ist das erste Mitglied der

Wechselmetalle, und es hat die Elektronenkonfiguration von 1s22s22p63s23p64s23d1• Titan (Ti),
das nächste Wechselmetall, hat die Konfiguration 1s22s22p63s23p64s23d2• Beachten Sie, dass
sich die Anzahl von Elektronen in den s- und p-Orbitalen nicht ändert. Die fortschreitend
hinzugefügten Elektronen füllen die d-Orbitale. Lanthaniden und Aktiniden, die zwei Gruppen

- 7s ----

4 >- Das PeriodenstJstem ---
von Elementen, die aus dem Hauptkörper des Periodensystems herausgezogen und unterhalb
dessen gezeigt werden, sind als innere Wechselmetalle klassifiziert. In diesen Elementen füllen
die Elektronen die f-Orbitale fortschreitend auf dieselbe Art, wie sie bei den WechselmetaJen
die d-Orbitale füllen.

Edel und tJas(örmiiJ

Die Tatsache, dass die Edelgase acht Valenzelektronen haben, die ihre Valenzschale oder
das äußerste Energieniveau füllen, erklärt, warum die Edelgase äußerst schwer reagieren.

Sie sind stabil oder »gesättigt« mit einem vollständigen Valenzenergieniveau. Sie verlieren,
gewinnen oder teilen Elektronen nicht so leicht.

In der Natur scheint, was den Faktor Stabilität angeht, vieles an diese Bedingung geknüpft
zu sein. Chemiker beobachten, dass die anderen Elemente in den A-Familien im Periodensystem dazu tendieren, Valenzelektronen zu verlieren, zu gewinnen oder zu teilen, immer mit der Tendenz, eine gefüllte Valenzschale von acht Elektronen zu besitzen: Diese Regel
heißt auch Oktettregel. Sehen Sie sich zum Beispiel die Elektronenkonfiguration für Natrium (Na) an: ls22s22p63s1• Diese hat ein Valenzelektron - das 3s1• Wenn es dieses Elektron verlöre, wäre seine Valenzschale Energieniveau 2, die komplett besetzt ist. Ohne das 3s1
wäre es als Neon (Ne) isoelektronisch (es hätte dieselbe Elektronenkonfiguration) und stabil. Wie ich Ihnen in den Kapiteln 6 und 7 zeige, ist es die treibende Kraft bei chemischen Verbindungen, Stabilität dadurch zu erreichen, dass eine gefüllte Valenzschale entsteht.

---- 79 -

Kernchemie, ohne dass

Ihre Gehirnzellen zerfallen
ln diesem Kapitel

Eine Vorstellung von Radioaktivität und radioaktivem

Zerfall bekommen

Die Halbwertszeiten kennen lernen

Die Grundlagen der Kernspaltung erfahren

Einen Blick auf die Kernfusion werfen

Die Wirkungen der Strahlung behandeln

D ieses Buch befasst

Reaktionen. Wenn sich
ich auf
über die eine
diese
oder andere

Reaktionen

Weise
rede,
überwiegend
meine ich tats
mit
ächlich chemischen
das Verhalten
der Valenzelektronen (die Elektronen in den äußersten Energieniveaus von Atomen), wann sie
abgegeben, hinzugezogen oder zwischen den Atomen geteilt werden. Ich sage eigentlich sehr
wenig über den Atomkern, weil er an chemischen Reaktionen weitestgehend nicht beteiligt
ist.

In diesem Kapitel aber erläutere ich den Kern und die Änderungen, die er erfahren kann. Ich
rede über Radioaktivität und die verschiedenen Möglichkeiten, wie ein Atom zerfallen kann.

Ich erläutere Halbwertszeiten und zeige Ihnen, warum sie beim Lagern von Atommüll wichtig
sind. Ich erörtere auch die Kernspaltung in Bomben und bei Kraftwerken und diskutiere die

Hoffnung, die die Kernfusion für die Menschheit bedeutet.

Wie die meisten von Ihnen, liebe Leser, bin auch ich ein Kind des Atomzeitalters. Ich erinnere
mich tatsächlich an offene Kernwaffentests. Ich erinnere mich, wie ich davor gewarnt wurde,

Schnee zu essen, weil er Fallout enthalten könnte. Ich erinnere mich, dass Freunde Atombunker bauten. Ich erinnere mich daran, wie wir in der Schule Atombombenalarm geübt haben und an Röntgenstrahlgeräte in Schuhgeschäften. Ich erinnere mich auch daran, dass wir mit
radioaktiven Steinen und Radium Hände beobachteten. Als ich erwachsen wurde, war atomare

Energie neu, aufregend und unheimlich. Und sie ist es immer noch.

Altes be9innt mit dem Atom

Um die Kernchemie zu verstehen, müssen Sie die Grundlagen der Atomstruktur kennen. Kapitel 3 über Atomstrukturen kann man immer wieder strapazieren, wenn man interessiert ist.

Dieser Abschnitt liefert nur eine kurze Rekapitulation.

---- s 1 -

---· Chemie für Dummies

Der Kern, dieses dichte zentrale Innere des Atoms, enthält sowohl Protonen als auch Neutronen. Elektronen sind außerhalb des Kerns in Energieniveaus. Protonen haben eine positive Ladung, Neutronen sind elektrisch neutral, Elektronen besitzen eine negative Ladung. Ein
neutrales Atom enthält die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen. Aber die Zahl von

Neutronen innerhalb eines Atoms von einem speziellen Element kann variieren. Atome des
gleichen Elements, die sich in der Anzahl der Neutronen unterscheiden, werden Isotope genannt. Abbildung 5.1 zeigt die Symbole, die Chemiker verwenden, um verschiedene Isotope darzustellen.

Massenza hl

(p+ + nO)

Elementsym bol

Abbildung 5.1: Darstellung eines bestimmten Isotops

X repräsentiert das Element aus dem Periodensystem. Z ist die Kernladungszahl ( d.h. die Anzahl
von Protonen im Kern), und A stellt die Massenzahl (die Summe der Protonen und Neutronen
in diesem speziellen Isotop) dar. Wenn Sie die Kernladungszahl von der Massenzahl (A - Z)

subtrahieren, bekommen Sie die Anzahl der Neutronen in diesem speziellen Isotop. Eine

Kurzform, die dieselbe Information (das Elementsymbol (X) und die Massenzahl (A)) enthält,
ist - zum Beispiel U-235 für Uran.

Radioaktirlität und künstlicher radioaktirler Zerfall

Im Rahmen und zum Zweck dieses Buchs definiere ich Radioaktivität als den spontanen Zerfall eines instabilen Kerns. Ein instabiler Kern kann in zwei oder mehr andere Partikel unter Freigabe von Energie zerfallen (Kernspaltung, später in diesem Kapitel erfahren Sie mehr
über diesen Prozess). Dieser Zerfall kann, je nach Art des Atoms, auf verschiedene Weisen
geschehen.

Wenn man ein Zerfallsteilchen kennt, kennt man meistens auch das oder die anderen Zerfallsprodukte. Dabei stellt man gewissermaßen eine Bilanz der Zerfallsreaktion auf. (Eine Kernreaktion ist jede Reaktion, die eine Änderung in der Kernstruktur einschließt.)

Eine Kernreaktion aufzustellen, ist wirklich ein ziemlich einfacher Prozess. Aber, bevor ich
das erkläre, will ich Ihnen zeigen, wie eine Reaktion darzustellen ist:

Reaktanden � Produkte

- s2 ----

------ 5 � Kernchemie1 ohne dass Ihre Gehirnze((en zer(a((en -=-=--=

Reaktanden (od. Edukte) sind die Substanzen, von denen die Reaktion ausgeht, und Produkte
sind die neuen Substanzen, die gebildet werden. Der Pfeil, genannt Reaktionspfeil, zeigt an,
dass eine Reaktion stattgefunden hat.

Damit eine Kernreaktion ausgeglichen ist, muss die Summe all der Kernladungszahlen auf der
linken Seite des Reaktionspfeils der Summe all der Kernladungszahlen auf der rechten Seite des

Pfeils entsprechen. Das Gleiche gilt für die Summen der Massenzahlen. Ein Beispiel: Nehmen

Sie an, Sie sind ein Wissenschaftler, der eine Kernreaktion durch Beschuss eines besonderen

Isotops von Chlor (Cl-35) mit einem Neutron hervorrufen möchte. (Bleiben Sie da, ich versuche, auf den Punkt zu kommen.) Sie stellen fest, dass ein Wasserstoffisotop, H-1, zusammen mit einem anderen Isotop entstanden ist. Sie wollen nun herausbekommen, welches das andere

Isotop ist. Die Gleichung hierfür lautet:

fjCl + Jn � !.§. + fH

Neutron

Um das unbekannte (durch Is dargestellte) Isotop jetzt zu bestimmen, müssen Sie die Gleichung hierzu aufstellen. Die Summe der Kernladungszahlen auf der linken Seite ist 17 (17 + 0), sodass die Summe der Kernladungszahlen auf der rechten Seite auch 17 werden muss. Nun
haben Sie eine Kernladungszahl von 1 auf der rechten Seite (das Wasserstoffisotop); 1 7 - 1 ist

16, womit die Kernladungszahl des unbekannten Isotops bestimmt ist. Die Kernladungszahl

16 identifiziert das Element als Schwefel (S).

Jetzt sehen Sie sich die Massenzahlen in der Gleichung an. Die Summe der Massenzahlen auf
der linken Seite ist 36 (35 + 1), und Sie wollen die Summe der Massenzahlen auch rechts auf

36 bringen. Nun haben Sie eine Massenzahl von 1 auf der rechten Seite; 36 - 1 ist 35, also die

Massenzahl des unbekannten Isotops. Jetzt wissen Sie, dass das unbekannte Isotop ein Schwefelisotop (S-35) ist. Und so sieht hierzu eine ausgeglichene Kernreaktionsgleichung aus: fjCZ + Jn � fiS + fH

Neutron

Diese Gleichung zeigt eine Kernumwandlung, die Umwandlung eines Elements in ein anderes.

Kernumwandlung ist ein von Menschen gesteuerter Prozess. S-35 ist ein Isotop des Schwefels,
das nicht in der Natur existiert. Es ist ein künstliches Isotop. Alchemisten, die Chemiker des

Mittelalters, träumten davon, ein Element in ein anderes (vorzugsweise Gold) umzuwandeln,
aber sie waren nie in der Lage, den Prozess zu beherrschen. Heute sind Chemiker durchaus
imstande, manchmal ein Element in ein anderes umzuwandeln.

Natürlicher radioakthier Zerfall:

Wie macht es die Natur

Bestimmte Isotope sind instabil: Ihr Kern bricht auseinander und durchläuft einen Kernzerfallsprozess. Manchmal ist das Produkt dieses Kernzerfalls selbst instabil und durchläuft noch einmal einen KernzerfalL Wenn zum Beispiel U-238 (eines der radioaktiven Isotope des Urans)

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---· Chemie für Dummies
beginnt zu zerfallen, produziert es Th-234, das zu Pa-234 (Protactinium) zerfällt. Der Zerfall
setzt sich fort, bis schließlich nach 14 Schritten Pb-206 (Blei) entstanden ist. Pb-206 ist stabil,
sodass der Zerfall aufhört.

Bevor ich Ihnen zeige, wie radioaktive Isotope zerfallen, will ich kurz erklären, warum ein
bestimmtes Isotop zerfällt.

Im Kern sind alle positiv geladenen Protonen extrem dicht zusammengeballt. Da sie die gleiche

Ladung besitzen, stoßen sie sich ab. Die Kräfte, die den Kern normalerweise zusammenhalten,
der »Kernklebstoff«, reichen manchmal nicht aus, sodass der Kern auseinander fällt.

Alle Elemente mit 84 oder mehr Protonen sind instabil; sie durchlaufen schließlich einen

Zerfallsprozess. Andere Isotope mit weniger Protonen in ihrem Kern sind auch radioaktiv. Die

Radioaktivität entspricht dem Neutronen-/Protonenverhältnis im Atom. Wenn das Neutronen-/

Protonenverhältnis zu groß ist (es gibt zu viele Neutronen oder zu wenige Protonen), sagt man,
das Isotop sei neutronenreich und deshalb instabil. Ist das Neutronen-/Protonen-Verhältnis zu
niedrig (es gibt zu wenige Neutronen oder zu viele Protonen), ist das Isotop ebenfalls instabil.

Das Neutronen-/Protonen-Verhältnis muss für ein bestimmtes Element in einen bestimmten

Bereich fallen, damit das Element stabil ist. Das ist der Grund, warum einige Isotope eines Elements stabil sind und andere radioaktiv.

Es gibt drei Zerfallsarten radioaktiver Isotope:

V Alphastrahlung

V Betastrahlung

V Gammastrahlung

Außerdem gibt es ein paar weniger übliche Arten des radioaktiven Zerfalls:

V Positronenstrahlung

V Elektronenaufnahme

AlphastrahluntJ

Ein Alphateilchen ist als ein positiv geladenes Teilchen aus dem Heliumkern definiert. Höre
ich da ein »huch«? Schauen Sie: Ein Alphateilchen setzt sich aus zwei Protonen und zwei

Neutronen zusammen, ist also praktisch ein Helium-Atom. Da ein Alphateilchen aus dem Kern
eines radioaktiven Atoms stammt, besitzt es keine Elektronen, so dass es eine +2-Ladung hat.

Deshalb und um einen kleinen Witz zu machen, ist es ein positiv geladenes Heliumteilchen.

(Nun, in Wirklichkeit ist es ein Kation, ein positiv geladenes Ion - siehe Kapitel 3.)

Aber Elektronen sind grundsätzlich frei - leicht zu verlieren und leicht zu gewinnen. Deshalb
wird normalerweise ein Alphateilchen ohne Ladung angezeigt, weil es sehr rasch zwei Elektronen aufnimmt und ein neutrales Helium-Atom anstelle eines Ions entsteht.

Große, schwere Elemente wie Uran und Thorium neigen zur Alphastrahlung. Dieser Zerfallsmodus befreit den Kern von zwei Einheiten positiver Ladung (zwei Protonen) und vier

- s�� ----

------ 5 > Kernchemie1 ohne dass Ihre Gehirnzetlen zer(atlen ---·

Einheiten der Masse (zwei Protonen + zwei Neutronen). Was für ein Prozess! Jedes Mal, wenn
ein Alphateilchen emittiert wird, gehen vier Einheiten der Masse verloren. Ich wünsche, ich
könnte eine Diät finden, die es mir erlaubte, vier Pfund auf einmal zu verlieren!

Radon-222 (Rn-222) ist ein anderer Alphateilchenstrahler, wie in der folgenden Gleichung
gezeigt wird:

2ggRn � 2JgPo + iHe

Alphateilchen

Hier durchläuft Radon-222 einen Kernzerfall mit der Freigabe eines Alphateilchens. Das restliche

Isotop muss eine Massenanzahl von 218 (222 - 4) und eine Kernladungszahl von 84 (86 - 2)

haben, womit wir das Element Polonium (Po) identifizieren. (Wenn dieses Subtraktionszeug
verwirrt, schauen Sie sich einfach im Abschnitt Radioaktivität und künstlicher radioaktiver

Zerfall in diesem Kapitel an, wie man die Zerfallsgleichungen aufstellt.)

ßetastrah I un9

Ein Betateilchen ist im Grunde genommen ein Elektron, das vom Kern emittiert wird. (Ich
weiß, was Sie jetzt denken - es sind doch keine Elektronen im Kern! Lesen Sie einfach weiter,
um herauszufinden, wie sie in dieser Kernreaktion gebildet werden können.) Jod-131 (I-131),
das zum Beispiel bei der Diagnose und Behandlung des Schilddrüsenkrebses verwendet wird,
ist ein Betateilchenstrahler:

1gjJ � 1l}Xe + Je

Betmeifchen

Hier gibt das Jod-131 ein Betateilchen (ein Elektron) ab, wobei es ein Isotop mit einer Massenanzahl von 131 (131 - 0) und einer Kernladungszahl von 54 (53 - (-1)) zurücklässt. Eine Kernladungszahl von 54 identifiziert das Element als Xenon (Xe).

Beachten Sie, dass sich die Massenzahl beim Übergang von I-131 zu Xe-131 nicht ändert, aber
die Kernladungszahl um eins steigt. Im Jodkern wurde beim Zerfall ein Neutron in ein Proton
und ein Elektron umgewandelt und das Elektron wurde vom Kern als Betateilchen emittiert.

Isotope mit einem hohen Neutronen/Protonenverhältnis zeigen oft Betastrahlung, weil dieser

Zerfallsmodus die Zahl der Neutronen um eins senkt und die Anzahl der Protonen um eins
erhöht, wobei das Neutronen/Protonenverhältnis gesenkt wird.

GammastrahluntJ

Alpha- und Betateilchen zeigen die charakteristischen Merkmale der Materie: Sie haben feste

Massen, nehmen Platz ein usw. Jedoch, weil es keine mit Gammastrahlung verbundene Massenänderung ist, nenne ich Gammastrahlung Gammastrahlungsemission. Gammastrahlung gleicht der Röntgenstrahlung mit hoher Energie und kurzer Wellenlänge. Gammastrahlung
begleitet allgemein sowohl Alpha- als auch Betastrahlung, aber sie taucht normalerweise nicht
in der Gleichung einer Kernreaktion auf. Einige Isotope wie Kobalt-60 (Co-60) verbreiten einen

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---· Chemie für Dummies
großen Betrag an Gammastrahlung. Co-60 wird bei der Strahlungsbehandlung des Krebses
verwendet. Das medizinische Personal richtet Gammastrahlen auf den Tumor und zerstört
ihn auf diese Art.

PositronenstrahlunfJ

Obwohl Positronenstrahlung nicht bei natürlich auftretenden radioaktiven Isotopen auftritt,
kommt sie natürlich bei einigen künstlichen Isotopen vor. Ein Positron ist im Grunde genommen ein Elektron, das eine positive Ladung anstelle einer negativen Ladung besitzt. Ein Positron wird gebildet, wenn ein Proton beim Kernzerfall in ein Neutron und ein positiv geladenes Elektron zerfällt. Das Positron wird dann vom Kern emittiert. Dieser Prozess tritt, wie in der
folgenden Gleichung gezeigt, in einigen Isotopen wie Kalium-40 (K-40) auf:

{�K ----7 {�Ar + +�e

Positron

Das K-40 emittiert das Positron, wobei ein Element mit einer Massenzahl von 40 (40 - 0)

und einer Atomanzahl von 18 (19 - 1) entsteht. Ein Isotop des Argon (Ar), Ar-40, ist damit
entstanden.

Wenn Sie Star Trek schauen, haben Sie sicher auch schon von Antimaterie gehört. Das Positron ist ein winziges Stück der Antimaterie. Wenn es Kontakt mit einem Elektron bekommt, werden beide Partikel unter Freigabe von Energie zerstört. Glücklicherweise gibt es nicht viele

Positronen: Wenn es viele solche Positronen gäbe, müssten Sie sich sicher dauernd vor Explosionen in Sicherheit bringen ...

Elektronenaufnahme

Elektronenaufnahme ist eine seltenere Art des Kernzerfalls, bei dem ein Elektron aus dem
ionersten Energieniveau (1s - siehe Kapitel 3) vom Kern aufgenommen wird. Dieses Elektron
bildet dann mit einem Proton zusammen ein Neutron. Die Kernladungszahl nimmt um eins
ab, aber die Massenzahl bleibt erhalten. Die folgende Gleichung zeigt die Elektronenaufnahme
von Polonium-204 (Po-204):

2�1 Po + je ----7 2�j Bi + Röntgenstrahlung

Das Elektron schließt sich mit einem Proton im Polonium-Kern zusammen und schafft ein

Isotop des Wismuts (Bi-204). Die Aufnahme des 1s-Elektrons hinterlässt eine freie Stelle in
den 1s-Orbitalen. Elektronen fallen zum Auffüllen der freien Stelle »herab« und geben Energie
im nicht sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums als energiereiche Röntgenstrahlung frei.

- s6 ----

---=--- 5 > Kernchemie, ohne dass Ihre Gehirnzetlen zerfatlen 11:""11--•

Halbwertszeiten und radioaktifle AltersbestimmuniJ

Wenn Sie ein einzelnes Atom eines radioaktiven Isotop, U-238 zum Beispiel, beobachten könnten, wären Sie nicht in der Lage vorherzusagen, wann dieses spezielle Atom zerfallen würde.

Es könnte eine Millisekunde dauern, oder es könnte ein Jahrhundert dauern. Es gibt einfach
keine Möglichkeit, es vorherzusagen.

Haben Sie aber eine genügend große Probe - Mathematiker nennen das eine statistisch relevante Probengröße - erhalten Sie ein (statistisches) Muster. Es braucht eine bestimmte Zeit, damit die Hälfte der Atome in einer Probe zerfällt. Es braucht dann denselben Zeitbetrag, damit
die Hälfte der übrigen radioaktiven Atome zerfällt, und wieder die gleiche Zeit für den Rest der

Atome usw. Die Zeit für den Zerfall der Hälfte einer Probe wird die Halbwertszeit des Isotops
genannt, und sie hat die Bezeichnung tYz. Tabelle 5.1 zeigt einen solchen Prozess.

Halbwertszeit eines radioaktiven Isotops

Prozent des verbleibenden radioaktiven Isotops

0

100,00

1

50,00

2

25,00

3

12,50

4

6,25

5

3,12

6

1,56

7

0,78

8

0,39

9

0,19

,

10

0 09

Tabelle 5.1: Halbwertszeitreihe eines radioaktiven Isotops

Es ist wichtig zu beachten, dass die Halbwertszeitreihe von radioaktiven Isotopen nicht linear
ist. Zum Beispiel können Sie den radioaktiven Rest eines Isotops nicht als 7,5 Halbwertszeiten
durch Finden des Mittelpunkts zwischen der 7. und 8. Halbwertszeit finden. Dies ist ein Beispiel
für einen in Abbildung 5.2 gezeigten exponentiellen Zerfall.

Wenn Sie Zeiten oder Beträge herausfinden wollen, die nicht mit einem einfachen

Vielfachen einer Halbwertszeit verbunden werden, können Sie folgende Gleichung
verwenden:

(N ) (0,6tl963)t
ln No =

/2

In der Gleichung steht ln für den natürlichen Logarithmus (nicht Zehnerlogarithmus; es ist
dieser In-Knopf auf Ihrem Taschenrechner, nicht der Iog-Knopf), N0 ist der Betrag an radioaktivem Isotop, mit dem der Zerfall beginnt, N der Betrag nach einiger Zeit (t) und tYz ist die Halbwertszeit des Radioisotops. Wenn Sie die Halbwertszeit und den Betrag an radioaktivem

---· Chemie für Dummies

Isotop kennen, mit dem der Zerfall beginnt, können Sie diese Gleichung verwenden, um den

Betrag zu berechnen, der zu irgendeiner Zeit noch radioaktiv verbleibt. Aber wir wollen es
einfach halten.

4

Halbwertszeit

Abbildung 5.2: Zerfall eines radioaktiven Isotops

Halbwertszeiten können sehr kurz oder sehr lang sein. Tabelle 5.2 zeigt die Halbwertszeiten
von einigen typischen radioaktiven Isotopen.

Radioisotop

Emittierte Strahlung

Halbwertszeit

Kr-94

Beta

1 ,4 Sekunden

Rn-222

Alpha

3,8 Tage

I-131

Beta

8 Tage

Co-60

Gamma

5,2 Jahre

H-3

Beta

12,3 Jahre

C-14

Beta

5.730 Jahre

U-235

Alpha

4,5 Milliarden Jahre

Re-187

Beta

70 Milliarden Jahre

Tabelle 5.2: Halbwertszeiten von einigen radioaktiven Isotopen

Sichere HandhabuntJ

Etwas über Halbwertszeiten zu wissen, ist sehr wichtig, weil es Ihnen dadurch möglich ist,
zu berechnen, wann eine Probe des radioaktiven Materials sicher zu behandeln ist. Die Regel
ist, dass eine Probe sicher ist, wenn ihre Radioaktivität unterhalb der Messgrenze gefallen ist.

- ss ----

------ 5 > Kernchemie� ohne dass Ihre Gehirnzellen zerfallen ---•

Dies tritt nach zehn Halbwertszeiten ein. Wenn also radioaktives Jod-131 (t", = 8 Tage) in den

Körper injiziert wird, um Schilddrüsenkrebs zu behandeln, wird es in zehn Halbwertszeiten
oder 80 Tagen aufhören zu strahlen.

Dieses zu wissen ist für die Mediziner ziemlich wichtig, wenn sie zum Beispiel radioaktive

Isotope als medizinische Markierungen im Körper verwenden. Damit ist es dem Arzt möglich,
eine Spur zu verfolgen, eine Blockierung (im Blutgefäß zum Beispiel) zu finden oder Krebsbehandlungen durchzuführen. Die Substanzen müssen lang genug aktiv sein, um das Leiden zu behandeln, aber sie sollten auch eine genügend kurze Halbwertszeit besitzen, damit nicht
gesunde Zellen und Organe beeinträchtigt oder gar geschädigt werden.

Radioaktifle AltersbestimmuniJ.

Eine nützliche Anwendung von Halbwertszeiten ist radioaktive Altersbestimmung. Gott sei

Dank genügt an der Kinokasse noch der Personalausweis. Hier geht es vielmehr um das Alter
von wirklich alten Dingen.

Kohlenstoff-14 (C-14), ein radioaktives Isotop des Kohlenstoffs, wird in der oberen Atmosphäre
durch kosmische Strahlung produziert. Die verbreitetste Kohlenstoffverbindung in der Atmosphäre ist Kohlenstoffdioxid und eine sehr kleine Menge Kohlenstoff.

Kohlenstoffdioxid enthält C-14. Pflanzen absorbieren C-14 während der Photosynthese, so dass

C-14 in die zellulare Struktur von Pflanzen eingebaut ist. Pflanzen werden dann von Tieren
gefressen und machen C-14 zu ein Teil der zellularen Struktur aller lebendigen Dinge.

Solange ein Organismus lebendig ist, bleibt das Maß an C-14 in seiner zellularen Struktur
konstant. Aber, wenn der Organismus stirbt, verringert sich die Menge an C-14. Wissenschaftler
kennen die Halbwertszeit von C-14 (5. 730 Jahre wie in Tabelle 5.2 aufgeführt), sodass sie quasi
messen können, wann ein Organismus starb.

Radioaktive Datierung über C-14 wurde verwendet, um das Alter von Skeletten an archäologischen Fundorten zu bestimmen. Vor kurzem wurde es benutzt, um das Leichentuch von Turin, ein Stück Wäsche in der Form eines Begräbnistuchs, zu datieren, das eine Abbildung
eines Mannes enthält. Viele dachten, es sei das Grabtuch Christi. Aber im Jahr 1988 wurde
mittels der C-14-Methode gemessen, dass das Tuch aus den Jahren 1200-1300 herum stammt.

Wir wissen zwar nicht wie, aber die Abbildung des Mannes wurde zu dieser Zeit auf das Grabtuch gebracht.

Die Kohlenstoff-C-14-Methode kann nur verwendet werden, wenn es um das Alter von etwas
geht, das einmal lebendig war. Sie kann nicht verwendet werden, um das Alter eines Mondsteins
oder eines Meteoriten zu bestimmen. Für nicht lebende Materialien verwenden Wissenschaftler
andere Isotope wie Kalium-40.

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KernspaltuniJ

In den 1930ern entdeckten Wissenschaftler, dass einige Kernreaktionen angestoßen und kontrolliert ablaufen können (siehe Radioaktivität und künstlicher radioaktive Zerfall weiter vorne in diesem Kapitel). Wissenschaftler machen das gewöhnlich durch Beschuss eines großen

Isotops durch kleinere Teilchen - normalerweise mit Neutronen. Der Zusammenprall bewirkte,
dass das größere Isotop in zwei oder mehr Teile auseinander brach.

Die Kernspaltung des Uran-Atoms:

235

1

142

91

I

92U + 0n --7 56 Ba + 36Kr + 30n

Reaktionen dieser Art geben auch viel Energie frei. Wo kommt die Energie nun her? Nun, wenn

Sie sehr genaue Messungen der Massen von allen Atomen und subatomaren Partikeln vor dem

Zerfallsprozess machen und nach dem Prozess die gleichen Messungen durchführen und dann
alles miteinander vergleichen, stellen Sie fest, dass etwas Masse fehlt. Materie scheint während
der Kernreaktion zu verschwinden. Dieser Verlust an Materie wird Massendefekt genannt. Die
fehlende Materie ist in Energie umgewandelt.

Tatsächlich können Sie sogar das Maß der während einer Kernreaktion produzierten Energie
mit einer von Einstein entwickelten ziemlich einfachen Gleichung berechnen: E = mc2• In
dieser Gleichung ist E das Maß an produzierter Energie, m ist die »fehlende« Masse oder der

Massendefekt, und C ist die Geschwindigkeit des Lichts, die eine ziemlich große Zahl ist. Die

Geschwindigkeit des Lichts ist quadriert eine riesige Zahl, so dass auch, wenn man sie mit einer
sehr kleinen Masse multipliziert, eine sehr große Energie produziert wird.

Kettenreaktionen und die kritische Masse

Werfen Sie einen Blick auf die Gleichung für die Spaltung von U-235 im vorangegangenen

Abschnitt. Beachten Sie, dass ein Neutron gebraucht wird, aber drei produziert wurden. Diese
drei Neutronen können, wenn sie auf andere U-235-Atome stoßen, andere Spaltungen initiieren, diese produzieren dann noch mehr Neutronen. Es ist die altbekannte Dominowirkung. In der Kernchemie ist es eine dauernde Kettenreaktion aus Kernspaltungen. Die Kettenreaktion
von U-235 wird in Abbildung 5.3 gezeigt.

Diese Kettenreaktion hängt von der Freisetzung von Neutronen während der Kernreaktion ab.

Wenn Sie die Gleichung für die Kernspaltung von U-238 aufschreiben, würde das schwerere

Isotop des Urans Ihnen für ein Neutron nur eines zurückliefern.

Sie können deshalb keine Kettenreaktion mit U-238 auslösen. Nur Isotope, die einen Überschuss an Neutronen in ihrem Spaltungsprozess produzieren, unterstützen eine Kettenreaktion. Man sagt, diese Art des Isotops sei spaltbar. In diesem Sinn gibt es nur zwei spaltbare Isotope - das Uran-235 und das Plutonium-239.

Ein gewisses Minimalmaß an spaltbarem Material wird gebraucht, um eine selbstverstärkende

Kettenreaktion auszulösen, was mitjenen Neutronen zu tun hat. Wenn die Probe klein ist, dann
schießen die Neutronen mit einer zu hohen Wahrscheinlichkeit aus der Probenmenge hinaus,

- 90 .:====

------• 5 > Kernchemie, ohne dass Ihre Gehirnzellen zerfallen ---·
bevor sie einen U-235-Kern zur Fortsetzung der Kettenreaktion treffen können. Es wird also
auch keine wesentliche Energie freigegeben.

Man benötigt also ein Minimum an spaltbarem Material, um eine Kettenreaktion in Gang zu
setzen. Die Masse unterhalb dieser Masse wird subkritisch genannt.

liKr

8 ön·�lU
liKr

'n.

o

/ 8 'ilBa
z�lU ön
ön. 8 ön.

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ön. 8liKr 'n.

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--

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'ilBa

'ilBa

�

2�lU �8liKr 'n.

o z�lU

8

'n o·z�lU

'ilBa ön ·2�lU

Abbildung 5.3: Kettenreaktion

Atombomben ( Riesenknatl ohne Theorie)

Wegen des ungeheuren Maßes an freigegebener Energie in einer Spaltungskettenreaktion wurden die militärischen Auswirkungen von Kernreaktionen sofort erkannt. Die erste Atombombe wurde am 6. August 1945 über Hiroshima abgeworfen.

In einer Atombombe befinden sich getrennt voneinander zwei Hälften eines spaltbaren Isotops. Jedes Teil ist selbst nicht kritisch. Zu dem Zeitpunkt, wenn die Bombe explodieren soii, werden die beiden getrennten Hälften durch die Explosion eines konventioneilen Sprengsatzes
zusammengebracht und bilden nun zusammen eine kritische Masse. Die Kettenreaktion verläuft
unkontroiiiert, wobei eine sehr große Energie schlagartig freigegeben wird.

Das wirkliche Kunststück ist jedoch, die Kettenreaktion zu kontroilieren, die Energie langsam
freizugeben, so dass am Ende mehr als nur Zerstörung dabei herauskommt.

c::::===-- 9 1

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Atomkraftwerke

Das Geheimnis, eine Kettenreaktion zu kontrollieren, ist die Kontrolle der Neutronen. Wenn
man die Neutronen kontrolliert, dann kann man auch die Energie kontrolliert freigeben. Das
haben die Wissenschaftler bei Atomkraftwerken technisch umgesetzt.

In vielerlei Hinsicht ist ein Atomkraftwerk einem konventionellen, fossilen Kraftwerk ähnlich.

In dieser Art von Kraftwerk wird ein fossiler Brennstoff (Kohle, Öl, Erdgas) verbrannt, und die

Hitze wird verwendet, um Wasser zu kochen, das wiederum verwendet wird, um Dampf zu
machen. Der Dampf wird dann verwendet, um eine Turbine zu drehen, die an einen Generator,
der Elektrizität produziert, angeschlossen ist.

Der große Unterschied zwischen einem konventionellen Kraftwerk und einem Atomkraftwerk
ist, dass das Atomkraftwerk die Wärme durch Kernspaltungsreaktionen erzeugt.

Wie produzieren Atomkraftwerke Elektrizität?

Die meisten Leute glauben, dass die Ideen, die hinter einem Atomkraftwerk stecken, ungeheuer
komplex sind. Das ist nicht wirklich so. Atomkraftwerke sind konventionellen, fossilen Kraftwerken sehr ähnlich.

Das spaltbare Isotop befindet sich in Form von Brennstäben im Reaktorkern. All diese Brennstäbe bilden zusammen die kritische Masse. Im Reaktorkern befinden sich Kontrollstäbe aus Bor oder Kadmium und wirken wie Neutronenfänger, um das Tempo des radioaktiven Zerfalls
zu kontrollieren. Das Bedienpersonal des Kraftwerks kann mit Hilfe der Kontrollstäbe den Reaktor vollständig anhalten, indem es die Kontrollstäbe so weit in den Reaktorkern hineinfährt, dass alle Neutronen absorbiert werden und die Kettenreaktion komplett abbricht. Man kann die

Kontrollstäbe dann etwas herausziehen, um das gewünschte Maß an Wärme zu produzieren.

Eine Flüssigkeit (Wasser oder manchmal flüssiges Natrium) zirkuliert durch den Reaktorkern
und absorbiert die Wärme, die dort erzeugt wird. Die Flüssigkeit fließt dann in einen Dampfgenerator, wo die Hitze von Wasser absorbiert wird und Dampf erzeugt. Dieser Dampf wird dann durch eine Dampfturbine geblasen, die an einen elektrischen Generator angeschlossen
ist. Der Dampf wird durch den Dampfgenerator kondensiert und recycelt. Dies ist also ein
geschlossenes System; das heißt, kein Wasser oder Dampf entweicht - es wird alles recycelt.

Die Flüssigkeit, die durch den Reaktorkern fließt, ist ebenfalls Teil eines geschlossenen Systems. Dieses geschlossene System hilft sicherzustellen, dass keine Versehrnutzung der Luft oder des Wassers stattfindet. Aber Probleme ergeben sich trotzdem manchmal.

Oh, so fliele Probleme

In den Vereinigten Staaten gibt es etwa 100 Atomreaktoren, die etwas mehr als 20 Prozent der

Elektrizität des Landes produzieren. In Frankreich werden fast 80 Prozent der Elektrizität des

Landes durch Kernspaltung erzeugt. Atomkraftwerke haben spezielle Vorteile. Es werden keine
fossilen Brennstoffe verbrannt (wodurch fossile Brennstoffressourcen für das Produzieren von

92 ----

------ 5 >- Kernchemie, ohne dass Ihre Gehirnzelten zerfalten ---•

Plastik und Medizin erhalten werden) und es gibt keine Verbrennungsprodukte wie Kohlenstoffdioxid, Schwefeldioxid usw., die die Luft und das Wasser verunreinigen.

Mit Atomkraftwerken sind jedoch auch Probleme verbunden. Atomkraftwerke sind teuer,
sowohl beim Bau als auch im Betrieb. Die Elektrizität, die durch Atomkraft generiert wird,
kostet ca. zweimal so viel wie Elektrizität aus fossilem Brennstoff oder Wasserkraftwerken. Ein
anderes Problem ist, dass die Versorgung mit spaltbarem Uran-235 beschränkt ist. Von allem
in der Natur vorhandenen Uran sind etwa nur 0,75 Prozent U-235. Der überwiegende Anteil
ist nicht spaltbares U-238.

Beim heutigen Verbrauch werden wir in weniger als 100 Jahren das natürlich vorhandene

U-235 verbraucht haben. Ein kleines bisschen mehr Zeit gewinnt man durch die Verwendung
von Brutreaktoren (siehe Brutreaktor: Das Erzeugen von spaltbarem Material später in diesem

Kapitel). Aber es gibt eine Grenze für die Menge an Kernbrennstoff, der auf der Erde verfügbar
ist, genauso, wie es auch eine Grenze für die Menge an fossilen Brennstoffen gibt.

Die beiden mit Kernkraftwerken verbundenen größeren Probleme sind jedoch Unfälle (Sicherheit) und Entsorgung des Atommülls.

Unfälte: Three Mife /stand und TschernoblJ/

Obwohl Atomkraftreaktoren wirklich einen hohen Sicherheitsstandard besitzen, sind die meisten Menschen durch Misstrauen und Angst, die vor allem mit der Strahlung verbunden werden, in diesen Sicherheitsangelegenheiten sensibilisiert. Der schwerste Unfall in den Vereinigten

Staaten geschah im Jahr 1979 auf Three Mile Island in Pennsylvanien. Eine Kombination aus

Bedienungsfehlern und technischen Ausfällen verursachte ein Entweichen von Kühlmittel
aus dem Reaktorkern. Der Verlust an Kühlmittel führte zu einer Teilkernschmelze und zur

Freigabe einer kleinen Menge radioaktiven Gases. Es gab keine Opfer oder irgendwelche Beeinträchtigungen beim Kraftwerkspersonal oder in der Bevölkerung.

Anders war dies leider in Tschernobyl in der Ukraine im Jahr 1986. Menschliches Versagen,
schlechte Reaktorkonstruktion und Technik, die zu einer starken Überhitzung des Reaktorkerns führten, verursachten dessen Zusammenbruch und Zerstörung. Zwei Explosionen und ein Feuer folgten, das Innere des Reaktors explodierte und brachte damit Kernmaterial in die

Atmosphäre. Ein Teil dieses Materials machte seinen Weg bis nach Europa und Asien. Der

Bereich um das Kraftwerk herum ist immer noch unbewohnbar. Der Reaktor wurde in Beton
eingeschlossen und muss dies für viele Hunderte von Jahren auch bleiben. Hunderte, vielleicht
tausende von Menschen starben. Viele leiden unter den Folgen der Strahlenvergiftung. Schilddrüsenkrebs, verursacht möglicherweise durch das freigegebene Jod-13, hat in den Städten, die Tschernobyl umgeben, dramatisch zugenommen. Es werden noch Jahre vergehen, bis die

Auswirkungen dieser Katastrophe vollständig bekannt sind.

Wie werden Sie dieses Zeu9 losJ Atommüll

Der Spaltungsprozess produziert große Mengen radioaktiver Isotope. Wenn Sie Tabelle 5.2
ansehen, sehen Sie, dass manche Halbwertszeiten der radioaktiven Isotope ziemlich lang sind.

---- 93 -

---• Chemie für Dummies

Diese Isotope sind erst nach zehn Halbwertszeiten sicher. Die Länge von zehn Halbwertszeiten
ist ein großes Problem im Zusammenhang mit der Abfallentsorgung des Atomreaktors.

Irgendwann müssen alle Reaktoren ihren Kerntreibstoff wieder auffüllen lassen. Und genauso,
wie wir Kernwaffen entschärfen, müssen wir mit dem übrig gebliebenen radioaktiven Material
umgehen. Viele dieser Abfallprodukte haben lange Halbwertszeiten. Wie speichern wir die

Isotope sicher, bis ihre Rest-Radioaktivität auf sichere Grenzen (nach zehn Halbwertszeiten)

gesunken ist? Wie schützen wir die Umgebung, uns, unsere Kinder und die späteren Generationen vor diesem Abfall? Diese Fragen bilden zweifellos ein sehr ernstes, mit der friedlichen Verwendung der Atomkraft verbundenes Problem.

Atommüll wird in schwach und stark strahlendes Material eingeteilt. In den Vereinigten Staaten werden schwächer strahlende Abfälle am Standort der Erzeugung oder in speziellen Lagereinrichtungen gespeichert. Die Abfälle werden grundsätzlich an den Standorten vergraben und bewacht. Stärker strahlende Abfälle stellen ein viel größeres Problem dar. Sie werden vorläufig
am Standort der Erzeugung mit der Absicht gespeichert, das Material in Glas und schließlich
dann in Tonnen zu versiegeln. Das Material wird dann unterirdisch in Nevada aufbewahrt.

In jedem Fall muss der Abfall sicher und unberührt für mindestens 10.000 Jahre aufbewahrt
werden. Andere Länder stehen denselben Problemen gegenüber. Kernmaterial wurde auch in
tiefen Gräben im Meer versenkt, aber diese Praxis wird von vielen Nationen abgelehnt.

Brutreaktoren: Das Erzeu9en flon spaltbarem Material

Nur das U-235-Isotop von Uran ist spaltbar, weil es das einzige Isotop des Urans ist, das den

Überschuss an Neutronen derart produziert, dass eine Kettenreaktion entsteht. Das verbreitetere U-238-Isotop produziert jene notwendigen, zusätzlichen Neutronen nicht.

Das andere weithin verwendete spaltbare Isotop, Plutonium-239 (Pu-239), ist in der Natur sehr
selten. Aber es gibt eine Methode, Pu-239 aus U-238 in einem so genannten Brutreaktor zu
erzeugen. Uran-238 wird mit einem Neutron bombardiert, um U-239 zu produzieren, das zu

Pu-239 zerfällt. Diesen Prozess zeigt Abbildung 5.4.

23su 239u

�n +

_

92

92
nicht spaltbar

239u 239Np

_

+ o e

92

93 ·1

L2��Pu 0 + -1 e
spaltbar

Abbildung 5.4: Der Prozess im Brutreaktor

Brutreaktoren können die Versorgung mit spaltbarem Material um viele Jahre verlängern, und
sie werden gegenwärtig in Frankreich verwendet. Aber die Vereinigten Staaten sind in diesem

- 9ll ----

------ 5 > Kernchemie, ohne dass Ihre Gehirnzelten zerfalten ---•

Punkt wegen mehrerer mit dem Bau von Brutreaktoren verbundener Probleme sehr vorsichtig.

Sie sind äußerst teuer und produzieren große Mengen Atommüll. Und das Plutonium, das
produziert wird, ist noch viel gefährlicher als Uran und kann schließlich leicht zum Bau einer

Atombombe verwendet werden.

Kernfusion: Die HoffnuntJ für unsere EnertJiezukunft

Bald nachdem der Spaltungsprozess entdeckt wurde, wurde ein anderer Prozess entdeckt: die
so genannte Verschmelzung oder Fusion. Fusion ist im Grunde genommen das Gegenteil von

Spaltung. Bei der Spaltung wird ein schwerer Kern in kleinere Kerne geteilt. Bei der Fusion
werden leichtere Kerne zu einem schwereren vereinigt.

Der Fusionsprozess ist die Reaktion, die unsere Sonne antreibt. Auf der Sonne gibt es vier

Wasserstoff-I-Isotope. In einer Folge von Kernreaktionen werden diese in ein Helium-4 unter

Freigabe ungeheurer Mengen an Energie verschmolzen. Auf der Erde werden dazu zwei andere

Isotope des Wasserstoffs benutzt: Deuterium (H-2) und Tritium (H-3). Deuterium ist ein selteneres Isotop des Wasserstoffs, aber immer noch einigermaßen reichlich vorhanden. Tritium kommt in der Natur nicht vor, aber man kann es durch Beschuss des Deuteriums mit einem

Neutron leicht erzeugen. Die entsprechende Fusionsreaktion wird in der folgenden Gleichung
gezeigt:

fH + IH -t jHe + Jn

Die erste reale Demonstration der Kernfusion - die Wasserstoffbombe - wurde vom Militär
durchgeführt. Eine Wasserstoffbombe ist etwa 1.000-mal so stark wie eine gewöhnliche Atombombe.

Die Isotope des Wasserstoffs, der für die Kernfusion in der Wasserstoffbombe erforderlich ist,
werden um eine gewöhnliche Atombombe herum gelagert. Die Explosion der Atombombe gibt
die Energie frei, die benötigt wird, um die Aktivierungsenergie (die Energie, die notwendig ist,
um die Reaktion anzustoßen) für den Verschmelzungsprozess zu liefern.

Zum Thema Kontrolte

In den letzten 45 Jahren war es das Ziel der Wissenschaftler, die kontrollierte Freigabe der

Energie einer Verschmelzungsreaktion zu realisieren. Wenn die Energie einer Verschmelzungsreaktion langsam freigegeben werden kann, dann ist sie endlich geeignet, Elektrizität zu erzeugen. Sie liefert eine unbegrenzte Versorgung mit Energie ohne Abfälle, und sie gibt
auch keine schädlichen Stoffe in die Atmosphäre ab - sondern nur das Edelgas Helium. Dieses

Ziel zu erreichen, erfordert jedoch die Lösung drei er Probleme:

V Temperatur

V Zeit

V Kapselung

---- 95 -=-

Temperatur

Der Verschmelzungsprozess erfordert eine äußerst hohe Aktivierungsenergie. Die Wärmeenergie wird verwendet, um die Energie zu liefern, aber man benötigt sehr, sehr viel Wärmeenergie, um die Reaktion zu zünden. Wissenschaftler schätzen, dass die Wasserstoffisotope auf etwa

40.000.000 K erhitzt werden müssen. (K steht für die Kelvin-Temperaturskala. Um die Kelvin

Temperatur zu erhalten, fügen Sie der Celsius-Temperatur einfach 273 hinzu. Kapitel 2 erklärt
alles zu Kelvin und seinen Kumpeln, Celsius und Fahrenheit.)

Nun sind 40.000.000 K heißer als die Sonne! Bei dieser Temperatur haben die Elektronen das

Gebäude längst verlassen; alles, was bleibt, ist ein positiv geladenes Plasma, nur Kerne, die
auf eine ungeheuer hohe Temperatur erhitzt sind. Derzeit versuchen Wissenschaftler, die Fusionstemperatur auf zwei Arten zu erzielen, durch magnetische Felder und durch Laser. Leider wurde bisher auch damit die erforderliche Temperatur noch nicht erreicht.

Zeit

Zeit ist das zweite Problem, das die Wissenschaftler lösen müssen, um die kontrollierte Freigabe
der Energie aus Fusionsreaktionen zu erreichen. Die geladenen Kerne müssen lange genug
nahe beieinander sein, damit die Fusionsreaktion beginnen kann. Die Wissenschaftler schätzen,
dass das Plasma etwa eine Sekunde bei 40.000.000 K stabil gehalten werden muss.

Kapsel uni).

Kapselung ist ein noch größeres Problem bei der Fusionsforschung. Ab 40.000.000 K ist alles
ein Gas. Die beste für das Weltraumprogramm entwickelte Keramik würde verdampfen, wenn
sie dieser Temperatur ausgesetzt wäre. Weil das Plasma eine Ladung hat, können magnetische

Felder verwendet werden, um es gefangen zu halten - eine magnetische Flasche, wenn Sie
so wollen. Aber wenn die Flasche leckt, findet die Reaktion nicht statt. Die Wissenschaftler
müssen das Magnetfeld mit den entsprechenden Eigenschaften erst noch schaffen. Laser zur

Aktivierung der Fusion würde das Kapselungsproblem umgehen. Aber Wissenschaftler haben
noch nicht heraus, wie sie das Lasergerät selbst vor der Verschmelzungsreaktion schützen
können.

Was brin9t die Zukunft

Die letzten Schätzungen zeigen, dass die Wissenschaft fünf bis zehn Jahre davon entfernt ist,
dass die Verschmelzung funktionieren kann: Dies ist die so genannte Gewinnschwelle, bei
der wir mehr Energie herausbekommen, als hineingesteckt wurde. Dann wird es noch 20 bis

30 Jahre dauern, bis ein funktionierender Fusionsreaktor entwickelt ist. Aber die Wissenschaftler sind optimistisch, die Fusionsenergie nutzen zu können. Die Belohnung wäre eine große, umweltfreundliche Energiequelle.

Ein interessantes Nebenprodukt der Fusionsforschung ist das Fusionsverbrennungskonzept.

Bei dieser Idee wird das Fusionsplasma, das abgekühlt werden muss, verwendet, um Abfall

- 96 ----

------• 5 >- Kernchemie1 ohne dass Ihre Gehirnzelten zerfalten ---•
und feste Abfälle zu verbrennen. Dabei werden die einzelnen Atome und kleinen Moleküle,
die erzeugt wurden, für die Industrie gesammelt und als Rohstoffe verwendet. Das scheint fast
der ideale Weg zu sein, den Kreislauf zwischen Abfall und Rohstoff zu schließen. Die Zeit wird
zeigen, ob dieses Konzept schließlich praktisch anwendbar wird.

Leuchte ich etwa? Die WirhuntJen der StrahluntJ

Strahlung kann zwei Grundwirkungen auf den Körper haben:

V Sie kann Zellen durch Hitze zerstören.

V Sie kann Zellen ionisieren und auflösen.

Strahlung erzeugt Wärmeenergie. Diese Hitze kann Gewebe stark zerstören, praktisch wie ein

Sonnenbrand. Tatsächlich ist der Ausdruck Strahlungsverbrennung weit verbreitet, um die

Zerstörung von Haut und Zellen aufgrund der Wärmeenergie zu beschreiben.

Die andere Art, wie Strahlung auf den Körper wirken kann, ist die Ionisierung und Auflösung
von Zellen. Radioaktive Partikel und Strahlung besitzen viel kinetische Energie (Energie der

Bewegung - siehe Kapitel 2). Wenn diese Partikel auf Zellen im Körper stoßen, können die

Zellen in Teile zerfallen und ionisieren, indem die Zellen Elektronen verlieren. (Schnell zu

Kapitel 3 für die volle Dröhnung zu Ionen.) Ionisierung schwächt die Bindungen und kann zu

Schäden, zur gänzlichen Zersörung oder zur Mutation von Zellen führen.

Radon: Versteckt in unseren Häusern

Radon ist ein radioaktives Isotop, das in jüngster Zeit sehr populär geworden ist. Radon-

222 entsteht beim natürlichen Zerfall von Uran. Es ist ein schlecht reagierendes Edelgas
und verbreitet sich deshalb in der Atmosphäre. Da es schwerer als Luft ist, kann es sich in

Kellerräumen ansammeln.

Radon hat eine relativ kurze Halbwertszeit von 3,8 Tagen und zerfällt zu Polonium-218,
einem festen Stoff. Wenn Radon nun inhaliert wird, kann sich Po-218 in den Lungen
absetzen. Po-218 ist ein Alphastrahler, und obwohl diese Strahlung keine hohe Durchdringung hat, wird Radon heute für das gehäufte Auftreten von Lungenkrebs verantwortlich gemacht. In vielen Teilen der USA wird vor dem Hauskauf ein Radontest gemacht.

Kommerzielle Testkomponenten werden dabei für eine gewisse Zeit offen in den Keller
gestellt. Die Messergehnisse werden dann für die Analyse in ein Labor geschickt. Die Frage,
ob Radon ein Problem darstellt, wird nach wie vor untersucht und diskutiert.

---- 9 7 -

Teil II

Drum prü(e1 wie sich

Atome tierbinden

The sth Wave

Tennant

»Nun, da der Notarzt mit seinem Defibriflator und dem Riechsalz da ist, wollen
wir uns zunächst einmal gemeinsam die korlatente Bindung anschauen ... «

ln diesem Teil . . .

Man erwähne die Chemie und die meisten Leute denken sofort an
chemische Reaktionen. Wissenschaftler nutzen die chemischen

Reaktionen, um neue Medizin, Kunststoffe, Reinigungsmittel
oder Textilien herzustellen - die Liste könnte endlos fortgesetzt
werden. Sie verwenden chemische Reaktionen außerdem dazu,
herauszufinden, was und wie viel davon in einem unbekannten

Stoff enthalten ist. Chemische Reaktionen verleihen uns, der

Sonne und dem ganzen Universum Kraft. Chemie befasst sich
mit Reaktionen und den Bindungskräften, die dabei vorkommen. Das ist auch der Gegenstand dieses Teils.

Diese Kapitel führen Sie in die beiden wichtigsten Bindungstypen ein, die in der Natur vorkommen: Ionenbindung und kovalente Bindung. Ich zeige Ihnen, wie man die Formeln bei

Ionenverbindungen (Salzen) aufstellt und wie man diese benennt. Ich erläutere die kovalente Bindung, wie man die Lewis

Formel aufstellt und wie man die Formen einfacher Moleküle
bestimmt. Sie erfahren etwas über Reaktionen und über deren
verschiedene allgemeine Typen. Dazu kommen das so genannte
chemische Gleichgewicht, die Kinetik und die Elektrochemie

Batterien, Akkus und Galvanisierung.

Ich denke, in diesen Kapiteln bekommt jeder seine Ladung ab.

Ich kann mir wirklich nicht vorstellen, dass Sie auf diesen Teil
nicht positiv reagieren.

GeiJensätze ziehen sich an:

Jonenhindun9en
ln diesem Kapitel

Das Wie und Warum der Bildung von Ionen untersuchen

Die Bildung von Kationen und Ionen betrachten

Polyatomare Ionen verstehen

Die Formeln ionischer Verbindungen entziffern

Ionischen Verbindungen bestimmte Namen geben

Den Unterschied zwischen Elektrolyten und Nichtelektrolyten klären

Wenn es eine Sache gibt, wegen der ich schließlich Chemie im Hauptfach studiert habe,
dann sind es die Salzreaktionen. Ich erinnere mich noch gut an jenen Tag: Es war die
zweite Hälfte allgemeiner Chemie, und ich machte eine qualitative Analyse (Herausfinden,
was in einer Probe enthalten ist) von Salzen. Ich genoss die Farben der Verbindungen, die sich
in den von mir durchgeführten Experimenten bildeten, die Laboratorien machten Spaß und
waren eine interessante Herausforderung. Ich war schlicht begeistert.

In diesem Kapitel stelle ich Ihnen die Ionenbindung vor, die Art der Bindung, die die Salze
zusammenhält. Ich diskutiere einfache und polyatomare Ionen: Wie bilden sie sich und wie
kombinieren sie? Ich zeige Ihnen auch, wie man die Formeln von Ionenverbindungen aufstellen kann und wie Chemiker Ionenbindungen identifizieren.

Die Ma9ie der lonenbindun9:

Natrium + Chlor = Tafelsatz

Natrium ist ein typisches Metall. Es ist dabei relativ weich, silbrig und ein guter Leiter. Es reagiert auch leicht: Natrium wird normalerweise in Öl gelagert, damit es nicht mit dem Wasser in der Atmosphäre reagiert. Wenn Sie ein gerade abgeschnittenes Stück Natrium schmelzen
und es in einen Becher mit grünlich-gelbem Chlorgas geben, geschieht etwas sehr Beeindruckendes. Das geschmolzene Natrium beginnt, heller und heller in weißem Licht zu strahlen, das heller und heller wird. Das Chlorgas wirbelt, und die Farbe des Gases beginnt bald zu
verschwinden. In wenigen Minuten ist die Reaktion vorbei, und der Becher kann ohne Risiko
geöffnet werden. Sie finden Tafelsalz oder NaCl auf dem Becherboden.

---- 1 0 1 -

--- Chemie für Dummies

Die Bestandteile des Salzes

Wenn Sie wirklich einmal innehalten und darüber nachdenken, ist der Prozess, Tafelsalz zu
erzeugen, wirklich bemerkenswert. Sie nehmen zwei Substanzen, die beide sehr gefährlich
sind (Chlor wurde von Deutschland gegen die alliierten Truppen während 1. Weltkriegs eingesetzt), und machen eine lebenswichtige Substanz daraus. In diesem Abschnitt zeige ich Ihnen, was während der chemischen Reaktion, bei der Tafelsalz entsteht, geschieht, und, was
noch wichtiger ist, warum.

Natrium ist ein Alkalimetall, ein Mitglied der JA-Familie im Periodensystem. Die römischen

Ziffern am oberen Ende der A-Familien zeigen die Anzahl von Valenzelektronen (s- und p-Elektronen in der äußersten Energieschale) eines bestimmten Elements (siehe Kapitel 4 für die Details). Also hat Natrium ein Valenzelektron und elf Elektronen insgesamt, weil seine Atomzahl 1 1 ist.

Sie können ein Energieniveaudiagramm aufstellen, um die Verteilung der Elektronen im

Atom darzustellen. Das Energieniveaudiagramm des Natriums wird in Abbildung 6.1 gezeigt.

(Wenn Ihnen Energieniveaudiagramme neu sind, schauen Sie noch mal in Kapitel 3. Regen

Sie sich nicht auf, wenn Sie in diesem Diagramm einige Abweichungen in der Darstellung der

Energieiveaus finden: Kleinere Varianten sind absolut üblich.)

_l ll ll

-- -- --

3p

3p
l1

3s

3s
ll ll ll
ll ll ll

2p

2p
l1
l1

2s

2s
l1
l1
l s
l s

Abbildung 6.1: Energieniveaudiagramm für Natrium und Chlor

Chlor ist ein Halogen - ein Element also der VIIA-Familie im Periodensystem. Es hat sieben

Valenzelektronen und eine Gesamtzahl von 17 Elektronen. Das Energieniveaudiagramm für

Chlor wird ebenfalls in Abbildung 6.1 gezeigt.

- 102 ----

--------- 6 > GeiJensätze ziehen sich an: lonenbinduntJ.en ---·

Sie können anstelle des etwas sperrigen Energieniveaudiagramms für die Darstellung der

Verteilung von Elektronen in einem Atom natürlich auch die Elektronenkonfiguration verwenden. (Für eine vollständige Erläuterung der Elektronenkonfiguration siehe Kapitel 3). Man schreibt in der Reihenfolge von »unten« nach »oben« die Energieniveaus, die besetzt sind, die

Orbitalformen (s, p, d usw.) und - hochgestellt - die Anzahl von Elektronen in jedem Orbital
auf. So ergeben sich die Elektronenkonfigurationen für Natrium und Chlor:

Natrium (Na) ls22s22p63s1

Chlor (Cl)

Die Reaktion

Die Edelgase sind die VIIlA-Elemente im Periodensystem. Sie sind extrem schwach reagierend,
weil ihr Valenzenergieniveau (äußerstes Energieniveau) gefüllt ist. Ein gefülltes (vollständiges)

Valenzenergieniveau zu erreichen, ist eine treibende Kraft in der Natur chemischer Reaktionen,
weil Elemente mit dieser Eigenschaft stabil sind. Sie verlieren, gewinnen oder teilen keine

Elektronen mehr.

Die anderen Elemente in den A-Familien im Periodensystem gewinnen, verlieren oder teilen

Valenzelektronen, um ihr Valenzenergieniveau zu füllen und zu komplettieren. Weil dieser

Prozess in den meisten Fällen die äußersten s- und p-Orbitale betrifft, nennt man das oft auch
die Oktettregel - Elemente gewinnen, verlieren oder teilen Elektronen, um ein volles Oktett
zu erreichen (acht Valenzelektronen: zwei im s-Orbital und sechs im p-Orbital).

Die Rolle des Natriums

Natrium hat ein Valenzelektron; nach der Oktettregel wird es stabil, wenn es acht Valenzelektronen hat. Zwei Möglichkeiten existieren, damit Natrium stabil wird: Es kann sieben weitere Elektronen gewinnen, um Energiestufe 3 zu füllen, oder es kann das eine 3s-Elektron
verlieren, sodass Energiestufe 2 (die mit acht Elektronen gefüllt ist) das Valenzenergieniveau
wird. Im Allgemeinen kann der Verlust oder Gewinn von ein, zwei oder manchmal sogar drei

Elektronen stattfinden, aber ein Element verliert oder gewinnt nie mehr als drei Elektronen.

Um so Stabilität zu gewinnen, verliert Natrium sein 3s-Elektron. Stattdessen hat es dann elf

Protonen (elf positive Ladungen) und zehn Elektronen (zehn negative Ladungen). Das ehemals
neutrale Natrium-Atom hat jetzt eine positive Ladung [11 (+) plus 10 (-) gleich 1 (+) ) . Es ist
jetzt ein Ion, ein Atom, das aufgrund des Verlusts oder Gewinns von Elektronen eine Ladung
besitzt. Und Ionen, die aufgrund des Verlusts an Elektronen eine positive Ladung (wie Natrium) haben, werden Kationen genannt. Sie können nun die Elektronenkonfiguration für das Natrium-Kation schreiben:

Das Natrium-Ion (Kation) hat dieselbe Elektronenkonfiguration wie Neon, sodass es mit Neon
isoelektronisch ist. Natrium wurde also durch den Verlust eines Elektrons zu Neon? Nein!

---- 103 -

---• Chemie für Dummies

Natrium hat noch elf Protonen, und die Anzahl von Protonen bestimmt die Identität des Elements.

Es gibt einen Unterschied zwischen dem neutralen Natrium-Atom und dem Natrium-Kation nämlich ein Elektron. Außerdem unterscheiden sich ihr chemisches Reaktionsverhalten und ihre Größen. Das Kation ist kleiner. Das gefüllte Energieniveau bestimmt die Größe eines

Atoms oder Ions (oder, in diesem Fall, Kations). Weil Natrium ein ganzes Energieniveau verliert, wenn es zu einem Kation wird, ist das Kation kleiner.

Die Rolle des Chlors

Chlor hat sieben Valenzelektronen. Um sein volles Oktett zu erhalten, muss es die sieben

Elektronen in Energiestufe 3 abgeben oder eins auf dieser Ebene aufnehmen. Weil Elemente
nie mehr als drei Elektronen aufnehmen oder abgeben, muss Chlor ein einzelnes Elektron
aufnehmen, um Energiestufe 3 zu füllen. Nun hat Chlor 17 Protonen (17 positive Ladungen)

und 18 Elektronen (18 negative Ladungen). Das heißt, Chlor wird ein Ion mit einer einzelnen
negativen Ladung (CI-). Das neutrale Chlor-Atom wird zum Chlorid-Ion. Ionen mit einer durch
die Aufnahme von Elektronen verursachten negativen Ladung heißen Anionen. Die Elektronenkonfiguration für das Chlorid-Anion ist CI-1s22s22p63s23p6

Das Chlorid-Anion ist mit Argon isoelektronisch. Das Chlorid-Anion ist auch etwas größer als
das neutrale Chlor-Atom. Um das Oktett zu vollenden, ging das eine gewonnene Elektron in

Energiestufe 3, aber jetzt sind es 17 Protonen, die 18 Elektronen anziehen. Die Anziehungskraft
wurde leicht reduziert, und die Elektronen sind freier, um sich nach außen zu bewegen, was
das Anion etwas größer macht. Im Allgemeinen ist ein Kation kleiner als sein entsprechendes

Atom, und ein Anion ist geringfügig größer.

Am Ende kommt die BinduntJ

Natrium kann sein volles Oktett und seine volle Stabilität durch Verlieren eines Elektrons
erreichen. Chlor kann sein Oktett durch Gewinnen eines Elektrons füllen. Wenn die zwei in
demselben Behälter sind, dann bringt das Natriumelektron genau das Chlorelektron mit. Ich
zeige diesem Prozess in Abbildung 6.1, wo man auch sieht, dass das 3s-Elektron des Natriums
auf das 3p-Orbital des Chlors übertragen wird.

Die Übertragung eines Elektrons schafft Ionen - Kationen (positive Ladung) und Anionen

(negative Ladung), und entgegengesetzte Ladungen ziehen einander an. Das Na+-Kation zieht
das CI--Anion an und bildet das zusammengesetzte NaCI oder Tafelsalz. Dies ist ein Beispiel für
eine Ionenverbindung, eine chemische Bindung (eine starke Anziehung, die zwei chemische

Elemente zusammenhält), die von der elektrostatischen Anziehung (Anziehung von entgegengesetzten Ladungen) zwischen Kationen und Anionen herrührt.

Die Verbindungen, die auf Ionenbindungen beruhen, werden üblicherweise Salze genannt.

Natriumchlorid ist ein Kristall, in dem jedes Natrium-Kation von sechs verschiedenen Chlorid-

- 104 ----

--------• 6 � GeiJensätze ziehen sich an: lonenbinduntJen ----

Anionen umgeben ist, und jedes Chlorid-Anion wird von sechs verschiedenen Natrium-Kationen
umgeben. Diese Kristallstruktur wird in Abbildung 6.2 gezeigt.

Na+

Abbildung 6.2: Kristallstruktur des Tafelsalzes

Beachten Sie die regelmäßige und sich wiederholende Struktur. Verschiedene Salze haben
verschiedene Kristallstrukturen. Kationen und Anionen können mehr als eine Einheit positiver
oder negativer Ladung haben, wenn sie mehr als ein Elektron aufnehmen oder abgeben. Auf
diese Weise sind viele verschiedene Arten von Salzen möglich.

Ionenbindungen, also die Bindungen, die die Kationen und Anionen in einem Salz verbinden,
sind eine der zwei Hauptarten der Bindung in Chemie. Die andere Art, die kovalente Bindung,
wird in Kapitel 7 beschrieben. Das Verständnis der Ionenbindung erleichtert das Verständnis
der kovalenten Bindung wesentlich.

Positi"e und ne9ati"e Ionen: Kationen und Anionen

Der Grundprozess bei der Bildung von Natriumchlorid gilt auch für die Bildung von anderen

Salzen. Ein Metall verliert Elektronen, und ein Nichtmetall gewinnt jene Elektronen. Damit
sind Kationen und Anionen entstanden, und die elektrostatische Anziehung zwischen den
positiven und negativen Ladungen führt zur Anziehung der Teilchen und schließlich zur

Ionenbindung.

� Ein Metall ceagiert mit einem Nichtmetall und bildet eine Ionenbindung.

Sie können die Ladung oft aus dem Ort des Elements im Periodensystem ableiten. Zum Beispiel
verlieren die Alkalimetalle (die IA-Elemente) ein einzelnes Elektron, um ein Kation mit einer

1+-Ladung zu formen. Auf dieselbe Weise geben die Erdalkali-Elemente (HA-Elemente) zwei

Elektronen ab und bilden ein 2+-Kation. Aluminium, ein Mitglied der IIlA-Familie, verliert
drei Elektronen, um ein 3+-Kation zu bilden.

-==- 105 -

---• Chemie für Dummies

Aus derselben Überlegung heraus nehmen die Halogene (die VIIA-Elemente haben alle sieben

Valenzelektronen) ein Elektron auf. Die Halogene nehmen ein einzelnes Elektron auf, um ihr

Valenzenergieniveau zu füllen. Alle Halogene formen ein Anion mit einer einzelnen negativen

Ladung. Die VIA-Elemente gewinnen zwei Elektronen, um Anionen mit einer 2--Ladung zu
bilden, und die VA-Elemente nehmen drei Elektronen auf, um Anionen mit einer 3--Ladung
zu bilden.

Tabelle 6.1 zeigt Familie, Element, Ionen-Namen und Ionen-Symbol für einige monoatomare

(»einatomige«) Kationen, und Tabelle 6.2 liefert die gleiche Information für ein paar monoatomare Anionen.

Familie

Element

Ionen-Name

Ionen-Symbol

IA

Lithium

Lithium-Kation

Li•

Natrium

Natrium-Kation

Na•

Kalium

Kalium-Kation

K•

IIA

Beryllium

Beryllium-Kation

Be2+

Magnesium

Magnesium-Kation

Mgz•

Kalzium

Kalzium-Kation

Ca2+

Strontium

Strontium-Kation

Sr2•

Barium

Barium-Kation

Ba2•

IB

Silber

Silber-Kation

Ag•

IIB

Zink

Zink-Kation

Zn2•

IIIA

Aluminium

Aluminium-Kation

AJ3•

Tabelle 6.1: Einige monoatomare Kationen

Familie

Element

Ionen-Name

Ionen-Symbol

VA

Stickstoff

Nitrid-Anion
w-

Phosphor

Phosphid-Anion
p3-

VIA

Sauerstoff

Oxid-Anion

Q2-

Schwefel

Sulfid-Anion
sz-

VIIA

Fluor

Fluorid-Anion

F-

Chlor

Chlorid-Anion

CI-

Brom

Bromid-Anion

Br-

Jod

Jodid-Anion

I-

Tabelle 6.2: Einige monoatomare Anionen

Es ist schwieriger, die Anzahl der Elektronen zu bestimmen, die Mitglieder der Halbmetalle (die

B-Familien) abgeben. In der Tat verlieren viele dieser Elemente eine veränderliche Anzahl von

Elektronen, so dass sie zwei oder mehr verschiedene Kationen bilden können, folglich auch
mit verschiedenen Ladungen.

- 106 ----

--------• 6 > Ge9ensätze ziehen sich an: /onenbindun9en t===::::�

Die elektrische Ladung, die ein Atom erreicht, wird Oxidationszahl genannt. Viele der Wechselmetall-Ionen haben veränderliche Oxidationszahlen. Tabelle 6.3 zeigt einige bekannte Wechselmetalle, die mehr als eine Oxidationszahl besitzen.

Familie

Element

Ionen-Name

Ionen-Symbol

VIB

Chrom

Chrom(II)

Cr2+

Chrom(III) oder chromsäurehaltig

Cr3+

VIIB

Mangan

Mangan(II)

Mn2+

Mangan(III) oder mangansäurehaltig

Mn3+

VIIIB

Eisen

Eisen (II)

Fe2+

Eisen(III) oder eisenhaltig

Fe3+

Kobalt

Kobalt(II)

Co2+

Kobalt(III)

Co3+

IB

Kupfer

Kupfer(I)

Cu+

Kupfer(II)

Cu2+

IIB

Quecksilber

Quecksilber(!)

Hgzz+

Quecksilber(II)

Hgz+

IVA

Zinn

Zinn(II)

Sn2+

Zinn (IV)

Sn4+

Blei

Blei(II)

Pb2+

Blei(IV)

Pb4+

Tabelle 6.3: Einige Metalle mit mehr als einer Oxidationzahl

Beachten Sie, dass diese Kationen mehr als einen Namen haben können. Die heutige Art, Ionen
zu benennen, ist die, den Metallnamen wie zum Beispiel Chrom zu verwenden, in Klammern
gefolgt von der Ionenladung, durch römische Ziffern ausgedrückt, zum Beispiel (II). Eine
ältere Art, Ionen zu benennen, verwendet isch- und ig-Endungen. Wenn ein Element mehr
als ein Ion hat - Chrom zum Beispiel -, dann erhält das Ion mit der niedrigeren Oxidationszahl (niedrigere Ladungszahl, ohne das + oder -) eine isch-Endung und das Ion mit höherer Oxidationszahl (größere Ladungszahl) eine ig-Endung. Das Cr2+-Ion wird chromisch genannt,
und das Cr3+-Ion heißt chromig (siehe den Abschnitt Das Benennen von Ionenverbindungen
weiter hinten in diesem Kapitel).

Poi1Jatomare Ionen

Ionen sind nicht immer aus nur einem Atom zusammengesetzt. Ionen können auch aus einer

Gruppe von Atomen zusammengesetzt, also polyatomar sein. Werfen Sie zum Beispiel einen

Blick auf Tabelle 6.3. Fällt Ihnen am Quecksilber(!)-Ion etwas auf? Sein Ionen-Symbol Hg2 2+
zeigt, dass zwei Quecksilber-Atome zusammengebunden sind. Diese Gruppe hat eine 2fach

---• 107 -

---· Chemie für Dummies
positive Ladung, wobei jedes Quecksilber-Kation eine lfach positive Ladung hat. Das Quecksilber-Ion ist als ein polyatomares Ion klassifiziert.

Polyatomare Ionen werden so wie monoatomare Ionen behandelt (siehe weiter hinten in
diesem Kapitel Das Benennen von Ionenverbindungen.) Tabelle 6.4 1istet einige wichtige polyatomare Ionen auf.

Ionen-Name

Ionen-Symbol

Sulfat

SO/

Sulfit

SO/-

Nitrat

N03-

Nitrit

N02-

Hypochlorit

ClO-

Chlorit

CI02-

Chlorat

Cl03-

Perchlorat

Cl04-

Acetat

C2H302-

Chromat

CrO/"

Dichromat

Cr20/"

Arsenat

AsO/

Wasserstoffphosphat

HPO/"

Dihydrogenphosphat

Hl04-

Bikarbonat oder Wasserstoffkarbonat

HC03-

Bisulfat oder Wasserstoff-Sulfat

HS04-

Quecksilber(!)

Hg22+

Ammonium

NH/

Phosphat

PO/

Karbonat

CO/"

Permanganat

Mn04-

Zyanid

CN-

Zyanat

OCN-

Thiocyanat

SCN-

Oxalat

C20/"

Ionen-Name

Ionen-Symbol

Thiosulfate

S20/"

Hydroxid

OH-

Arsenit

AsO/

Peroxid

0 2-

2

Tabelle 6.4: Einige wichtige polyatomare Ionen

1 os ---

--------• 6 >- GeiJensätze ziehen sich an: lonenbinduntJen ---·

Das Symbol für das Sulfat-Ion, SOt, zeigt, dass ein Schwefel-Atom und vier Sauerstoff-Atome
gebunden sind und dass das ganze polyatomare Ion zwei zusätzliche Elektronen hat.

lonenbinduntJ.en

Wenn eine Ionenbindung entsteht, ziehen Kation und Anion einander an und es entsteht ein

Salz (siehe Die Magie der Ionenbindung: Natrium + Chlor = Tafelsalz früher in diesem Kapitel).

Wichtig ist, sich zu merken, dass die Verbindung neutral sein muss - also gleiche Anzahl von
positiven und negativen Ladungen hat.

Das Verbinden flon Ma9nesium und Brom

Nehmen wir an, Sie wollen die Formel oder die Zusammensetzung einer Verbindung kennen,
die sich aus der Reaktion von Magnesium und Brom ergibt. Sie beginnen, indem Sie die zwei

Atome nebeneinander mit dem Metall auf der linken Seite platzieren und dann platzieren Sie
ihre Ladungen hinzu. Abbildung 6.3 zeigt diesen Prozess. (Vergessen Sie die kreuz und quer
verlaufenden Linien zunächst. Wenn Sie furchtbar neugierig sind, sie werden im AbschnittDas

Verwenden der Kreuzregel später in diesem Kapitel erörtert.)

Abbildung 6.3: Darstellung der Formel des Magnesiumbromids

Die Elektronenkonfigurationen für Magnesium und Brom sind

Magnesium (Mg)

1s22s22p63s2

Brom (Br)

1s22s22p63s23p64s23d104p5

Magnesium, ein Erdalkalimetall, hat zwei Valenzelektronen, die es abgibt, um ein Kation mit
einer 2+-Ladung zu bilden. Die Elektronenkonfiguration für das Magnesium-Kation ist

Brom, ein Halogen, hat sieben Valenzelektronen, sodass es ein Elektron aufnimmt, um sein

Oktett (acht Valenzelektronen) zu komplettieren und das Bromid-Anion mit einer 1--Ladung
zu bilden. Die Elektronenkonfiguration für das Bromid-Anion ist

Beachten Sie, dass man die 1 normalerweise nicht hinschreibt, wenn das Anion nur eine

Ladungseinheit hat, ob positiv oder negativ. Man verwendet nur das +- oder --Symbol anstelle

---• 1 09 -

---· Chemie für Dummies
der 1, die nur dazugedacht wird. Aber für das Beispiel des Bromid-Anions verwende ich die 1
noch einmal.

Die Verbindung muss neutral sein; sie muss dieselbe Anzahl von positiven und negativen

Ladungen haben, sodass sie insgesamt eine nach außen hin neutrale Ladung hat. Das Magnesium-Ion hat eine 2+, sodass es zwei Bromid-Anionen mit je einer einzelnen negativen Ladung erfordert, um die zwei positiven Ladungen des Magnesiums auszugleichen. Also ist die Formel
der Verbindung, die sich aus der Reaktion von Magnesium mit Brom ergibt, MgBr2•

Das Verwenden der KreuzretJel

Es gibt eine schnelle Methode, die Formel einer Ionenbindung zu bestimmen: Verwenden Sie
die oben schon erwähnte KreuzregeL

Sehen Sie sich zum Beispiel Abbildung 6.3 an, in der diese Regel angewendet wird. Nehmen Sie
den numerischen hochgestellten Wert des Metall-Ions (das Ladungensymbol vergessen wir erst
einmal) und bewegen Sie es zur unteren rechten Seite des Nichtmetalls als tiefgestellten Index.

Dann nehmen Sie die hochgestellte Zahl des Nichtmetalls und machen sie zum tiefgestellten

Wert des Metalls. (Beachten Sie dabei, dass, wenn der numerische Wert 1 ist, er nur gedacht
und nicht gezeigt wird.) In diesem Beispiel geben wir dem Brom die 2 des Magnesiums als
tiefgestellte Ziffer und dem Magnesium die tiefgestellte 1 (die 1 wird aber nicht angezeigt) und

Sie erhalten die Formel MgBr2•

Was geschieht nun, wenn Aluminium und Sauerstoff reagieren? Abbildung 6.4 zeigt die für
diese Reaktion verwendete KreuzregeL

Abbildung 6.4: Darstellung der Formel für Aluminiumoxid

Verbindungen, die polyatomare Ionen enthalten, funktionieren genau auf dieselbe Weise, hier
ist zum Beispiel die aus dem Ammonium-Kation und dem Schwefel-Anion gebildete Verbindung:

(NH4)2S

Beachten Sie dabei: Da zwei Ammonium-Ionen (zwei positive Ladungen) gebraucht werden,
um die zwei negativen Ladungen des Schwefel-Ions zu neutralisieren, steht das Ammonium

Ion in der Verbindung in Klammern mit einer zusätzlichen tiefgestellten 2.

- 1 1o ----

--------- 6 � GeiJensätze ziehen sich an: lonenbinduntJen ---•

Die Kreuzregel funktioniert sehr gut, aber es gibt eine Situation, in der man aufpassen muss. Nehmen Sie an, Sie wollen die Verbindung hinschreiben, die entsteht, wenn Kalzium mit Sauerstoff reagiert. Kalzium, ein Erdalkalimetall, bildet ein

2+-Kation, und Sauerstoff ein 2--Anion. Also könnten Sie vorhersagen, dass die

Formel ist.

CazOz

Aber diese Formel ist falsch. Nach Anwendung der Kreuzregel müssen Sie alle tiefgestellten

Zahlen auf den gemeinsamen Faktor reduzieren, wenn möglich. In diesem Fall teilen Sie jedes

Subskript durch 2 und bekommen die richtige Formel:

CaO

Das Benennen flon lonenflerhindunlJ.en

Wenn Sie anorganische Zusammensetzungen benennen, schreiben Sie den Namen des Metalls
als Erstes und dann das Nichtmetall. Nehmen Sie zum Beispiel an, dass Sie die Verbindung Li2S
benennen wollen, die sich aus der Reaktion von Lithium und Schwefel ergibt. Sie schreiben
den Namen des Metalls, Lithium, zuerst und dann schreiben Sie den Namen des Nichtmetalls
und fügen ein -id am Ende hinzu, so dass Schwefel zu Sulfid wird.

Lithiumsulfid

Ionenbindungen, die polyatomare Ionen enthalten, folgen derselben Grundregel: Schreiben

Sie den Namen des Metalls zuerst und dann fügen Sie den Namen des Nichtmetallions einfach
hinzu (bei den polyatomaren Anionen ist es nicht notwendig, das -id am Ende anzuhängen)

Ammoniumkarbonat

Kaliumphosphat

Wenn das beteiligte Metall ein Halbmetall mit mehr als einer Oxidationsstufe ist (siehe Positive
und negative Ionen: Kationen und Anionen weiter vorne im Kapitel), dann gibt es mehrere

Möglichkeiten für die Namen der Verbindung. Nehmen wir an, Sie wollen die Verbindung zwischen dem Fe3+-Kation und dem Zyanid-Ion, CN-, benennen. Vorzugsweise nimmt man hierzu den Metallnamen, in Klammern gefolgt von der in römischen Ziffern angegebenen Ionenladung: Eisen(III) . Eine ältere Methode der Bezeichnung, die manchmal immer noch verwendet wird (gut also, sie zu kennen), ist es, Endungen wie ische an die Bezeichnung anzufügen. Dem

Ion mit der niedrigeren Oxidationszahl (niedrigerer Ladungsbetrag ohne Berücksichtigung
des Vorzeichens) wird ein ische angehängt, dem Ion mit der höheren Oxidationszahl (höherer

Ladungsbetrag) wird ein ige angehängt.

Sie sehen in Tabelle 6.4, dass das Sulfat-Ion eine 2--Ladung besitzt. Der Formel wiederum
können Sie entnehmen, dass es zwei von ihnen gibt. Deshalb haben wir insgesamt vier negative

Ladungen. Tabelle 6.4 zeigt auch, dass das Ammonium-Ion eine 1 +-Ladung besitzt. Damit kann
man nun die Ladung des Eisen-Kations bestimmen.

---• 1 1 1 -

---• Chemie für Dummies

Ladung

1 +

(2-) X 2

Tabelle 6.5: Die Benennung von FeNHlSO) 2

Das Sulfat hat die Ladung 4- und das Ammonium 1+. Damit bleibt für das Eisen eine 3fach
positive Ladung, damit die Verbindung nach außen neutral ist. Folglich haben wir einen

Eisen(III)- oder eisenhaltigen Oxidationszustand. Sie können die Zusammensetzung benennen

FeNH4(S04)2 Eisen(III)-ammoniumsulfat oder Eisenammoniumsulfat

Wenn Sie nun vom Namen ausgehen, können Sie die Formel und die Ladung aus den Ionen
ableiten. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie lesen den Namen Kupferoxid. Sie wissen, dass das

Kupfer-Ion Cu+ und das Oxid-Ion 02- ist. Nach Anwendung der Kreuzregel erhalten Sie die

Formel:

Kupferoxid

Cu20

EfektroflJ.te und NichtefektroflJ.te

Wenn man eine Ionenverbindung wie Natriumchlorid in Wasser gibt, ziehen die Wassermoleküle sowohl die Kationen als auch die Anionen im Kristall (der Kristall wird in Abbildung 6.2 gezeigt) an und lösen damit das Salz. (In Kapitel 7 beschreibe ich die Wassermoleküle
ausführlicher und zeige Ihnen, warum sie die NaCl-Ionen anziehen.) Die Kationen und Anionen verteilen sich in der Lösung. Sie können die Existenz dieser Ionen mit einem Gerät zur Messung der Leitfähigkeit dann auch messen.

Ein Leitfähigkeitsmesser misst, ob Wasserlösungen verschiedener Substanzen Elektrizität
führen. Er besteht aus einer Glühbirne mit zwei angeschlossenen Elektroden. Die Glühbirne
wird in eine Wandsteckdose gesteckt, aber sie leuchtet nicht, bis eine elektrisch leitfähige

Substanz zwischen den Elektroden den Stromkreis schließt. (Ein Finger schließt auch diesen

Stromkreis, so dass man bei diesem Versuch gut aufpassen sollte. Wenn Sie nicht aufpassen,
machen Sie vielleicht eine ziemlich unangenehme und nicht ungefährliche Erfahrung!)

Wenn Sie die Elektroden in reines Wasser halten, geschieht nichts, weil sich zwischen den Elektroden keine elektrisch leitfähige Substanz befindet. Reines Wasser ist ein Nichtleiter. Wenn Sie aber die Elektroden in die NaCl-Lösung bringen, leuchtet die Glühbirne, weil von einer Elektrode zur anderen die Ionen die Elektrizität leiten (die Elektronen werden transportiert).

Tatsächlich brauchen Sie das Wasser überhaupt nicht. Wenn Sie reines NaCl (bei großer Hitze)

schmelzen und dann die Elektroden hineinhalten, stellen Sie fest, dass das geschmolzene Tafelsalz auch elektrisch leitet. Im geschmolzenen Zustand sind die NaCl-Ionen frei, um Elektronen zu bewegen und zu transportieren, genau wie in der Salzwasserlösung. Substanzen, die im

- 1 1 2 ----

--------• 6 � GeiJensätze ziehen sich an: lonenbinduntJen ---·
geschmolzenen Zustand oder in wässriger Lösung elektrisch leiten, werden Elektrolyte, und

Substanzen, die in diesem Zustand nicht elektrisch leiten, Nichtelektrolyte genannt.

Wissenschaftler können aus der Beobachtung, ob eine Substanz Elektrolyt oder Nichtelektrolyt
ist, wichtige Anhaltspunkte über den Typ einer Verbindung ableiten. Substanzen aus Ionenverbindungen arbeiten als Elektrolyte. Kovalente Bindungen jedoch (siehe Kapitel 7), in denen es keine Ionen gibt, sind in der Regel Nichtelektrolyte. Tischzucker und Saccharose sind gute

Beispiele für Nichtelektrolyte. Sie können Zucker in Wasser auflösen oder schmelzen, er besitzt
keine Leitfähigkeit. Es gibt einfach keine Ionen, die die Elektronen transportieren könnten.

Koflalente ßinduniJ:

brüderlich teilen
ln diesem Kapitel

Erfahren, wie ein Wasserstoff-Atom ein anderes

Wasserstoff-Atom bindet

Die kovalente Bindung definieren

Informationen über die verschiedenen Arten chemischer Formeln erhalten

Einen Blick auf die polare kovalente Bindung und die Elektronegativität werfen

Die ungewöhnlichen Eigenschaften des Wassers verstehen

Manchmal,
auf den wenn ich

Etiketten koche,
zu
bekomme
lesen. Dort
ich
finde meinen
ich

Chemi
meistens
eanfall
eine
und

Menge
beginne,

Salze wie die

Natri Zutaten
umchlorid und viele andere Verbindungen wie Kaliumnitrat, die alle Ionenverbindungen sind (siehe

Kapitel 6). Aber ich finde auch viele Verbindungen wie Zucker, die nicht auf Ionenbindung
basieren.

Wenn eine Verbindung nicht durch Ionen zusammengehalten wird, wie dann? Was hält den

Zucker, den Essig und sogar die DNS zusammen? In diesem Kapitel erörtere ich die andere
wichtige Art der Bindung: die kovalente Bindung. Ich erkläre die Grundlagen mit einer äußerst
einfachen kovalenten Verbindung, nämlich Wasserstoff, und ich erzähle Ihnen etwas Cooles
über die ungewöhnlichste kovalente Verbindung, die ich kenne - das Wasser.

Grund/atJen der korlatenten ßinduntJ.

Eine Ionenbindung ist eine chemische Bindung, die durch die Übertragung von Elektronen
von einem Metall auf ein Nichtmetall entsteht, was zur Bildung von entgegengesetzt geladenen

Ionen - Kationen (positive Ladung) und Anionen (negative Ladung) - und der Anziehung
zwischen jenen entgegengesetzt geladenen Ionen führt. Die treibende Kraft in diesem ganzen

Prozess ist das Bestreben, ein vollständig aufgefülltes Valenzenergieniveau und damit ein
komplettes atomares Oktett zu bilden. (Eine vollständigere Erklärung dieses Konzepts finden

Sie in Kapitel 6.)

Es gibt jedoch viele andere Verbindungen, in denen ein solcher Elektronentransfer nicht
vorkommt. Die treibende Kraft ist immer noch das Gleiche: das Erreichen eines gefüllten

Valenzenergieniveaus. Aber, anstatt dieses durch Gewinnen oder Verlieren von Elektronen zu
erreichen, teilen sich die Atome in diesen Verbindungen Elektronen. Das ist die Grundlage
einer kovalenten Bindung.

---· ns -

---• Chemie für Dummies

Ein �asserstoffbeispiel

Wasserstoff hat die Nummer 1 im Periodensystem - er steht oben links in der Ecke. Der in der

Natur vorkommende Wasserstoff besteht meistens nicht nur aus einem einzelnen Atom. Er
tritt hauptsächlich als Hz, eine zweiatomige (aus zwei Atomen bestehende) Verbindung, auf.

(Da ein Molekül eine Kombination von zwei oder mehr Atomen ist, wird Hz ein biatomares

Molekül genannt.)

Wasserstoff hat ein Valenzelektron. Er würde gerne ein anderes Elektron gewinnen, um sein

1s-Energieniveau zu füllen, das ihn mit Helium, dem nächsten Edelgas, isoelektronisch machen
würde (weil beide dann dieselbe Elektronenkonfiguration hätten). Energiestufe 1 kann nur zwei

Elektronen im 1s-Orbital aufnehmen, sodass diese Stufe bei Aufnahme eines weiteren Elektrons
aufgefüllt ist. Das ist die treibende Kraft des Wasserstoffs, der so das Valenzenergieniveau füllt
und dieselbe Elektronenanordnung wie das nächste Edelgas erreicht.

Stellen Sie sich vor, ein Wasserstoff-Atom überträgt sein einzelnes Elektron auf ein anderes

Wasserstoff-Atom. Das Wasserstoff-Atom, das das Elektron erhält, füllt seine Valenzschale und
erreicht Stabilität, während es ein Anion (H-) wird. Jetzt aber hat das andere Wasserstoff-Atom
kein Elektron mehr (H+) und wird noch instabiler. Dieser Prozess von Elektronenverlust und

-gewinn geschieht aber nicht, da es das Bestreben beider Atome ist, ihr Valenzenergieniveau
zu komplettieren. Also kann die Hz-Verbindung sich nicht aus dem Verlust oder Gewinn von

Elektronen ergeben. Was geschehen kann, ist, dass die beiden Atome ihre Elektronen miteinander teilen. Auf der atomaren Ebene wird dieses Miteinanderteilen von Elektronenorbitalen (manchmal Elektronenwolken genannt) als ein Überlappen dargestellt. Die zwei Elektronen

(eins von jedem Wasserstoff-Atom) »gehören« beiden Atomen. Jedes Wasserstoff-Atom fühlt
die Wirkung beider Elektronen; jedes hat auf eine Weise sein Valenzenergieniveau aufgefüllt.

Eine kovalente Bindung ist damit gebildet - eine chemische Bindung, die auf dem Teilen eines
oder mehrerer Elektronen beruht, bildet Paare zwischen zwei Atomen. Das Überlappen der

Elektronenorbitale und das Teilen eines Elektronenpaars ist in Abbildung 7.1 (a) dargestellt.

(a ) 0 +

H

0 --

H

CD

Hz

(b)

H •

+

• H

H : H

( c )

H •

+

• H

H - H

Abbildung 7.1: Die Bildung der kovalenten Bindung beim Wasserstoff

Eine andere Möglichkeit, diesen Prozess darzustellen, ist durch die Verwendung einer ElektronenpunktformeL In dieser Art der formalen Darstellung sind Valenzelektronen als Punkte

- 1 16 ---·

----------• 7 > Korlaiente ßindun9: brüderlich teilen ---
dargestellt, die das atomare Symbol umgeben, und die gemeinsamen Elektronen werden zwischen den zwei durch die kovalente Bindung verbundenen Atomen gezeigt. Die Elektronenpunktformel-Darstellung von H2 wird in Abbildung 7.1 (b) gezeigt.

Ich verwende meistens eine leichte Änderung der so genannten Elektronenpunktformel, die

Lewis-Strukturformel; sie ist grundsätzlich das Gleiche wie die Elektronenpunktformel, aber
das gemeinsame Elektronenpaar (die kovalente Bindung) wird mit einem Strich dargestellt.

Die Lewis-Strukturformel wird in Abbildung 7. 1 ( c) gezeigt. (Schauen Sie mal in den Abschnitt

Strukturierte Formeln: Fügen Sie das Verbindungsmuster hinzu, um mehr darüber zu erfahren, wie man Strukturformeln bei kovalenten Verbindungen schreibt.) Zusätzlich zu Wasserstoff gibt es sechs andere Elemente in der Natur in der biatomaren Form: Sauerstoff (02), Stickstoff (N2), Fluor (F2), Chlor (Cl2), Brom (Br2) und Jod (12). Wenn ich nun über Sauerstoffgas oder flüssiges Brom rede, rede ich
über die biatomaren Verbindungen (biatomaren Moleküle).

Hier ist noch ein Beispiel für die Verwendung der Elektronenpunktformel zur Darstellung des
gemeinsamen Elektronenpaars einer biatomaren Verbindung: Dieses Mal ist es Brom (Br 2), ein

Mitglied der Halogenfamilie (siehe Abbildung 7.2). Die zwei Halogen-Atome, jedes mit sieben

Valenzelektronen, teilen ein Elektronenpaar und füllen ihr Oktett.

. .

. .

: Br

-- : Br : Br :

·

+

: Br ·

( : ß"r - ß"r : )

. .

. .

Abbildung 7.2: Die kovalente Bindung beim Brom
tlertjleich der koc!alenten ßindun9 mit anderen ßindun9sarten

Ionenbindung tritt bei der Verbindung von einem Metall und einem Nichtmetall auf. Kovalente

Bindung finden wir dagegen bei zwei Nichtmetallen. Die Eigenschaften dieser zwei Arten von

Verbindungen sind durchaus verschieden. Ionenverbindungen sind normalerweise Festkörper
bei Raumtemperatur, während kovalente Verbindungen Festkörper, Flüssigkeiten oder Gase
sein können. Ionenverbindungen (Salze) haben normalerweise einen viel höheren Schmelzpunkt als kovalente Bindungen. Außerdem tendieren Ionenverbindungen dazu, Elektrolyte zu sein, und kovalente Verbindungen neigen dazu, Nichtelektrolyte zu sein. (In Kapitel 6 finden

Sie alles über Ionenbindung, Elektrolyte und Nichtelektrolyte.)

Ich weiß, was Sie jetzt denken: »Wenn Metalle mit Nichtmetallen zu Ionenverbindungen reagieren, und Nichtmetalle mit anderen Nichtmetallen kovalente Bindungen bilden, reagieren denn Metalle mit anderen Metallen?« Die Antwort ist Ja und Nein.

Metalle reagieren nicht wirklich mit anderen Metallen und bilden dabei Verbindungen. Stattdessen kombinieren die Metalle zu so genannten Legierungen, das heißt Lösungen des einen

---• 1 7 7 -

---• Chemie für Dummies

Metalls in einem anderen. Aber es gibt so etwas wie eine metallische Bindung sowohl in

Legierungen als auch in reinen Metallen. Bei der metallischen Bindung befinden sich die Valenzelektronen jedes Metall-Atoms in einem so genannten Elektronensee und werden von all den Atomen im Metall geteilt. Diese Valenzelektronen sind frei, um sich überall im Material
zu bewegen, anstatt fest an einen einzigen Metallkern gebunden zu sein. Die Fähigkeit der

Valenzelektronen, sich überall im ganzen Metall zu bewegen, ist der Grund, warum Metalle
dazu tendieren, Elektrizität und Wärme gut zu leiten.

Zum Verständnis der VielfachbinduniJ.

Ich definiere kovalente Bindung als das Teilen von einem oder mehreren Elektronpaaren. In

Wasserstoff und einigen anderen biatomaren Molekülen gibt es nur ein solches Elektronenpaar.

Aber in vielen kovalenten Bindungen ist mehr als ein Elektronenpaar beteiligt. In diesem Abschnitt lernen Sie ein Beispiel für ein Molekül kennen, das mehr als ein Elektronenpaar teilt.

Stickstoff (N2) ist ein biatomares Molekül in der VA-Familie des Periodensystems, was bedeutet,
dass er fünf Valenzelektronen besitzt (siehe Kapitel 4 zu den Familien des Periodensystems).

Also braucht Stickstoff drei weitere Valenzelektronen, um sein Oktett zu komplettieren.

Ein Stickstoff-Atom kann sein Oktett durch Teilen von drei Elektronen mit einem anderen

Stickstoff-Atom füllen und drei kovalente Bindungen, eine so genannte dreifache Bindung,
formen. Die dreifache Bindung des Stickstoffs wird in Abbildung 7.3 gezeigt.

- · N ··· N·

+

. . . . .

( : N = N: )

Abbildung 7.3: Die Form der Dreifachbindung beim Stickstoff

Eine Dreifachbindung ist nicht etwa dreimal so stark wie eine einzelne Bindung, aber sie ist
sehr stark. In der Tat ist die dreifache Bindung in Stickstoff eine der stärksten Bindungen,
die man kennt. Diese starke Bindung ist es, die den Stickstoff so stabil und beständig bei der

Reaktion mit anderen Chemikalien macht. Sie ist auch der Grund, warum viele explosive Verbindungen (wie TNT und Ammoniumnitrat) Stickstoff enthalten. Wenn diese Verbindungen in einer chemischen Reaktion auseinander brechen, bildet sich Stickstoffgas (N2), wobei viel

Energie freigegeben wird.

Kohlenstoffdioxid (C02) ist ein anderes Beispiel für eine Mehrfachbindung. Kohlenstoff kann
mit Sauerstoff reagieren, um dabei Kohlenstoffdioxid zu bilden. Kohlenstoff hat vier Valenzelektronen, Sauerstoff hat sechs. Kohlenstoff kann je zwei seiner Valenzelektronen mit einem der zwei Sauerstoff-Atome teilen und zwei Doppelbindungen bilden. Diese Doppelbindungen
werden in Abbildung 7.4 gezeigt.

- 1 1s ----

----------- 7 >- Kollafente BinduntJ: brüderlich teilen -====m-

. c . + 2 · 0 : - · o - c - o ·

. - - .

Abbildung 7.4: Die Bildung des Kohlenioxids

Es 9ibt keine Salzmoleküle!

Ein Molekül ist eine kovalente Verbindung. Es ist technisch nicht ganz richtig, Natriumchlorid als Molekül zu bezeichnen. Viele Chemiker tun es trotzdem. Es ist etwa wie das Benutzen der falschen Gabel bei einem feinen Abendessen. Einige Leute bemerken es,
andere nicht oder sie interessieren sich nicht dafür. Nur, damit Sie's wissen, der richtige

Ausdruck für Ionenverbindungen ist Forme/bindung.

Das Benennen flon binären kotlatenten Verbindun9en

Binäre Verbindungen sind aus nur zwei Elementen bestehende Verbindungen, wie Kohlenstoffdioxid (C02) . Man verwendet bei den Namen der binären Verbindungen Präfixe, um die Anzahl von Atomen von jedem Nichtmetallbeitrag anzugeben. Tabelle 7.l listet die üblichsten Präfixe
für binäre kovalente Verbindungen auf.

Anzahl der Atom

Präfix

1
mono ...

2
di ...

3
tri...

4
tetra .. .

5
penta .. .

6
hexa .. .

7
hepta .. .

8
octa .. .

9
nona .. .

10
deca .. .

Tabelle 7.1: Präfixe für binäre kovalente Verbindungen

Im Allgemeinen wird das Präfix mono ... selten verwendet. Kohlenstoffmonooxid ist eine der
wenigen Ausnahmen.

Werfen Sie einen Blick auf die folgenden Beispiele, um zu sehen, wie die Präfixe beim Benennen von binären kovalenten Verbindungen angewendet werden (ich habe die Präfixe für Sie fett gedruckt) :

---· 1 1 9 -

---· Chemie für Dummies

C02

Kohlenstoffdioxid

P4010

Tetraphosphordecoxid (Chemiker versuchen, ein a und ein o zusammen im Oxid-
namen, wie bei Decaoxid, zu vermeiden und lassen deshalb das a im Präfix weg.)

S03

Schwefeltrioxid

N204

Distickstofftetroxid

Dieses Benennungsverfahren wird nur bei binären Nichtmetallen verwendet. Es gibt eine

Ausnahme - Mn02 wird allgemein Mangandioxid genannt.

So fliele Formeln, so weni9 Zeit

In Kapitel 6 zeige ich, wie die Formel von einer Ionenbindung auf der Basis des Verlusts und

Gewinns von Elektronen gebildet wird, um schließlich eine Edelgaskonfiguration zu erreichen.

(Wenn Sie Ca mit Cl zur Reaktion bringen, wissen Sie, dass das Salz CaC12 entstehen wird.) Bei
kovalenten Verbindungen können Sie diese Art der Voraussage nicht mehr so einfach treffen,
weil sie auf viele Arten kombinieren können und viele verschiedene mögliche kovalente Verbindungen dabei herauskommen können.

Meistens müssen Sie die Formel des Moleküls kennen, das Sie untersuchen. Sie können aber
mehrere verschiedene Arten von Formeln haben, und jede liefert eine geringfügig andere

Information. Na, super.

Empirische Formel: Nur Elemente

Die empirische Formel zeigt die verschiedenen Arten von Elementen in einem Molekül und
den niedrigsten ganzzahligen Anteil des Atoms im Molekül. Nehmen wir zum Beispiel an, wir
haben eine Verbindung mit der empirischen Formel C2H60. Es gibt drei verschiedene Arten von

Atomen in dieser Verbindung: C, H und 0. Sie befinden sich im niedrigstmöglichen ganzzahligen Verhältnis untereinander, nämlich 2 C-, 6 H- und 1 0-Atom(e), so dass die tatsächliche Formel hierfür (die Molekülformel oder wirkliche Formel genannt) C2H60, C4H12Ü2, C6H18Ü3,

C8H2404 oder ein anderes Vielfaches von 2:6:1 sein könnte.

Molekulare oder wirkliche Formel: Das »Innere« der Zahlen

Die molekulare Formel oder wirkliche Formel gibt die Arten von Atomen in der Verbindung
und die tatsächliche Anzahl jedes Atoms an. Sie können zum Beispiel bestimmen, dass die
empirische Formel C2H60 tatsächlich die molekulare Formel ist, was bedeutet, dass es tatsächlich zwei Kohlenstoff-Atome, sechs Wasserstoff-Atome und ein Sauerstoff-Atom in der Verbindung gibt.

- 1 2o ----

----------- 7 > Koflalente 8indun9: brüderlich teilen ---

Für Ionenverbindungen reicht diese Formel aus, die Verbindung vollständig zu identifizieren,
aber sie reicht nicht, kovalente Verbindungen zu identifizieren. Einen Blick auf die Lewis-Formeln zeigt Abbildung 7.5. Beide Verbindungen haben die molekulare Formel von C2H60.

H

H

H H

H - C - 0 - C - H

H - C - C - 0 - H

I

H

H

H H

Dirnethylether

Ethyla lkohol

Abbildung 7.5: Zwei mögliche Verbindungen von Cjfp

Beide Verbindungen in Abbildung 7.5 haben zwei Kohlenstoff-Atome, sechs Wasserstoff-Atome
und ein Sauerstoff-Atom. Der Unterschied besteht in der Art, wie die Atome miteinander verknüpft sind oder welches Atom an welches gebunden ist. Dies sind zwei ganz verschiedene Verbindungen mit zwei ganz verschiedenen Spektren von Eigenschaften. Das auf der linken Seite wird Dirnethylether genannt. Diese Verbindung wird bei einigen Kühlungsgeräten verwendet
und ist sehr leicht entzündlich. Das auf der rechten Seite ist Ethylalkohol, der trinkbare Alkohol. Nur die Molekülformel zu kennen reicht nicht, um zwischen den beiden zu unterscheiden.

Stellen Sie sich nur einmal vor, Sie gehen in ein Restaurant, bestellen ein Glas C2H60 und
bekommen Dirnethylether statt Tequila!

Verbindungen, die dieselbe molekulare Formel, aber verschiedene Strukturen
haben, werden Isomere genannt.

Um die genaue kovalente Verbindung zu identifizieren, brauchen Sie ihre Strukturformel.

Küssen ist immer utichti9

Viele Moleküle befolgen die Oktettregel: Jedes Atom in der Verbindung wird mit einem
vollen Oktett von acht Elektronen vollendet, so dass sein Valenzenergieniveau aufgefüllt
ist. Wie die meisten Regeln hat die Oktettregel auch Ausnahmen. Einige stabile Moleküle
haben Atome mit nur sechs Elektronen und einige wenige haben zehn oder zwölf. Im Abschnitt Wie sieht Wasser wirklich aus? Die VSEPR-Theorie weise ich auf einige Beispiele für Verbindungen hin, die die Oktettregel nicht befolgen. In diesem Buch fokussiere ich
jedoch meistens die Fälle, in denen die Oktettregel befolgt wird.

Ich hänge sehr am KISS-Prinzip - Keep it Simple, Silly! Elektronenpunktformeln werden von organischen Chemikern häufig verwendet, um zu erklären, warum bestimmte Verbindungen so reagieren, wie sie es tun, und sie sind ein erster Schritt, die molekulare

Geometrie einer Verbindung zu bestimmen.

---• 1 2 1 -

---• Chemie für Dummies

Strukturierte Formeln: FülJen Sie das BinduntJsmuster hinzu

Um eine Formel für die genaue Verbindung aufzuschreiben, die Sie im Sinn haben, müssen

Sie oft die Strukturformel anstelle der molekularen Formel aufstellen. Die Strukturformel
zeigt die Elemente in der Verbindung, die genaue Anzahl jedes Atoms in der Verbindung und
das Bindungsmuster. Die Elektronenpunktformel und die Lewis-Formel sind Beispiele für

Strukturformeln.

Die Elektronenpunktformet für Wasser

Die folgenden Schritte erläutern, wie die Elektronenpunktformel für ein einfaches Molekül -
das Wassermolekül - zu schreiben ist, und liefern einige generelle Leitlinien und Regeln, denen
man folgen sollte:

1. Notieren Sie eine Skelettstruktur, die ein vernünftiges Bindungsmuster zeigt, nur mit

Hilfe der Elementsymbole.

Oft sind die meisten Atome an ein einzelnes anderes Atom gebunden. Dieses Atom wird
das zentrale Atom genannt. Wasserstoff und die Halogene sind sehr selten, wenn jemals,
zentrale Atome. Kohlenstoff, Silizium, Stickstoff, Phosphor, Sauerstoff und Schwefel sind
immer gute Kandidaten hierfür, weil sie mehr als eine kovalente Bindung beim Auffüllen
ihres Valenzenergieniveaus bilden. Im Fall von Wasser, H20, ist Sauerstoff das zentrale

Element, und die Wasserstoff-Atome werden beide an den Sauerstoff gebunden. Das Bindungsmuster sieht wie folgt aus: QH

H

Es ist nicht wichtig, wohin Sie die Wasserstoff-Atome um den Sauerstoff herum platzieren, im Abschnitt Wie sieht Wasser wirklich aus? Die VSEPR-Theorie später in diesem Kapitel werden Sie sehen, warum ich die Wasserstoff-Atome in einen 90-Grad-Winkel zueinander platziere, aber es ist wirklich nicht wichtig, wenn es um Elektronenpunkt- (oder Lewis-) Formeln geht.

2. Nehmen Sie die Valenzelektronen aller Atome und werfen Sie sie in einen Elektronentopf.

Jedes Wasserstoff-Atom hat ein Elektron, und das Sauerstoff-Atom hat sechs Valenzelektronen (VIA-Familie), sodass Sie acht Elektronen in Ihrem Elektronentopf haben. Dies sind die Elektronen, die Sie verwenden, wenn Sie Ihre Bindungen konstruieren und das

Oktett jedes Atoms vollenden.

O H

H

Elektronentopf

- 122 ----

----------- 7 >- Korlaiente 8indun9: brüderlich teilen ---

3. Verwenden Sie die Gleichung N - A = S, um die Anzahl von Bindungen in diesem Molekül
zu bestimmen. In dieser Gleichung ist

N die Summe der Anzahl von Valenzelektronen, die jedes Atom aufnehmen kann. N
hat nur zwei mögliche Werte: 2 oder 8. Wenn das Atom Wasserstoff ist, ist es 2; wenn
es irgendetwas anderes ist, ist es 8.

A die Summe der Anzahl der für jedes Atom verfügbaren Valenzelektronen. Wenn Sie
die Struktur eines Ions aufstellen, fügen Sie ein Elektron für jede Einheit negativer

Ladung hinzu, wenn es ein Anion ist, oder subtrahieren Sie ein Elektron für jede Einheit positiver Ladung, wenn es ein Kation ist. A ist die Anzahl von Valenzelektronen in Ihrem Elektronentopf.

S die Anzahl von Elektronen, die an dem Molekül beteiligt sind. Und, wenn Sie S durch

2 teilen, haben Sie die Anzahl von kovalenten Bindungen im Molekül.

Also im Falle von Wasser:

N = 8 + 2 (2) = 12 (acht Valenzelektronen für das Sauerstoff-Atom, plus zwei für jedes
der zwei Wasserstoff-Atome)

A = 6 + 2 (1) = 8 (sechs Valenzelektronen für das Sauerstoff-Atom plus eins für jedes
der zwei Wasserstoff-Atome)

S

4

=

12 - 8 = (vier Elektronen beteiligten sich an der Bildung des Wassermoleküls),
und S/2 = 4/2 = 2 Bindungen.

Sie wissen jetzt, dass es zwei Bindungen (zwei gemeinsame Elektronenpaare) in Wasser gibt.

4. Verteilen Sie die Elektronen aus Ihrem Elektronentopf, um die Bindungen zu erklären.

Sie verwenden vier Elektronen von den acht im Topf, so dass Sie später vier verteilen
können. Es muss mindestens eine Bindung des zentralen Atoms zu den Atomen geben,
die es umgeben.

Q: H

H

0 .

Elektronentopf

5. Verteilen Sie den Rest der Elektronen (normalerweise in Paaren), so dass jedes Atom
sein volles Oktett von Elektronen erreicht.

Erinnern Sie sich daran, dass Wasserstoff nur zwei Elektronen braucht, um sein Valenzenergieniveau zu füllen? In diesem Fall hat jedes Wasserstoff-Atom zwei Elektronen, aber das Sauerstoff-Atom hat nur vier, sodass die übrigen vier Elektronen um den Sauerstoff
herum verteilt werden. Dies leert Ihren Elektronentopf. Die fertige Elektronenpunktformel
für Wasser wird in Abbildung 7.6 gezeigt.

---• 1 23 -

---• Chemie für Dummies

: 0 : H

H

Abbildung 7.6: Die Elektronenpunktformel für Hp

Beachten Sie, dass es tatsächlich zwei Arten von Elektronen in dieser Strukturformel gibt:

Bindungselektronen, also die Elektronen, die zwischen zwei Atomen geteilt werden, und Nichtbindungselektronen, also die Elektronen, die nicht geteilt werden. Die letzten vier Elektronen (zwei Elektronenpaare), die Sie um Sauerstoff herum platzieren, werden nicht geteilt, sodass
sie Nichtbindungselektronen sind.

Die Lewis·Formel für Wasser

Wenn Sie die Lewis-Formel für Wasser haben wollen, brauchen Sie lediglich einen Strich für
jedes Ektronenpaar hinzuzeichnen. Das Ergebnis sehen Sie in Abbildung 7.7:

Abbildung 7. 7: Die Lewis-Formel für Wasser, Hp

Nun ein Beispiel für eine etwas kompliziertere Lewis-Formel: C2Hp.

Die Verbindung funktioniert wie folgt:

H

H C C 0

H H

Elektronentopf

Beachten Sie, dass hier nicht ein, sondern zwei zentrale Atome - die zwei Kohlenstoff-Atome -
vorkommen. Sie können 18 Valenzelektronen in den Elektronentopf werfen: vier für jedes

Kohlenstoff-Atom, zwei für jedes Wasserstoff-Atom und sechs für das Sauerstoff-Atom.

Jetzt wenden Sie die Gleichung N - A = S an:

N = 2 (8) + 4(2) + 8 = 32 (zwei Kohlenstoff-Atome mit je acht Valenzelektronen plus vier Wasserstoff-Atome mit je zwei Valenzelektronen plus ein Sauerstoff-Atom mit acht Elektronen)

- 1 2ll ----

----=------• 7 � Korlaiente ßindun9: brüderlich teilen ---

A = 2 (4) + 4(1) + 6 = 18 (vier Elektronen für jedes der zwei Kohlenstoff-Atome plus ein Elektron
für jedes der vier Wasserstoff-Atome plus sechs Valenzelektronen für das Sauerstoff-Atom)

S = 32 - 18 = 14, und S/2 = 14/2 = 7 Bindungen

Fügen Sie die einzelnen Bindungen der Kohlenstoff-Atome und des Wasserstoff-Atoms, der
zwei Kohlenstoff-Atome und des Kohlenstoff-Atoms und des Sauerstoff-Atoms hinzu. Das sind
sechs Ihrer sieben Bindungen.

H

H : C : C:O

H H

Elektronentopf

Es gibt nur eine Stelle, wo die siebte Bindung liegen kann, und das ist zwischen dem Kohlenstoff-Atom und dem Sauerstoff-Atom. Sie kann nicht zwischen einem Kohlenstoff-Atom und einem Wasserstoff-Atom sein, weil das die Valenzenergieebene des Wasserstoffs überfüllen
würde. Und es kann nicht zwischen den zwei Kohlenstoff-Atomen sein, weil das dem Kohlenstoff auf der linken Seite zehn Elektronen statt acht zuordnen würde. Also muss es eine doppelte Bindung zwischen dem Kohlenstoff-Atom und dem Sauerstoff-Atom geben. Die vier
übrigen Elektronen im Topf müssen um das Sauerstoff-Atom herum verteilt werden, weil all
die anderen Atome ihr Oktett erreicht haben. Die zugehörige Elektronenpunktformel wird in

Abbildung 7.8 gezeigt.

H

0 0

H : c : c : : o

H H

Abbildung 7.8: Elektronenpunktformel für C2Hp

Wenn Sie die Elektronenpaare in Striche umwandeln, haben Sie die Lewis-Formel von C2H40,
wie in Abbildung 7.9 gezeigt.

H I

H - C - C 0

= -

I

I

H H

Abbildung 7.9: Die Lewis-Formel für C2Hp

Ich mag die Lewis-Formel, weil sie einem ermöglicht, viel Information zu zeigen, ohne all
die kleinen Punkte zeichnen zu müssen. Aber sie ist auch ziemlich sperrig. Manchmal verwenden Chemiker (die im Allgemeinen eine faule Spezies sind) verdichtete Strukturformeln,

---• 1 25 -

---• Chemie für Dummies
um Bindungsmuster zu zeigen. Sie können die Lewis-Formel durch Weglassen der Nichtbindungselektronen und Gruppieren von Atomen und/oder durch Weglassen von bestimmten Strichen (kovalenten Bindungen) komprimieren. Zwei verdichtete Formeln für C2H40 werden
in Abbildung 7.10 gezeigt.

Abbildung 7.10: Verdichtete Strukturformeln für C2Hp

EiniiJe Atome sind attraktitler als andere

Wenn sich ein Chlor-Atom kovalent an ein anderes Chlor-Atom bindet, wird das gemeinsame

Elektronenpaar gleich geteilt. Die Elektronendichte, die die kovalente Bindung umfasst, befindet sich zwischen den zwei Atomen. Jedes Atom zieht die zwei Bindungselektronen gleich an.

Aber was geschieht, wenn die zwei durch diese Bindung verbundenen Atome nicht die gleichen
sind? Die zwei positiv geladenen Kerne haben verschiedene Anziehungskräfte; sie »ziehen«
an dem Elektronenpaar verschieden stark. Das Endergebnis ist, dass das Elektronenpaar in

Richtung eines Atoms verschoben ist. Auf die Frage, in Richtung welchen Atoms sich das

Elektronenpaar verschiebt, liefert der Begriff der Elektronegativität eine Antwort.

Das Anziehen flon Elektronen: Elektronet}atiflitäten

Elektronegativität ist die Kraft, mit der ein Atom ein Elektronen-Bindungspaar anzieht. Je
größer die Elektronegativität ist, desto größer ist die Kraft des Atoms, ein Elektronen-Bindungspaar anzuziehen. Abbildung 7. 1 1 zeigt die Werte der Elektronegativität verschiedener Elemente unter jedem Elementsymbol im Periodensystem. Beachten Sie, dass mit einigen

Ausnahmen die Elektronegativität innerhalb einer Periode von links nach rechts zunimmt und
innerhalb einer Familie von oben nach unten abnimmt.

Elektronegativitäten sind nützlich, weil sie Informationen darüber geben, was geschieht, wenn
zwei Atome sich miteinander verbinden. Sehen Sie sich zum Beispiel das Cl2-Molekül an. Chlor
hat eine Elektronegativität von 3,0, wie in Abbildung 7. 1 1 gezeigt. Jedes Chlor-Atom zieht die

Bindungselektronen mit einer Kraft von 3,0 an. Weil es eine gleiche Anziehung gibt, wird das

Bindungselektronenpaar gleich zwischen den zwei Chlor-Atomen geteilt und befindet sich in
der Mitte zwischen den zwei Atomen. Eine Bindung, in der das Elektronenpaar gleich geteilt
wird, wird eine unpolare kovalente Bindung genannt. Immer dann, wenn die zwei durch die

Bindung verbundenen Atome die gleichen sind, und immer, wenn der Unterschied zwischen
den Elektronegativitäten der an der Bindung beteiligten Atome sehr klein ist, haben Sie eine
unpolare kovalente Bindung.

- 126 ----

I

�

.

�

:

.

.

.......

y

� � � :: � Ci: ....

:: � � ... :::: � ... - .... g.. � .... � ::

end

9 F

I

4,0

17 Cl

3,0

35 Br

2,8

53

2,5

85 At 2,2

Absteig

8 0 3,5 16 s 2,5 34 Se 2,4 52 Te 2,1 84 Po 2,0

7 N

9

9

3,0

15 p

2,1

33 As 2,0

51 Sb 1,

83 Bi 1,

6 c

8

8

8

9

2,5

14 Si 1,

32 Ge 1,

50 Sn 1,

82 Pb 1,

5 B

5

6

7

8

2,0

13 Al

1,

31 Ga

1,

49 ln

1,

81 Tl

1,

30

6

7

9

Zn

1,

48 Cd 1,

80 Hg

1,

29

9

9

Cu

1,

47 Ag

1,

79 Au

2,4

28

9

Ni

1,

46 Pd 2,2

78 Pt 2,2

9

27 Co 1,

45 Rh 2,2

77 Ir 2,2

�

26

8

Fe

1,

44 Ru 2,2

76 Os 2,2

25

5

9

9

Mn

1,

43 Tc 1,

75 Re 1,

Ansteigend

24

6

8

7

Cr

1,

42 Mo 1,

74 w 1,

23 V 6

6

5

1,

41 Nb 1,

73 Ta 1,

22

5

4

3

Ti

1,

40 Zr 1,

72 Hf 1,

21

3

2

Sc

1,

39 y 1,

57 La 1 '1

89 Ac 1,1

4

5

2

0

0

Be

1,

12 Mg 1,

20 Ca 1,

38 Sr 1,

56 Ba 0,9

88 Ra 0,9

1 H

0

2,1

3 Li 1, 11 Na 0,9 19 K 0,8 37 Rb 0,8 55 Cs 0,7 87 Fr 0,7

.

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---• Chemie für Dummies

Jetzt betrachten Sie Wasserstoffchiarid (Chlorwasserstoff, HCI). Wasserstoff hat eine Elektronegativität von 2,1 und Chlor eine Elektronegativität von 3,0. Das Elektronenpaar, das HCI zusammenbindet, verschiebt sich in Richtung des Chlor-Atoms, weil es einen größeren Wert
der Elektronegativität hat. Eine Bindung, in der das Elektronenpaar in Richtung eines Atoms
versetzt ist, wird eine polarkovalente Bindung genannt. Das Atom, das das Bindungselektronenpaar stärker anzieht, wird etwas negativer, während das andere Atom positiver wird. Je größer der Unterschied zwischen den Elektronegativitäten ist, desto negativer und positiver
werden die Atome.

Jetzt sehen Sie sich einen Fall an, in dem die zwei Atome äußerst verschiedene Elektronegativitäten haben - Natriumchlorid (NaCI). Natriumchlorid ist eine Ionenverbindung (siehe Kapitel 6 zu Informationen über Ionenbindungen). Ein Elektron hat von Natrium zu Chlor
gewechselt. Natrium hat eine Elektronegativität von 1,0 und Chlor eine Elektronegativität von

3,0. Das ist ein Elektronegativitätsunterschied von 2,0 (3,0 - 1,0), was die Bindung zwischen
den zwei Atomen sehr polar macht. In der Tat liefert der Elektronegativitätsunterschied eine

Möglichkeit, die Art der Bindung zwischen den Elementen vorherzusagen.

Unterschied Elektronegativität

Art der erzeugten Bindung

0,0 bis 0,2
unpolar kovalent

0,3 bis 1,4
polar kovalent

> 1,5

Ionen-

Die Gegenwart einer polarkovalenten Bindung in einem Molekül kann einige ziemlich dramatische Wirkungen auf die Eigenschaften eines Moleküls haben.

Polarkof/a/ente ßinduntJ

Wenn die zwei kovalent gebundenen Atome nicht die gleichen Elemente sind, wird, wie erwähnt, das Bindungspaar in Richtung eines der beiden Atome gezogen, wobei dieses Atom etwas negativer und das andere Atom etwas positiver wird. In den meisten Fällen hat das Molekül ein positives und ein negatives Ende, genannt einen Dipol (an einen Magneten denken).

Abbildung 7.12 zeigt Beispiele für Moleküle, bei denen sich Dipole gebildet haben (das kleine
griechische Symbol von den Ladungen bezieht sich auf eine Teilladung).

8+

8-

HF

Abbildung 7.12: Polarkavalente Bindung beim HF und beim NH3 .

- 128 ----

----------· 7 � Kotlaiente Bindun9: brüderlich teilen ---

In Wasserstofffluorid (HF) wird das Bindungselektronenpaar viel näher zum Fluor-Atom gezogen als zum Wasserstoff-Atom, so dass das Fluorende teilweise negativ und das Wasserstoffende teilweise positiv geladen wird. Das Gleiche finden wir bei Ammoniak (NH3); der Stickstoff
hat eine größere Elektronegativität als Wasserstoff, so dass die Elektroneo-Bindungspaare
mehr zum Stickstoff hingezogen werden als zu den Wasserstoff-Atomen. Das Stickstoff-Atom
übernimmt eine teilnegative Ladung, und die Wasserstoff-Atome bekommen eine teilpositive

Ladung.

Die Gegenwart einer polarkovalenten Bindung erklärt, warum einige Substanzen sich in einer
chemischen Reaktion so verhalten, wie man das beobachten kann: Weil dieses Molekül einen
positiven und einen negativen Pol besitzt, kann es den Teil eines anderen Moleküls mit der
entgegengesetzten Ladung anziehen.

Außerdem kann diese Art des Moleküls wie ein schwacher Elektrolyt wirken, weil eine polarkovalente Bindung es ermöglicht, dass die Substanz elektrisch leitfähig ist. Wenn also ein Chemiker möchte, dass ein Material als eine gute Isolierung (etwas, das benutzt wird, um
leitfähige Substanzen voneinander zu trennen) funktioniert, nimmt er ein Material mit einer
möglichst schwachen polarkovalenten Bindung.

Wasser: Ein wirklich fremdartitJ.es Molekül

Wasser (H20) hat einige sehr eigenartige chemische und physikalische Eigenschaften. Es kann
zur selben Zeit in allen drei Aggregatzuständen existieren. Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in

Ihrer (mit flüssigem, heißem Wasser gefüllten) Badewanne und beobachten, wie der Dampf

(Gas) von der Oberfläche aufsteigt, wie Sie ein kühles Getränk aus einem mit Eis (Festkörper)

gefüllten Glas genießen. Sehr wenige andere chemische Substanzen können in all diesen
physischen Zuständen in einem einzigen Temperaturbereich existieren.

Und jene Eiswürfel schwimmen! Im festen Zustand sind die Partikel in Materie normalerweise
viel näher zusammen als im flüssigen Zustand. Wenn Sie einen Festkörper in seine eigene

Flüssigkeit legen, sinkt er. Aber das gilt nicht für Wasser. Wasser hat im festen Zustand eine
geringere Dichte als im flüssigen. Folglich schwimmt Eis auf Wasser. Stellen Sie sich vor,
was geschähe, wenn Eis sinken würde. Im Winter würden die Seen einfrieren, und das Eis
würde auf den Boden sinken, wobei mehr Wasser der Kälte ausgesetzt wird. Das zusätzliche
ungeschützte Wasser würde ebenso einfrieren und sinken, bis der ganze See fest eingefroren
wäre. Dies würde das Leben im See in sehr kurzer Zeit zerstören. Stattdessen schwimmt das

Eis und isoliert das Wasser darunter, wobei es das Leben im Wasser schützt. Der Siedepunkt
des Wassers ist ungewöhnlich hoch. Andere Verbindungen mit ähnlichem Gewicht haben einen
viel niedrigeren Siedepunkt.

Eine andere einzigartige Eigenschaft des Wassers ist seine Fähigkeit, eine Vielzahl chemischer

Substanzen lösen zu können. Es löst Salze und andere Ionenverbindungen wie auch polarkovalente Verbindungen wie Alkohole und organische Säuren. In der Tat wird Wasser manchmal das Universallösungsmittel genannt, weil es so viele Dinge auflösen kann. Es kann auch große Wärmemengen absorbieren. Das ermöglicht es, dass große Wasservolumina helfen, die

Temperatur auf der Erde zu mäßigen.

---· 1 29 -

---• Chemie für Dummies

Wasser hat wegen seiner polarkovalenten Bindungen viele ungewöhnliche Eigenschaften. Sauerstoff hat eine größere Elektronegativität als Wasserstoff, so dass die Elektronenpaare näher zum Sauerstoff-Atom hingezogen werden und ihm so eine teilnegative Ladung geben. Dabei
übernehmen beide Wasserstoff-Atome eine teilpositive Ladung. Die Teilladungen auf den von
den polarkovalenten Bindungen in Wasser geschaffenen Atomen werden in Abbildung 7. 13
gezeigt.

HzD

Abbildung 7.13: Polarkavalente Bindung beim Wasser

Wasser ist ein Dipol und funktioniert fast wie ein Magnet mit einem Sauerstoffpol, der eine
negative Ladung hat, und dem Wasserstoffpol, der eine positive Ladung hat. Diese geladenen

Pole können andere Wassermoleküle anziehen. Das teilweise negativ geladene Sauerstoff-Atom
eines Wassermoleküls kann das teilweise positiv geladene Wasserstoff-Atom eines anderen

Wassermoleküls anziehen. Diese Anziehung zwischen den Molekülen tritt häufig auf und ist
eine Art von intermolekularer Kraft (Kraft zwischen verschiedenen Molekülen).

Intermolekulare Kräfte können in drei verschiedenen Formen auftreten. Die erste Art wird

London 'sche Dispersionskraft oder Dispersionskraft genannt. Diese sehr schwache Art der

Anziehung tritt im Allgemeinen zwischen unpolar-kovalenten Molekülen wie Stickstoff (N2),

Wasserstoff (H2) oder Methan (CH4) auf. Sie ergibt sich aus dem Auf und Ab der Elektronenorbitale, wobei eine sehr kurze und schwache Ladungstrennung auftritt.

Die zweite Art der intermolekularen Kraft wird Dipol-Dipol-Wechselwirkung genannt. Diese
intermolekulare Kraft tritt auf, wenn das positive Ende des einen Dipolmoleküls vom negativen

Ende eines anderen Dipolmoleküls angezogen wird. Sie ist viel stärker als die Dispersionskraft,
aber sie ist immer noch ziemlich schwach.

Die dritte Art der Interaktion ist eine wirklich äußerst starke Dipol-Dipol-Wechselwirkung,
die auftritt, wenn ein Wasserstoff-Atom sich mit einem der drei extrem elektronegativen Elemente 0, N oder F verbindet. Diese drei Elemente haben eine sehr starke Anziehung auf das Elektronenpaar, so dass die durch diese Bindung verbundenen Atome ein hohes Maß an Teilladung erhalten. Diese Bindung ist hoch polar - und je höher die Polarität, desto wirksamer die Bindung. Wenn das 0, N oder F eines Moleküls den Wasserstoff eines anderen Moleküls
anzieht, ist die Dipol-Dipol-Wechselwirkung sehr stark. Diese starke Wechselwirkung wird

Wasserstoffbrückenbindung genannt. Sie beträgt nur etwa fünf Prozent einer gewöhnlichen
kovalenten Bindung, ist aber für eine intermolekulare Kraft immer noch sehr stark. Die Wasserstoffbrückenbindung ist die Art von Wechselwirkung, die man im Wasser vorfindet (siehe Abbildung 7.14).

----------• 7 > Korlaiente Bindump brüderlich teilen ---

I

Wasserstoff-
y brückenbindungen

- -
ö+

<P, -

\

HzD

I I ö-

<P.

Abbildung 7.14: Wasserstoffbrückenbindung beim Wasser

Wassermoleküle werden von diesen Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert, so dass es sehr
schwer ist, die Moleküle zu lösen (zu trennen). Die Wasserstoffbrückenbindung ist für den
hohen Siedepunkt verantwortlich und dafür, dass das Wasser sehr große Wärmemengen absorbieren kann. Wenn Wasser gefriert, schließen die Wasserstoffbrückenbindungen Wasser in einem weiträumigen Gitter mit viel leerem Platz ein. In flüssigem Wasser können die Moleküle
einander etwas näher kommen, aber wenn sie einen festen Körper bilden, führen die Wasserstoffbrückenbindungen zu einer Struktur, die große Zwischenräume enthält. Diese Zwischenräume erhöhen das Volumen und vermindern die Dichte. Dieser Prozess erklärt, warum die Dichte des Eises geringer ist als die von flüssigem Wasser (weshalb Eis auf Wasser schwimmen
kann). Die Struktur des Eises wird in Abbildung 7.15 gezeigt, die Punktlinien kennzeichnen

Wasserstoffbrückenbindungen.

�--�

/

Wmmtoff

�

/ brückenbindungen
cP···cxt r

J>o-�

Abbildung 7.15: Die Struktur von Eis

---• 13 1 -

---• Chemie für Dummies

Wie sieht Wasser wirklich aus] Die VSEPR-Theorie

Die molekulare Geometrie eines Moleküls, also die Anordnung der Atome im dreidimensionalen Raum, ist wichtig, damit Chemiker wissen, ob und warum bestimmte Reaktionen auftreten oder nicht. Im Bereich der Medizin kann zum Beispiel die molekulare Geometrie
eines Medikaments zu Nebenwirkungen führen. Molekulare Geometrie erklärt auch, warum

Wasser ein Dipol (ein Molekül mit einem positiven und einem negativen Pol) ist und Kohlenstoffdioxid nicht.

Die VSEPR (Valence Shell Electron-Pair Repulsion: Valenz-Schalen-Elektronenpaar-Absto
ßungs)-Theorie erlaubt es Chemikern, die molekulare Geometrie von Molekülen vorherzusagen. Die VSEPR-Theorie nimmt an, dass die Elektronenpaare um ein Atom herum, ob sie nun an der Bindung beteiligt sind oder nicht, versuchen, so weit wie möglich im Raum voneinander
wegzukommen, da die Abstoßung zwischen ihnen dann geringer wird. Es ist, wie wenn man auf
eine Party geht, um zu entdecken, dass dort jemand mit den identischen Kleidern herumläuft.

Sie werden versuchen, so weit wie möglich von dieser Person wegzubleiben.

Elektronenpaargeometrie ist die Anordnung der Elektronenpaare, gebundene und nicht gebundene, um ein zentrales Atom herum. Nachdem Sie die Elektronenpaargeometrie bestimmt haben, können Sie sich vorstellen, dass die Nichtbindungselektronen unsichtbar sind, und sich
anschauen, was übrig bleibt. Was übrig bleibt, ist das, was ich die molekulare Geometrie oder

Form nenne, also die Anordnung der anderen Atome um ein zentrales Atom.

Um die molekulare Geometrie oder Form mittels der VSEPR-Theorie zu bestimmen, führt
man folgende Schritte aus:

1. Bestimmen Sie die Lewis-Formel (siehe Grundlagen der kovalenten Bindung früher in
diesem Kapitel) des Moleküls.

2. Bestimmen Sie die Gesamtzahl von Elektronenpaaren um das zentrale Atom herum.

3. Mit Hilfe der Tabelle 7.2 bestimmen Sie die Elektronenpaargeometrie.

(Tabelle 7.2 zeigt die Beziehung zwischen der Anzahl von Bindungs- und Nichtbindungselektronenpaaren und der Elektronenpaargeometrie sowie der molekularen Form.) 4. Stellen Sie sich vor, die Nichtbindungselektronenpaare seien unsichtbar, und verwenden

Sie Tabelle 7 .2, um die molekulare Form zu bestimmen.

Gesamtzahl der

Anzahl der

Elektronenpaargeometrie

Molekulargeometrie

Elektronenpaare

Bindungspaare

2

2
linear
linear

3

3
trigonal planar
trigonal planar

3

2
trigonal planar
gebogen, V-förmig

3

1
trigonal planar
linear

4

4
tetraedrisch
tetraedrisch (vierflächig)

4

3
tetraedrisch
trigonal pyramidenförmig

- 132 ----

----------- 7 > Korlaiente ßindun9: brüderlich teilen ---

Gesamtzahl der

Anzahl der

Elektronenpaargeometrie

Elektronenpaare

Bindungspaare

4

2
vierflächig
gebogen, V-förmig

5

5
trigonal bipyramidal
trigonal bipyramidal

5

4
trigonal bipyramidal

Wippe

5

3
trigonal bipyramidal

T-förmig

5

2
trigonal bipyramidal
linear

6

6
achtflächig (oktaedrisch)

achtflächig

6

5
achtflächig
rechtwinklig pyramidenförmig

6

4
achtflächig
rechtwinklig planar

Tabelle 7.2: Die Vorhersage molekularer Form mit Hilfe der VSEPR-Theorie

Obwohl Sie sich normalerweise um nicht mehr als vier Elektronenpaare um das zentrale Atom

(Oktettregel) herum kümmern müssen, habe ich einige der weniger üblichen Ausnahmen bei
der Oktettregel in Tabelle 7.2 eingetragen. Abbildung 7.16 zeigt einige der erwähnten allgemeineren Formen in der Tabelle.

Um die Formen von Wasser (Hp) und Ammoniak (NH3) zu bestimmen, bestimmt man zunächst einmal die Lewis-Formel für jede Verbindung. Folgen Sie den im Abschnitt Strukturierte Formel: Fügen Sie das Bindungsmuster hinzu umrissenen Regeln, (die Regel N - A =

S), und schreiben Sie die Lewis-Formeln, wie in Abbildung 7.17 gezeigt.

Für Wasser gibt es vier Elektronenpaare um das Sauerstoff-Atom herum, so dass die Elektronenpaargeometrie vierflächig ist. Nur zwei dieser vier Elektronenpaare sind in die Bindung involviert, so dass die molekulare Form geknickt bzw. V-förmig ist. Weil die molekulare Form
für Wasser V-förmig ist, zeige ich Wasser immer so, dass die Wasserstoff-Atome ungefähr einen

90-Grad-Winkel zueinander bilden - dies ist eine gute Annäherung an die tatsächliche Form.

Ammoniak hat auch vier Elektronenpaare um den Stickstoff als zentrales Atom herum, so
dass seine Elektronenpaargeometrie auch vierflächig ist. Nur eines der vier Elektronenpaare
ist jedoch nicht an der Bindung beteiligt, so dass seine molekulare Form trigonal pyramidenförmig ist. Diese Form ist wie ein dreibeiniger Melkhocker, mit dem Stickstoff als Sitzfläche.

Das nicht an der Bindung beteiligte Elektronenpaar klebt quasi auf der Sitzfläche. Sie würden
eine Überraschung erleben, wenn Sie auf einem Ammoniakhocker Platz nähmen!

---- 133 -

---• Chemie für Dummies

Linear

Trigonal planar

Tetraedrisch

Trigonal pyramidal

Gekrümmt (V-förmig)

Trigonal bipyramidal

Vierflächig

T-förmig

Octraedrisch (Achtflächig)

Quadratisch pyramidal

Quadratisch eben

Abbildung 7.16: übliche Molekülformen

H - N - H

I

H

N H3

Abbildung 7.17: Lewis-Formeln für H20 und NH3

- 134 ----

Chemisches Kochen:

Chemische Reaktionen
ln diesem Kapitel

Zwischen Reaktanden und Produkten unterscheiden

Herausfinden, wie Reaktionen auftreten

Einen Blick auf die verschiedenen Arten von Reaktionen werfen

Reaktionsgleichungen aufstellen

Chemisches Gleichgewicht verstehen

Die Geschwindigkeiten von Reaktionen prüfen

Chemiker
sie
tun eine
analysieren Menge: Sie

Mischungen, messen
um
die physikalischen
herauszufinden, wie

Eigen
sie
schaften von
zusammengesetzt Substanzen;
sind. Und sie
erzeugen neue Substanzen. Der Prozess, chemische Verbindungen zu erzeugen, wird Synthese
genannt. Synthese hängt von chemischen Reaktionen ab. Ich dachte immer, es sei clever, ein
organischer Chemiker zu sein und an der synthetischen Schöpfung neuer und potenziell wichtiger Verbindungen zu arbeiten. Ich kann mir die Erregung vorstellen, über Monate oder sogar Jahre zu arbeiten, um schließlich einen Haufen »Zeug« zu erzeugen, das niemand in der Welt
jemals vorher gesehen hat. Hey, ich bin schließlich besessen!

In diesem Kapitel erörtere ich chemische Reaktionen - wie sie auftreten und wie man eine
chemische Gleichung schreiben kann. Ich erzähle Ihnen vom chemischen Gleichgewicht und
erläutere, warum Chemiker nicht die Menge Reaktionsprodukt aus einer Reaktion erhalten
können, wie sie dachten. Und ich erörtere die Geschwindigkeit der Reaktion und warum Sie
diesen Puter nicht verlassen sollten, der nach dem Ende des Festmahls am Erntedankfest noch
auf Ihrem Tisch sitzt.

Was Sie haben und was Sie krie9en:

AusiJ.aniJ.sstoffe und Produkte

In einer chemischen Reaktion werden Substanzen (Elemente und/oder Verbindungen) in
andere Substanzen (Verbindungen und/oder Elemente) umgewandelt. Sie können dabei kein

Element in ein anderes in einer chemischen Reaktion ändern, etwa wie bei einer Kernreaktion

(siehe Kapitel 5). Stattdessen schaffen Sie eine neue Substanz mit Hilfe chemischer Reaktionen.

---· 135 -

---• Chemie für Dummies

Es gibt einige Merkmale chemischer Reaktionen - etwas offensichtlich Neues wird produziert,
ein Gas wird erzeugt oder es entsteht Wärme oder diese wird verbraucht. Die chemischen

Substanzen, die schließlich verändert werden, werden als Reaktanden bezeichnet, die neuen

Substanzen, die gebildet werden, heißen Produkte. Chemische Gleichungen zeigen sowohl die

Reaktanden als auch die Produkte und andere Faktoren wie Energieänderungen, Katalysatoren
usw. Bei diesen Gleichungen wird ein Pfeil benutzt, um anzuzeigen, dass eine chemische Reaktion stattgefunden hat. Im Allgemeinen hat eine chemische Reaktion dieses Format: Reaktanden � Produkte

Werfen Sie zum Beispiel einen Blick auf die Reaktion, die entsteht, wenn Sie Ihren Gasherd
anzünden, um Ihre Frühstückseier zu kochen. Methan (Erdgas) reagiert mit dem Sauerstoff
in der Atmosphäre, um Kohlendioxid und Wasserdampf zu produzieren (wenn Ihr Herd nicht
richtig eingestellt wird und Sie die hübsche blaue Flamme nicht sehen, produzieren Sie auch
noch eine Menge Kohlenmonooxid und noch mehr Kohlendioxid). Die chemische Gleichung,
die diese Reaktion darstellt, sieht so aus:

CH4(g)+2 02(g) � C02(g)+2 H20(g)

Diese Gleichung kann man so lesen: Ein Molekül Methangas, CH4(g), reagiert mit zwei Molekülen von Sauerstoffgas, 02(g), zu einem Molekül Kohlenstoffdioxidgas, C02(g), und zwei Molekülen von Wasserdampf H20(g). Die 2 vor dem Sauerstoffgas und die 2 vor dem Wasserdampf werden die Reaktionskoeffizienten genannt. Sie zeigen die Anzahl jeder chemischen Spezies
an, die reagiert hat oder erzeugt wurde. Wie der Wert der Koeffizienten zu verstehen ist, zeige
ich Ihnen im Abschnitt Bilanz chemischer Reaktionen später in diesem Kapitel.

Methan und Sauerstoff (Sauerstoff ist ein biatomares - zweiatomiges - Element) sind Reaktanden, während Kohlenstoffdioxid und Wasser die Produkte sind. Alle Reaktanden und Produkte sind (mit dem g in Klammern) Gase.

In dieser Reaktion sind alle Reaktanden und Produkte unsichtbar. Die Wärme, die entwickelt
wird, ist das Merkmal, an dem Sie erkennen, dass eine Reaktion stattfindet. Nebenbei ist dies
ein gutes Beispiel für eine exotherme Reaktion, eine Reaktion, bei der Wärme entsteht. Viele

Reaktionen sind exotherm. Einige Reaktionen absorbieren jedoch Energie, anstatt sie freizugeben. Diese Reaktionen werden endotherme Reaktionen genannt. Kochen umfasst viele endotherme Reaktionen, zum Beispiel das Kochen oder Braten von Eiern. Sie können nicht
nur die Schalen öffnen und die Eier in die Pfanne schlagen und dann erwarten, dass zahlreiche
chemische Reaktionen stattfinden, ohne die Pfanne zu erhitzen (es sei denn, Sie befinden sich
gerade in der Sahara; dort sorgt tagsüber die Sonne für die nötige Erwärmung).

Wo wir gerade übers Eierkochen nachdenken, fällt mir noch ein anderer Aspekt zum Thema
exotherme Reaktion ein. Sie müssen das Methan ja entzünden - mit einem Streichholz, einem

Feuerzeug, mit einem Gasanzünder oder einem Elektrozünder. Mit anderen Worten, Sie müssen etwas Energie hinzufügen, um die Reaktion in Gang zu setzen. Die Energie, die Sie liefern müssen, um eine Reaktion in Gang zu setzen, wird die Aktivierungsenergie der Reaktion genannt. (Im nächsten Abschnitt zeige ich Ihnen, dass es auch eine mit endothermen Reaktionen verbundene Aktivierungsenergie gibt, aber diese ist nicht so offensichtlich.)

- 136 r--.--·

--------• 8 � Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen ---•

Aber was geschieht wirklich auf der molekularen Ebene, wenn das Methan und der Sauerstoff
reagieren? Richten Sie hierzu Ihr Augenmerk auf den nun folgenden Abschnitt.

Wie treten Reaktionen auf} Die Kollisionstheorie

Damit eine chemische Reaktion stattfinden kann, müssen die Reaktanden kollidieren. Es ist
wie beim Poolbillard. Um den 8er-Ball in das Eckloch fallen zu lassen, müssen Sie ihn mit dem

Spielball treffen. Dieser Zusammenstoß überträgt kinetische Energie (Energie der Bewegung)

von einem Ball auf den anderen und sendet den zweiten Ball (hoffentlich) in Richtung des

Loches. Der Zusammenstoß zwischen den Molekülen liefert die Energie, die gebraucht wird,
um die gegebenen Verbindungen zu lösen, so dass neue Verbindungen überhaupt erst gebildet
werden können.

Aber warten Sie einen Moment. Wenn Sie Poolbillard spielen, bewirkt nicht jeder Schuss, den

Sie machen, dass ein Ball ins Loch geht. Manchmal stoßen Sie den Ball nicht kraftvoll genug,
und Sie übertragen nicht genug Energie, um den Ball ins Loch zu bringen. Dies gilt auch bei
molekularen Zusammenstößen und Reaktionen. Manchmal besitzen die Kollisionen nicht
genug kinetische Energie, um etwas zu verändern - die Moleküle bewegen sich nicht schnell
genug. Sie können die Situation ein wenig durch Erhitzen der Mischung aus Reaktanden unterstützen. Die Temperatur ist ein Maß der durchschnittlichen kinetischen Energie der Moleküle; eine höhere Temperatur bedeutet eine höhere kinetische Energie der verfügbaren Moleküle,
die schließlich nach ihrem Aufbrechen neue Verbindungen eingehen können.

Selbst wenn Sie den Ball hart genug stoßen, geht er manchmal nicht ins Loch, weil Sie ihn
nicht an der richtigen Stelle getroffen haben. Derselbe Zusammenhang gilt für den molekularen Zusammenstoß. Die Moleküle müssen in der richtigen Richtung kollidieren oder an der richtigen Stelle zusammenstoßen, damit die erwünschte Wirkung eintreten kann.

Dazu hier ein Beispiel: Nehmen Sie an, Sie haben eine Gleichung, die Molekül A-B zeigt, das
mit C reagiert, um C-A und B wie folgt zu formen:

A-B + C � C-A + B

So wie diese Gleichung da steht. bedeutet das, dass die Reaktion eine Kollision des Reaktanden

C mit dem Objekt A-B auf der A-Seite des Moleküls erfordert. (Sie wissen das, weil die Produktseite C in der Verknüpfung C-A zeigt.) Wenn C auf B stößt, geschieht nichts. Das A-Ende dieses hypothetischen Moleküls wird reaktiver Punkt genannt und ist die Stelle in dem Molekül, an der die Kollision stattfinden muss, damit eine Reaktion stattfinden kann. Trifft C auf die A-Seite des Moleküls, dann gibt es eine Chance, dass genug Energie übertragen werden
kann, um die A-B-Bindung zu trennen. Nachdem A-B getrennt ist, kann die C-A-Verbindung
entstehen. Die Gleichung für diesen Reaktionsprozess kann man wie folgt hinschreiben (ich
zeige den Bruch der A-B-Bindung und die Bildung der C-A-Verbindung als Verbindungen mit

Tilde »-«):

C-A-B � C-A + B

---• 137 -

---· Chemie für Dummies

Damit also diese Reaktion stattfindet, muss es eine Kollision zwischen C und A-B am reaktiven

Punkt geben. Der Zusammenstoß zwischen C und A-B muss genug Energie übertragen, um
das A-B zu trennen und die C-A-Bindung zu ermöglichen.

� Man benötigt Energie, um eine Verbindung zwischen Atomen zu trennen.

Beachten Sie, dass dies ein einfaches Beispiel ist. Ich habe angenommen, dass nur ein Zusammenstoß erforderlich ist, um diese einstufige Reaktion zu ermöglichen. Viele Reaktionen bestehen aus nur einem Schritt, andere wiederum erfordern mehrere Schritte beim Übergang
der Reaktanden zu den Produkten. Im Prozess können mehrere Verbindungen gebildet werden, die wieder miteinander reagieren, um dann die abschließenden Produkte zu erzeugen.

Diese Verbindungen werden übergangszustände genannt. Sie sind im Reaktionsmechanismus
zu sehen, dieser Folge von Reaktionsschritten, an deren Ende dann aus den Reaktanden die
neuen Produkte werden. Aber in diesem Kapitel möchte ich es einfach halten und mich auf die

Ein-Schritt-Reaktionen beschränken.

Ein exothermes Beispiel

Stellen Sie sich vor, die hypothetische Reaktion A-B + C � C-A + B sei exotherm - eine

Reaktion, in der bei der Bildung neuer chemischer Produkte Wärme abgegeben wird. Die

Ausgangsstoffe beginnen in einem höheren Energiezustand als die Produkte, sodass bei der

Bildung der Produkte Energie freigegeben wird. Abbildung 8.1 zeigt ein Energiediagramm
dieser Reaktion.

In Abbildung 8.1 ist E. die Aktivierungsenergie für die Reaktion - die Energie, die Sie hinzufügen müssen, um die Reaktion in Gang zu setzen. Sie sehen die Kollision von C und A-B mit dem Zerfall der A-B-Verbindung und die Bildung der C-A-Verbindung am oberen Ende eines

Aktivierungsenergiemaximums. Diese Gruppierung von Ausgangsstoffen am oberen Ende des

Aktivierungsenergiehügels wird manchmal der übergangszustand der Reaktion genannt. Wie
ich in Abbildung 8. 1 zeige, ist der Unterschied zwischen dem Energieniveau des Ausgangsstoffs
und dem Energieniveau der Produkte das Maß für die Energie (Wärme), das in der Reaktion
freigegeben wird.

Ein endothermes Beispiel

Stellen Sie sich vor, die hypothetische Reaktion A-B + C � C-A + B ist endotherm - eine Reaktion, bei der Energie beim Übergang von den Ausgangsstoffen zu den Produkten aufgenommen wird - so dass die Ausgangsstoffe einen niedrigeren Energiezustand besitzen als die Produkte.

Abbildung 8.2 zeigt ein Energiediagramm dieser Reaktion.

- 138 ----

--------• 8 � Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen ---•

};:

C - - A _ß_

_

_Ji bergangszu and

A - B + C
t I

- - - - - - -

Reaktanden

.

freigegebene

Energie

Energie

C - A + B

Produkte

Reaktion -

Abbildung 8.1: Exotherme Reaktion von A-B + C � C-A + B

Übergangszustand

C - A + B

Ea

Produkte
t laufge-nommene

Energie

Energie

A - B + C

Reakta nden

Reaktion -

Abbildung 8.2: Die endotherme Reaktion von A-B + C � C-A + B

Genau wie das in Abbildung 8. 1 gezeigte exotherme Reaktionsenergiediagramm zeigt dieses

Diagramm, dass eine Aktivierungsenergie mit der Reaktion verbunden wird (von E. dargestellt). Von links nach rechts muss anfangs mehr Energie hinzugefügt werden, um die Reaktion beginnen zu lassen. Später, wenn die chemische Reaktion einsetzt, bekommt man diese Energie (oder einen Teil hiervon) zurück. Beachten Sie, dass der Übergangszustand genau wie
im Energiediagramm der exothermen Reaktion am Aktivierungsenergiemaximum erscheint.

Der Unterschied ist, dass im endothermen Beispiel beim Übergang der Ausgangsstoffe zu den

Produkten Energie (Wärme) in den Prozess eingebracht werden muss.

---· 139 -

---• Chemie für Dummies

Was für eine Reaktion hin ich?

Es gibt einige generelle Typen von chemischen Reaktionen im Zusammenhang mit der Reaktionsgleichung von den Ausgangsstoffen zu den Produkten. Diese allgemeineren Reaktionstypen sind V' Kombination

V' Zerfall

V' Einzelne Verschiebung

V Doppelte Verschiebung

V' Verbrennung

V' Redox

Kombinationsreaktionen

In Kombinationsreaktionen bilden zwei oder mehr Ausgangsstoffe ein Produkt. Die Reaktion
von Natrium und Chlor zu dem Produkt Natriumchlorid,

2 Na(s) + Cl2(g) � 2 NaCl(s)

und das Verbrennen von Kohle (Kohlenstoff) zu Kohlenstoffdioxid,

C(s) + 02(g) � C02(g)

sind Beispiele für Kombinationsreaktionen.

Beachten Sie, dass je nach den Bedingungen oder den Mengen an Ausgangsstoffen mehr als
ein Produkt in einer Kombinationsreaktion geformt werden kann. Nehmen Sie zum Beispiel
das Verbrennen von Kohle. Wenn es einen Überschuss an Sauerstoff gibt, ist das Produkt

Kohlenstoffdioxid. Aber wenn nur wenig Sauerstoff verfügbar ist, ist das Produkt Kohlenstoffmonooxid:

2 C(s) + 02(g) � 2 CO(g) (wenig Sauerstoff verfügbar)

Zerfallsreaktionen

Zerfallsreaktionen sind genau das Gegenteil von Kombinationsreaktionen. In Zerfallsreaktionen teilt sich eine einzelne Verbindung in zwei oder mehr einfachere Substanzen (Elemente und/oder Verbindungen). Die Zerlegung des Wassers in Wasserstoff- und Sauerstoffgas,

2 H20(1) � 2 H2(g) + Oz(g)

und die Zerlegung von Wasserstoffperoxid, wobei Sauerstoff und Wasser als Produkte entstehen,

2 H202(1) � 2 H20(1) + 02(g)

sind Beispiele für Zerfallsreaktionen.

lliO ---

--------• 8 > Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen ---·

Einzelne VerschiebuntJsreaktionen

In Verschiebungsreaktionen verdrängt ein aktiveres Element ein anderes weniger aktives Element aus einer Verbindung. Wenn Sie zum Beispiel ein Stück Zinkmetall in eine Kupfer(II)sulfatlösung einbringen (nebenbei: Kapitel 6 erläutert, warum Kupfer(II)-sulfat so genannt wird - falls Sie sich das gerade fragen), verdrängt das Zink das Kupfer, wie in dieser Gleichung
zu sehen ist:

Zn(s) + CuS04(aq) � ZnS04(aq) + Cu(s)

Die Schreibweise (aq) zeigt an, dass die Verbindung in Wasser - in einer wässrigen Lösung - gelöst ist. Weil Zink Kupfer in diesem Fall ersetzt, soll es aktiver sein. Wenn Sie ein Stück Kupfer in eine Zinksulfatlösung halten, geschieht nichts. Tabelle 8.1 zeigt die Aktivitätsserie einiger
verbreiteter Metalle. Beachten Sie hierbei, dass Zink gemäß der Tabelle tatsächlich aktiver ist
und das Kupfer entsprechend ersetzt.

Aktivität

Metall

Höchste Aktivität

Alkali- und Erdalkalimetalle

Al

Zn

Cr

Fe

Ni

Sn

Pb

Cu

Ag

Niedrigste Aktivität

Au

Tabelle 8.1: Die Aktivitätsserie einiger verbreiteter Metalle

Werfen Sie nun einen weiteren Blick auf die Reaktion zwischen Zinkmetall und Kupfer(II)sulfatlösung:

Zn(s) + CuS04(aq) � ZnS04(aq) + Cu(s)

Ich habe diese Reaktion als eine molekulare Gleichung hingeschrieben und alle Stoffe sind
neutral. Jedoch treten diese Reaktionen normalerweise in einer wässrigen (Wasser-)Lösung
auf. Wenn die Ionenverbindung CuS04 in Wasser gelöst wird, bricht sie auseinander in ihre
einzelnen Ionen (Atome oder Gruppen von Atomen, die aufgrund des Verlusts oder Gewinns
von Elektronen eine elektrische Ladung besitzen). Das Kupfer-Ion hat eine +2-Ladung, weil es
zwei Elektronen abgegeben hat. Es ist ein Kation, ein positiv geladenes Ion. Das Sulfat-Ion hat
eine -2-Ladung, weil es zwei zusätzliche Elektronen hat. Es ist ein Anion, ein negativ geladenes

Ion. (Lesen Sie Kapitel 6 für eine vollständigere Diskussion der Ionenverbindung.)

Zn(s) + Cu2+ + SOt -7 Zn2+ + SOt + Cu(s )

---• 1 4 1 -

---• Chemie für Dummies

Gleichungen, die diese Form haben, in der also die Ionen gesondert gezeigt werden, werden

Ionen-Gleichungen genannt (weil sie die Reaktion und Produktion von Ionen zeigen). Beachten

Sie, dass das Sulfat-Ion, SOt, sich nicht in der Reaktion geändert hat. Ionen, die sich während
der Reaktion nicht ändern und auf beiden Seiten der Gleichung in einer identischen Form
auftreten, heißen Zuschauer-Ionen. Chemiker (ein faules, faules Volk) lassen die Zuschauer

Ionen oft weg und schreiben in die Gleichung nur jene chemischen Substanzen, die während
der Reaktion verändert werden. Dies nennt man die Netto-Ionen-Gleichung:

Zn(s) + Cu2+ � Zn2+ + Cu(s)

Doppelte VerschiebuntJsreaktionen

In einzelnen Verschiebungsreaktionen ist nur eine chemische Substanz verschoben. In doppelten Verschiebungsreaktionen oder Metathesenreaktionen sind es zwei Stoffe (normalerweise Ionen), die verschoben werden. Häufig treten solche Reaktionen in einer Lösung auf und es
bilden sich unlösliche Festkörper (Niederschlagsreaktionen) oder Wasser (Neutralisationsreaktionen).

NiederschlaiJ.sreaktionen

Wenn Sie eine Lösung des Kaliumchlorids und eine Lösung des Silbernitrats mischen, bildet
sich in der entstehenden Lösung ein weißer, unlöslicher Festkörper. Die Bildung eines unlöslichen, festen Stoffes in einer Lösung wird Niederschlag genannt. Hier sind die molekularen, Ionen- und Netto-Ionen-Gleichungen für diese doppelte Verschiebungsreaktion:

KCI(aq) + AgN03(aq) � AgCI(s) + KN03(aq)

K++ CI- + Ag+ + N03- � AgCI(s) + K+ + N03-

CI- + Ag+ � AgCI(s)

Der Niederschlag, der sich gebildet hat, ist Silberchlorid. Sie können auch die Kalium-Kationen- und Nitrat-Anionen-Zuschauer-Ionen weglassen, weil sie sich während der Reaktion nicht ändern und auf beiden Seiten der Gleichung in einer identischen Form auftreten. (Wenn Sie
von all diesen Plus- und Minussymbolen in den Gleichungen völlig verwirrt werden oder nicht
wissen, was ein Kation oder ein Anion ist, springen Sie nur zu Kapitel 6. Dort erfahren Sie alles,
was sie über dieses Zeug wissen müssen.)

Um diese Gleichungen hinzuschreiben, müssen Sie etwas über die Löslichkeit von Ionenverbindungen wissen. Werden Sie nicht nervös. Los geht's: Wenn eine Verbindung löslich ist, bleibt sie in ihrer freien Ionenform, aber wenn sie unlöslich ist, schlägt sie sich nieder. Tabelle 8.2
gibt die Löslichkeiten einiger ausgewählter Ionenverbindungen wieder.

- 142 ----

--------· 8 � Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen ---·

Wasserlöslich

Nicht wasserlöslich

Chloride, Bromide, Jodide

Chloride, Bromide, Jodide von Ag•, Pb2•, Hg/•

Verbindungen von NH4 +

Oxide

Verbindungen von Alkalimetallen

Sulfide

Alle Acetate
die meisten Phosphate

Alle Nitrate
die meisten Hydroxide

Alle Chlorate

Sulfate

PbS04, BaS04 und SrS04

Tabelle 8.2: Löslichkeifen einiger ausgewählter Ionenverbindungen

Bei der Anwendung von Tabelle 8.2 nimmt man ein Kation eines Ausgangsstoffes und kombiniert es mit dem Anion eines anderen Ausgangsstoffes und umgekehrt (wobei die Neutralität der Verbindung zu beachten ist). Dies erlaubt Ihnen, die möglichen Produkte der Reaktion
vorherzusagen. Dann schlagen Sie die Löslichkeiten von den möglichen Produkten in der

Tabelle nach. Wenn die Verbindung unlöslich ist, schlägt sie sich nieder. Wenn sie löslich ist,
bleibt sie in Lösung.

Neutralisationsreaktionen

Ein anderer Typ der doppelten Verschiebungsreaktion ist die Reaktion zwischen einer Säure
und einer Base. Diese doppelte Verschiebungsreaktion, genanntNeutralisationsreaktion, ergibt

Wasser. Werfen Sie einen Blick auf die Mischlösungen von Schwefelsäure (Autobatteriesäure,

H2S04) und Natriumhydroxid (Lauge, NaOH). Hier sind die molekularen, Ionen- und Netto

Ionen-Gleichungen für diese Reaktion:

H2S04(aq) + 2 NaOH(aq) --7 Na2S04(aq) + 2 H20(1)

2 H+ + SOt + 2 Na+ + 2 OH- --7 2 Na• + SOt + 2 H20(1)

2 H+ + 2 OH- --7 2 H20(1) oder H+ + OH- --7 Hp(l)

Um von der Ionen-Gleichung zur Netto-Ionen-Gleichung überzugehen, werden die Zuschauer

Ionen Uene, die nicht wirklich reagieren und die in einer unveränderten Form auf beiden Seiten
des Pfeils erscheinen) weggelassen. Dann werden die Koeffizienten vor den Ausgangsstoffen
und Produkten auf den kleinsten gemeinsamen Nenner reduziert.

Mehr über Säure-Base-Reaktionen finden Sie in Kapitel l2.

VerbrennuntJsreaktionen

Verbrennungsreaktionen treten auf, wenn eine Verbindung, normalerweise eine, die Kohlenstoff enthält, mit dem Sauerstoffgas in der Luft reagiert. Dieser Prozess heißt allgemein Verbrennung. Wärme ist das nützlichste Produkt der meisten Verbrennungsreaktionen.

---· 1 43 -

---• Chemie für Dummies

Hier ist die Gleichung, die das Verbrennen des Propans wiedergibt:

C3H8(g) + 5 02(g) ---7 3 C02(g) + 4 H20(1)

Propan gehört zur Klasse der Kohlenwasserstoffe, also den Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Das Produkt dieser Reaktion ist Wärme. Sie verbrennen kein Propan in Ihrem Gasgrill, um der Atmosphäre Kohlenstoffdioxid hinzuzufügen - Sie wollen
die Hitze, um damit Ihr Steak zu braten.

Verbrennungsreaktionen sind auch eine Art von Redox-Reaktion.

Redox�Reaktionen

Redox-Reaktionen oder Reduktionsoxidationsreaktionen sind Reaktionen, in denen Elektronen getauscht werden: 2 Na(s) + Cl2(g) ---7 2 NaCl(s)

C(s) + 02(g) ---7 C02(g)

Zn(s) + CuS04(aq) ---7 ZnS04(aq) + Cu(s)

Die obigen Reaktionen sind auch Beispiele für andere Reaktionstypen (wie Kombination,

Verbrennung und Einzelverschiebungsreaktion), aber sie sind alle Redox-Reaktionen. Sie beinhalten alle die Übertragung von Elektronen von einer chemischen Substanz auf eine andere.

Redox-Reaktionen finden wir bei der Verbrennung, dem Rosten, der Photosynthese, der Atmung, in Batterien usw. Wir befassen uns detaillierter mit der Redox-Reaktion in Kapitel 9.

Die Bilanz chemischer Reaktionen

Wenn Sie eine chemische Reaktion durchführen, die beteiligten Mengen aller Ausgangsstoffe
sorgfältig zusammentragen und dann die Summe mit der Summe der Massen all der Produkte
vergleichen, werden Sie sehen, dass diese Summen identisch sind. In der Tat gibt es in der

Chemie hierzu ein Gesetz, nämlich das Gesetz der Erhaltung der Masse: »In einer gewöhnlichen chemischen Reaktion wird Materie weder geschaffen noch zerstört.« Dies bedeutet, dass Sie Atome während der Reaktion weder gewonnen noch verloren haben. Es kann sein, dass sie
alle verändert sind, aber sie sind immer noch vorhanden.

Eine chemische Gleichung stellt die Reaktion dar. Diese chemische Gleichung wird verwendet,
um zu schätzen, wie viel von jedem Element erforderlich ist und wie viel von jedem Element
produziert wird. Und diese chemische Gleichung muss das Gesetz der Erhaltung der Masse
erfüllen.

Sie müssen dieselbe Anzahl an Atomen jedes Elements auf beiden Seiten der Gleichung haben.

Die Gleichung sollte in diesem Sinn ausgeglichen sein. In diesem Abschnitt zeige ich Ihnen,
wie chemische Gleichungen zu bilanzieren sind.

- 7 44 ----

--------• 8 � Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen ---•

Riechen Sie dieses Ammoniak]

Meine Lieblingsreaktion heißt Haber-Prozess, eine Methode zur Herstellung von Ammoniak,

(NH), wobei Stickstoffgas mit Wasserstoffgas reagiert:

N2(g) + H2(g) � NH3(g)

Diese Gleichung zeigt Ihnen, was in der Reaktion geschieht, aber sie zeigt Ihnen nicht, wie viel

Sie von jedem Element brauchen, um das Ammoniak zu produzieren. Um herauszufinden, wie
viel Sie von jedem Element brauchen, müssen Sie die Gleichung bilanzieren - vergewissern Sie
sich, dass die Anzahl von Atomen auf der linken Seite der Gleichung der Anzahl von Atomen
auf der rechten Seite gleicht ist.

Sie kennen die Ausgangsstoffe und das Produkt dieser Reaktion, und Sie können sie nicht ändern. Sie können die Verbindungen nicht verändern und Sie können die tiefgestellten Ziffern nicht verändern, weil das die Verbindungen verändern würde. So bleibt als Einziges, das Sie tun
können, um die Gleichung zu bilanzieren, Koeffizienten hinzuzufügen, ganze Zahlen vor den

Verbindungen oder Elementen in der Gleichung. Koeffizienten sagen Ihnen, wie viele Atome
oder Moleküle Sie haben.

Wenn Sie zum Beispiel 2 Hp schreiben, bedeutet es, Sie haben zwei Wassermoleküle:

H2 0

2 H20 = +

H2 0

Jedes Wassermolekül setzt sich aus zwei Wasserstoff-Atomen und einem Sauerstoff-Atom
zusammen. Mit 2 Hp haben Sie eine Gesamtsumme von vier Wasserstoff-Atomen und zwei

Sauerstoff-Atomen:

H20 = 2 H+l 0

2 H20 = +

+

0

4 H + 2 0

In diesem Kapitel zeige ich Ihnen, wie Gleichungen ausbalanciert werden, und zwar durch

Anwendung einer Methode, die sichAusgleich durch Inspektion nennt. Ich nenne die Methode
gerne »Mit Koeffizienten spielen«. Sie nehmen jedes Atom und wägen es dadurch ab, dass Sie
der einen oder anderen Stelle einer Seite entsprechende Koeffizienten hinzufügen.

Dieses im Sinn, werfen Sie noch einen Blick auf die Gleichung für das Vorbereiten des

Ammoniaks:

---· 145 -

---• Chemie für Dummies

In den meisten Fällen ist es gut, die Wasserstoff-Atome und Sauerstoff-Atome erst
zum Schluss abzuwägen. Kümmern Sie sich erst einmal um die anderen Atome.

In diesem Beispiel sollten Sie also die Stickstoff-Atome zuerst abwägen. Sie haben zwei Stickstoff-Atome auf der linken Seite des Pfeils (Ausgangsseite) und nur ein Stickstoff-Atom auf der rechten Seite (Produktseite). Um die Stickstoff-Atome abzuwägen, setzen Sie einen Koeffizienten von 2 vor das Ammoniak auf der rechten Seite.

N2(g) + H2(g) -7 2 NH3(g)

Jetzt haben Sie zwei Stickstoff-Atome auf der linken und zwei Stickstoff-Atome auf der rechten

Seite.

Gehen Sie die Wasserstoff-Atome danach an. Sie haben zwei Wasserstoff-Atome auf der linken

Seite und sechs Wasserstoff-Atome auf der rechten Seite (zwei NH3 Moleküle, jedes mit drei

Wasserstoff-Atomen für eine Gesamtsumme von sechs Wasserstoff-Atomen). Also setzen Sie
eine 3 vor das H2 auf die linke Seite und Sie erhalten:

N2(g) +3 H2(g) -7 2 NH3(g)

Das sollte jetzt funktionieren. Machen Sie eine Überprüfung, um sicher zu sein: Sie haben
zwei Stickstoff-Atome auf der linken Seite und zwei Stickstoff-Atome auf der rechten Seite. Sie
haben sechs Wasserstoff-Atome auf der linken Seite (3 x2 = 6) und sechs Wasserstoff-Atome
auf der rechten Seite (2 x 3 = 6). Die Gleichung ist ausgewogen. Sie können die Gleichung
auf diese Weise lesen: ein Stickstoffmolekül reagiert mit drei Wasserstoffmolekülen, um zwei

Ammoniakmoleküle zu erzeugen.

Hier ist ein Leckerbissen für Sie: Diese Gleichung hätte sich auch mit Koeffizienten von 2, 6
und 4 statt 1, 3 und 2 ausbalanciert. In der Tat hätte jedes Vielfache von 1, 3 und 2 die Gleichung
ausgewogen, aber Chemiker haben vereinbart, immer die niedrigste ganze Zahl zu zeigen (siehe
die Diskussion über empirische Formeln in Kapitel 7 für Details).

Zünden Sie Ihr Feuerzeut).

Werfen Sie nun einen Blick auf die Gleichung, die die Verbrennung von Butan, einem Kohlenwasserstoff, bei Sauerstoffüberschuss zeigt. (Dies ist die Reaktion, die Sie beim Anzünden eines Butangasfeuerzeugs starten.) Die nicht unausgewogene Reaktion ist

C4H10(g) + 02(g) -7 C02(g) + H20(g)

Weil es immer gut ist, bis zum Ende damit zu warten, Wasserstoff-Atome und Sauerstoff-Atome
abzuwägen, wägen Sie die Kohlenstoff-Atome zuerst ab. Sie haben vier Kohlenstoff-Atome auf
der linken Seite und ein Kohlenstoff-Atom auf der rechten Seite, so fügen Sie einen Koeffizienten von 4 vor dem Kohlenstoffdioxid hinzu:

- 146 ---

--------• 8 > Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen ---

Wägen Sie die Wasserstoff-Atome danach ab. Sie haben zehn Wasserstoff-Atome auf der linken

Seite und zwei Wasserstoff-Atome auf der rechten Seite, so verwenden Sie den Koeffizienten 5
vor dem Wasser auf der rechten Seite:

C4H10(g) + 02(g) � 4 C02(g)+5 H20(g)

Jetzt arbeiten Sie daran, die Sauerstoff-Atome abzuwägen. Sie haben zwei Sauerstoff-Atome
auf der linken Seite und eine Gesamtsumme von 13 Sauerstoff-Atomen auf der rechten Seite

[(4 x 2)+(5 x 1) = 13]. Womit können Sie 2 multiplizieren, damit 13 herauskommt? Vielleicht
mit 6,5?

C4HIO(g) + 6,5 02(g) � 4 C02(g) + 5 HzO(g)

Aber Sie sind nicht fertig. Sie wollen das niedrigste Verhältnis ganzer Zahlen von Koeffizienten
haben. Sie müssen die ganze Gleichung mit 2 multiplizieren, um ganze Zahlen zu generieren:

[C4HIO(g) + 6,5 02(g) � 4 C02(g) + 5 H20(g)] X 2

Also multiplizieren Sie jeden Koeffizienten mit 2 (und lassen Sie bitte die Finger von den
tiefgestellten Ziffern!) und erhalten:

2 C4HIO(g) + 13 02(g) � 8 C02(g) + 10 HzO(g)

Wenn Sie die Atomzählung auf beiden Seiten der Gleichung überprüfen, stellen Sie fest, dass
die Gleichung ausgewogen ist und die Koeffizienten im niedrigstmöglichen ganzzahligen

Verhältnis zueinander stehen.

Die meisten einfachen Reaktionen können auf diese Weise ausgewogen werden. Aber eine

Klasse von Reaktionen ist so komplex, dass diese Methode bei ihnen nicht gut funktioniert. Es
sind die Redox-Reaktionen. Für das Abwägen dieser Gleichungen wird eine spezielle Methode
verwendet, die ich Ihnen in Kapitel 9 zeige.

Chemisches Gleichtjeulicht

Meine Lieblingsreaktion ist der Haber-Prozess, die Synthese von Ammoniak aus Stickstoffund Wasserstoffgas. Nach dem Abwägen der Reaktion (siehe den Abschnitt Riechen Sie dieses Ammoniak? früher in diesem Kapitel) erhalten Sie:

N2(g) + 3 H2(g) � 2 NH3(g)

So hingeschrieben besagt die Reaktion, dass Wasserstoff und Stickstoff reagieren und Ammoniak bilden, und zwar so lange, bis einer oder beide Ausgangsstoffe verbraucht sind. Aber das stimmt nicht ganz. (Tja, ist schon eine haarspalterische Zeit.)

Wenn diese Reaktion in einem geschlossenen Behälter stattfindet (was bei Gasen immer so sein
muss), dann reagieren der Stickstoff und Wasserstoff, und Ammoniak entsteht, aber etwas vom

Ammoniak beginnt bald darauf, wieder zu Stickstoff und Wasserstoff zu zerfallen:

2 NH3(g) � N2(g) + 3 H2(g)

--- 1 4 7

---• Chemie für Dummies

Im Behälter haben Sie dann tatsächlich zwei genau entgegengesetzte auftretende Reaktionen - Stickstoff und Wasserstoff kombinieren zu Ammoniak und Ammoniak zerfällt in Stickstoff und Wasserstoff.

Statt die zwei separaten Reaktionen hinzuschreiben, können Sie eine Reaktion zeigen und
dabei einen doppelten Pfeil wie folgt benutzen:

N2(g) + 3 H2(g) "" 2 NH3(g)

Sie platzieren Stickstoff und Wasserstoff auf die linke Seite, weil Sie so den Prozess beginnen.

Nun laufen diese beiden Reaktionen mit verschiedenen Geschwindigkeiten ab, aber die zwei

Geschwindigkeiten werden im Verlauf der Zeit gleich und die relativen Mengen an Stickstoff,

Wasserstoff und Ammoniak bleiben dann konstant. Dies ist ein Beispiel für ein chemisches

Gleichgewicht. Ein dynamisches chemisches Gleichgewicht wird erreicht, wenn zwei genau
entgegengesetzte chemische Reaktionen zur selben Zeit an derselben Stelle mit denselben Reaktionsgeschwindigkeiten stattfinden. Ich nenne dieses Beispiel ein dynamisches chemisches Gleichgewicht, da die Reaktionen dauerhaft ablaufen, auch wenn sie im Gleichgewicht sind.

Zu jeder Zeit haben Sie Stickstoff und Wasserstoff, die zu Ammoniak reagieren, das wieder zu

Stickstoff und Wasserstoff zerfällt. Wenn das System das Gleichgewicht erreicht, werden die

Mengen aller chemischen Stoffe zwar konstant bleiben, aber nicht unbedingt identisch.

Hier nun ein Beispiel zum Verständnis dessen, was ich mit dem dynamischen Gleichgewicht
meine: Ich wurde auf einem Bauernhof in North Carolina aufgezogen, und meine Mutter

Grace liebte kleine Hunde. Manchmal hatten wir fast ein Dutzend Hunde, die um das Haus
herumliefen. Als Mama die Tür öffnete, um sie nach draußen zu lassen, begannen sie alle,
hinauszulaufen. Aber irgendetwas änderte ihre Meinungen und als sie schon draußen waren,
begannen einige damit, wieder ins Haus hereinzukommen. Dann bemerkten sie die Aufregung
der Hunde, die draußen geblieben waren, und liefen wieder hinaus. Es wurde ein ständiges

Rein und Raus. Manchmal waren nur zwei Hunde im Haus, der Rest draußen, dann wieder
umgekehrt. Die Anzahl der Hunde drinnen und draußen blieb auch konstant, aber die Hunde,
die drinnen oder draußen waren, blieben nicht identisch. Zu jedem Zeitpunkt gab es Hunde,
die aus dem Haus hinausliefen, und Hunde, die hereinkamen. Unsere Hunde waren in einem
dynamischen (und lauten) Gleichgewicht.

Es gibt manchmal viel Produktsubstanz (chemische Substanz auf der rechten Seite des Doppelpfeils), wenn die Reaktion das Gleichgewicht erreicht, und manchmal sehr wenig. Man kann die relative Menge an Ausgangsstoffen und Produkten im Gleichgewicht angeben, wenn man
die Gleichgewichtskonstante für die Reaktion kennt.

Sehen Sie sich eine hypothetische Gleichgewichtsreaktion an:

aA + bB H cC + dD

Die Großbuchstaben stehen für die chemische Substanz, und die kleinen Buchstaben sind die

Koeffizienten in der ausgewogenen chemischen Gleichung. Die (als Keq dargestellte) Gleichgewichtskonstante wird mathematisch definiert als:

- 148 ----

--------• 8 > Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen ==:=:::�

Der Zähler enthält das Produkt der zwei chemischen Substanzen auf der rechten Seite der

Reaktionsgleichung, jede mit dem Koeffizienten der ausgeglichenen chemischen Gleichung
im Exponenten. Für den Nenner gilt das analog, nur eben mit den Substanzen der linken Seite
der chemischen Gleichung. (Es ist zwar im Augenblick noch nicht wichtig, aber diese eckigen

Klammern stehen für etwas, das die Molare Konzentration genannt wird. Näheres hierzu erfahren Sie in Kapitel 1 1.) Zu bemerken wäre noch, dass Chemiker manchmal Kc anstelle von Keq verwenden.

Der numerische Wert der Gleichgewichtskonstante liefert einen Anhaltspunkt bezüglich der
relativen Mengen an Produkten und Ausgangsstoffen.

Je größer der Wert der Gleichgewichtskonstanten (K.q) ist, desto mehr Produkte werden im

Gleichgewichtszustand gebildet. Wenn man zum Beispiel eine Reaktion mit einer Gleichgewichtskonstanten von 0,001 bei Raumtemperatur und 0, 1 bei 100 Grad Celsius hat, dann können Sie vorhersagen, dass man bei höherer Temperatur viel mehr Produktsubstanzen
erzeugen kann als bei Raumtemperatur.

Nun weiß ich zufällig, dass Keq für den Haber-Prozess (die Ammoniaksynthese) 3,5 x 108 bei

Raumtemperatur ist. Dieser große Wert zeigt an, dass im Gleichgewicht aus Stickstoff und

Wasserstoff viel Ammoniak produziert wird, aber es gibt im Gleichgewicht immer noch Wasserstoff und Stickstoff. Wenn Sie ein Industriechemiker sind, der Ammoniak produzieren möchte, sind Sie natürlich bestrebt, so viel Produktsubstanz aus den Ausgangsstoffen zu erzeugen
wie möglich. Sie möchten also, dass die Reaktion so lange weitergeht, bis alle Ausgangsstoffe
verbraucht sind. Sie wissen aber auch, dass es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt,
die Sie nicht ändern können. Es wäre aber doch schön, wenn Sie das System irgendwie manipulieren könnten, um etwas mehr Produktsubstanz zu erhalten. Es gibt solch einen Weg, nämlich das Prinzip von Le Chatelier.

Das Prinzip f/on le Chatefier

Ein französischer Chemiker, Henri Le Chatelier, entdeckte Folgendes: Wenn Sie die Randbedingungen eines chemischen Systems, das im Gleichgewicht ist, ändern (die Chemiker nennen das Zwang), dann ist das System bestrebt, wieder in den Gleichgewichtszustand zu gelangen,
indem es dem »Zwang« entgegenwirkt. Dies wird Le Chateliers Prinzip genannt.

Sie können ein Gleichgewichtssystem auf drei Arten beeinflussen:

V Ändern Sie die Konzentration eines Ausgangsstoffes oder Produkts.

V Ändern Sie die Temperatur.

v Ändern Sie den Druck auf ein System, das Gase enthält.

--- 149 -

---• Chemie für Dummies

Nun, wenn man Chemiker ist und eine Möglichkeit sucht, so viel Ammoniak (also Geld) wie
möglich für seine Firma zu erzeugen, dann kann Le Chateliers Prinzip sehr hilfreich sein. In
diesem Abschnitt zeige ich Ihnen, wie.

Aber ich will Ihnen zuerst eine schnelle, nützliche Analogie präsentieren. Eine chemische

Reaktion im Gleichgewicht ist wie mein Lieblingsgerät auf Spielplätzen, die Wippe. Alles ist,
wie in Abbildung 8.3 gezeigt, schön im Gleichgewicht.

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

=

+ Wärme

Abbildung 8.3: Das Haber-Ammoniaksystem im Gleichgewicht

Der Haber-Prozess, die Synthese von Ammoniak aus Stickstoff- und Wasserstoffgasen, ist exotherm: Er erzeugt Wärme. Diese Wärme finden Sie auf der rechten Seite der Wippe.

KonzentrationsänderuntJ

Nehmen Sie an, Sie haben das Ammoniaksystem im Gleichgewicht (siehe Abbildung 8.3 sowie
den Abschnitt Chemisches Gleichgewicht weiter vorne in diesem Kapitel), und Sie fügen dann
etwas mehr Stickstoffgas hinzu. Abbildung 8.4 zeigt, was jetzt mit der Wippe geschieht.

Abbildung 8.4: Steigerung der Konzentration eines Ausgangsstoffes

Um das Gleichgewicht wieder herzustellen, muss Gewicht von der linken Seite nach rechts
verlagert werden, mehr Stickstoff und Wasserstoff werden verbraucht und es bilden sich mehr

Ammoniak und Wärme. Abbildung 8.5 zeigt diese Verschiebung des Gewichts.

- 1so ----

--------• 8 > Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen ---

Abbildung 8.5: Wiederherstellung des Gleichgewichts

Das Gleichgewicht ist wieder hergestellt. Es gibt weniger Wasserstoff und mehr Stickstoff,

Ammoniak und Wärme als vor dem Hinzufügen des Stickstoffs. Dasselbe würde geschehen,
wenn Sie eine Möglichkeit hätten, etwas von dem produzierten Ammoniak zu entfernen. Die
rechte Seite der Wippe wäre wieder leichter und es würde wieder Gewicht nach rechts verlagert, um das Gleichgewicht wiederherzustellen. Wieder würde mehr Ammoniak produziert.

Im Allgemeinen verschiebt sich die Reaktion zur anderen Seite, wenn Sie mehr Ausgangsstoff
oder Produkt hinzufügen, um es zu verbrauchen. Wenn Sie einen Ausgangsstoff oder ein Produkt entfernen, verschiebt sich die Reaktion zu der entsprechenden Seite, um es zu ersetzen.

Temperaturänderun9

Nehmen wir an, wir erhitzen die Reaktionsmischung. Sie wissen, dass die Reaktion exotherm
ist - also Wärme abgibt -, wie auf der rechten Seite der Wippe zu sehen. Wenn Sie nun die Reaktionsmischung erhitzen, wird die rechte Seite der Wippe schwerer und es muss Gewicht nach links verlagert werden, um das Gleichgewicht wieder herzustellen. Diese Gewichtsänderung
verbraucht Ammoniak und produziert mehr Stickstoff und Wasserstoff. Und, so wie sich die

Reaktion verschiebt, nimmt die Wärmemenge auch ab und senkt die Temperatur der Reaktionsmischung. Abbildung 8.6 zeigt diese Änderung im Gewicht.

Abbildung 8. 6: Temperaturerhöhung bei einer exothermen Reaktion und Wiederherstellung
des Gleichgewichts

Das ist aber nicht das, was Sie wollen! Sie wollen mehr Ammoniak, nicht mehr Stickstoff und

Wasserstoff. Also müssen Sie die Reaktionsmischung abkühlen, um das Gleichgewicht nach
rechts zu verlagern. Dieser Prozess verhilft Ihnen nun zu mehr Ammoniak und mehr Gewinn.

Schon besser, nicht wahr?

Im Allgemeinen bewirkt das Erhitzen einer Reaktionsmischung eine Verschiebung zur endothermen Seite der Reaktionsgleichung. (Wenn Sie eine exotherme Reaktion auf der rechten

---· 15 1 -

---• Chemie für Dummies

Seite haben, wenn also auf der rechten Seite der Gleichung Wärme erzeugt wird, dann ist die
linke Seite die endotherme Seite.) Eine Reaktionsmischung abzukühlen, bewirkt, dass sich das

Gleichgewicht zur exothermen Seite verschiebt.

DruckänderuntJ

Eine Druckänderung beeinflusst das Gleichgewicht der Reaktion nur dann, wenn es sich bei
den Ausgangsstoffen und/oder Produkten um Gase handelt. Im Haber-Prozess sind alle Stoffe

Gase, sodass es eine Druckwirkung gibt.

Meine Wippen-Analogie von chemischen Gleichgewichtssystemen hinkt, wenn ich Druckwirkungen erkläre, so dass ich einen anderen Ansatz nehmen muss. Denken Sie an einen dichten Behälter, in dem die Ammoniakreaktion stattfindet. (Die Reaktion muss in einem dichten

Behälter stattfinden, da alle Stoffe Gase sind - Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniakgas.) Es
herrscht ein gewisser Druck auf die Innenwände des Behälters, der durch die Gasmoleküle
verursacht wird.

Jetzt nehmen wir einmal an, dass das System im Gleichgewicht ist, und Sie wollen den Druck
erhöhen. Durch Zusammendrücken des Behälters (mit irgendeinem Kolben zum Beispiel) oder
durch Hinzufügen eines nicht reagierenden Gases wie Neon. Sie bekommen mehr Kollisionen
an den Innenwänden des Behälters, und Sie haben deshalb mehr Druck. Die Drucksteigerung
bewirkt wieder eine erzwungene Änderung des Gleichgewichts. Um diesem Zwang entgegenzuwirken, muss der Druck irgendwie reduziert werden.

Werfen Sie nun einen anderen Blick auf die Haber-Reaktion und schauen Sie nach, ob es Anhaltspunkte dafür gibt, wie dies geschehen kann.

N2 (g)+3 H2 (g) H 2 NH3 (g)

Jedes Mal, wenn die Vorwärtsreaktion stattfindet (also von links nach rechts in der Gleichung),
bilden vier Gasmoleküle (ein Stickstoff und drei Wasserstoff) zwei Moleküle des Ammoniakgases. Diese Reaktion reduziert die Anzahl der Moleküle im Gasbehälter. Die umgekehrte Reaktion (von rechts nach links) spaltet zwei Ammoniakgasmoleküle und macht vier Gasmoleküle, Stickstoff und Wasserstoff, daraus. Diese Reaktion erhöht die Anzahl der Gasmoleküle im Behälter.

Das Gleichgewicht ist durch eine Zunahme des Drucks verschoben worden. Eine Druckverringerung reduziert den Zwang. Die Anzahl von Gasmolekülen im Behälter zu reduzieren, verringert den Druck (weniger Kollisionen an den Innenwänden des Behälters), so dass die

Vorwärtsreaktion (von links nach rechts) bevorzugt wird, denn dabei werden aus vier Gasmolekülen zwei. Folglich wird bei der Vorwärtsreaktion mehr Ammoniak produziert!

Den Druck auf eine Gleichgewichtsmischung zu erhöhen, bewirkt im Allgemeinen, dass die

Reaktion zu der Seite verlagert wird, die weniger Moleküle enthält.

- 152 ---·

--------• 8 � Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen ---·

Schnelle und lantJ.same Reaktionen:

Chemische Kinetik

Sagen wir, Sie sind ein Chemiker, der so viel Ammoniak wie möglich aus einer gegebenen Menge an Wasserstoff und Stickstoff machen möchte. Das Gleichgewicht (siehe vorigen Abschnitt) zu manipulieren, ist nicht Ihr ganzer Lösungsansatz. Sie wollen so viel wie möglich so schnell
wie möglich produzieren. Also gibt es etwas anderes, das Sie berücksichtigen müssen - die

Kinetik der Reaktion.

Kinetik ist die Lehre der Geschwindigkeit einer Reaktion. Einige Reaktionen sind schnell; andere sind langsam. Manchmal wollen Chemiker die langsamen beschleunigen und die schnellen verlangsamen. Es gibt mehrere Faktoren, die die Geschwindigkeit einer Reaktion beeinflussen:

V Natur der Ausgangsstoffe
v Partikelgröße der Ausgangsstoffe

V Konzentration der Ausgangsstoffe
v Druck von gasförmigen Ausgangsstoffen

V Temperatur

V Katalysatoren

Natur der AusfJ.tlnlJ.SStoffe

Damit eine Reaktion stattfinden kann, muss es eine Kollision zwischen den Ausgangsstoffen
am Reaktionsort geben (siehe Wie treten Reaktionen auf? Die Kollisionstheorie weiter vorne in
diesem Kapitel). Je größer und komplexer die Moleküle der Ausgangsstoffe sind, desto geringer
ist die Chance einer Kollision am Reaktionspunkt des Moleküls. Manchmal wird der Reaktionsort sehr komplexer Moleküle völlig von anderen Teilen des Moleküls blockiert, so dass keine Reaktion auftritt. Es kann viele Kollisionen geben, aber nur diejenigen, die am Reaktionspunkt
stattfinden, haben eine Chance zu einer chemischen Reaktion.

Im Allgemeinen ist die Reaktionsrate geringer, wenn die Ausgangsstoffe große und komplexe

Moleküle sind.

PartikeltJ.röße der AustJ.anlJ.SStoffe

Die Reaktion hängt also von Kollisionen ab. Je größer nun die Oberfläche, die bei Kollisionen
zur Verfügung steht, desto schneller ist die Reaktion. Sie können ein Streichholz an ein großes

Stück Kohle halten, und es geschieht nichts. Wenn Sie aber dasselbe Stück Kohle zu Staub
zerkleinern und dann ein Streichholz anzünden, erhalten Sie wegen der enorm gesteigerten

Oberfläche desselben Kohlebrockens eine zünftige Explosion.

---• 153 -

---• Chemie für Dummies

Konzentration der AustJantJsstoffe

Die Steigerung der Kollisionsrate beschleunigt also die Reaktion. Je mehr Moleküle der Ausgangsstoffe zusammenstoßen, desto schneller läuft die Reaktion ab. Ein Stück Holz verbrennt zum Beispiel auch in Luft (20 Prozent Sauerstoff), aber viel schneller in reinem Sauerstoff.

In den meisten einfachen Fällen bedeutet eine Erhöhung der Konzentration des Ausgangsstoffes eine Steigerung der Geschwindigkeit der Reaktion. Jedoch, wenn die Reaktion komplex oder ein komplexer Prozess (eine Serie von Schritten im Rahmen der Reaktion) ist, muss dies
nicht unbedingt stimmen. Die Wirkung der Konzentration auf die Reaktionsrate wirklich zu
bestimmen, kann Ihnen Anhaltspunkte dafür liefern, welcher der an der Reaktion beteiligten

Ausgangsstoffe für den Reaktionsablauf bestimmend ist. (Diese Information kann dann sehr
dabei helfen, den Reaktionsmechanismus zu begreifen.) Dabei beobachten Sie die Reaktionsrate
bei verschiedenen Konzentrationen.

Wenn man zum Beispiel die Konzentration eines Ausgangsstoffes ändert und dies keinerlei

Wirkung auf den Reaktionsablauf hat, dann weiß man, dass dieser Ausgangsstoff nicht am
langsamsten Schritt des Reaktionsprozesses (dieser bestimmt ja die Geschwindigkeit der gesamten Reaktion) beteiligt ist.

Druck f!on iJasförmitJen AustJantJsstoffen

Der Druck von gasförmigen Ausgangsstoffen hat grundsätzlich dieselbe Wirkung wie die Konzentration. Je höher der Druck des Ausgangsstoffes, desto höher ist die Reaktionsrate. Dies rührt von der (Sie haben es erraten!) höheren Kollisionsrate her. Wenn jedoch ein komplexer

Mechanismus beteiligt ist, kann es sein, dass eine Druckerhöhung nicht das erwartete Ergebnis
liefert.

Temperatur

Okay, warum forderte Mama Sie auf, diesen Puter nach dem Erntedankfestabendessen in den

Kühlschrank zu stellen? Weil er sonst verdorben wäre! Und was bedeutet »Verderben«? Das
hat mit der Vermehrung der Bakterien zu tun. Wenn Sie nun den Puter in den Kühlschrank
stellen, verlangsamt die niedrigere Temperatur im Kühlschrank die Geschwindigkeit des bakteriellen Wachstums.

Bakterielles Wachstum ist einfach eine biochemische Reaktion, eine chemische Reaktion, die
in allen Organismen vorkommt. In den meisten Fällen sorgt eine Temperatursteigerung dafür,
dass die Reaktionsrate steigt. In der organischen Chemie gibt es eine allgemeine Regel, dass
eine Erhöhung der Temperatur um 10 Grad die Reaktionsrate verdoppelt.

Aber warum ist das so? Teil der Antwort ist (Sie haben es schon wieder erraten!) eine gesteigerte

Kollisionsrate. Die Temperatur zu steigern bewirkt, dass sich die Moleküle schneller bewegen,
so dass sich die Wahrscheinlichkeit einer Kollision erhöht. Aber dies ist nur ein Teil der Wahrheit. Die Temperatur zu erhöhen steigert auch die durchschnittliche kinetische Energie der

- 154 11:""""-.--

--------• 8 > Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen ---

Moleküle. Sehen Sie sich Abbildung 8. 7 als ein Beispiel dafür an, wie steigende Temperatur die
kinetische Energie des Ausgangsstoffes beeinflusst und die Reaktionsrate steigert.

Minimum der als

Aktivierungsenergie notwendigen
kinetischen Energie
niedrigere
höhere

Temperatur

Temperatur

Kinetisc he Energie ---

Abbildung 8. 7: Die Wirkung der Temperatur auf die kinetische Energie der Ausgangstoffe

Bei einer gegebenen Temperatur bewegen sich nicht alle Moleküle mit derselben kinetischen

Energie. Eine kleine Anzahl von Molekülen bewegt sich sehr langsam (niedrige kinetische

Energie), während sich andere sehr schnell (hohe kinetische Energie) bewegen. Eine große

Mehrzahl der Moleküle befindet sich irgendwo zwischen diesen beiden Extremen.

Tatsächlich ist die Temperatur ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle. Wie Sie Abbildung 8. 7 entnehmen können, bewirkt eine Temperaturerhöhung eine Steigerung der durchschnittlichen kinetischen Energie des Ausgangsstoffes, wobei die Kurve
im Grunde genommen nach rechts in Richtung höherer kinetischer Energien verschoben
wird. Aber beachten Sie auch, dass ich das Minimalmaß an kinetischer Energie, die vom

Ausgangsstoff benötigt wird, um während des Zusammenstoßes die Aktivierungsenergie (die

Energie, die erforderlich ist, um eine Reaktion in Gang zu setzen) zu liefern, markiert habe.

Die Ausgangsstoffe müssen am Reaktionspunkt zusammenstoßen, aber sie müssen auch genug

Energie übertragen, um Bindungen zu lösen, so dass neue Bindungen geformt werden können.

Wenn die Ausgangsstoffe nicht genug Energie haben, findet keine Reaktion statt, selbst wenn
die Ausgangsstoffe am Reaktionspunkt zusammenstoßen.

Beachten Sie, dass bei niedriger Temperatur nur ganz wenige Moleküle der Ausgangsstoffe das

Minimalmaß an kinetischer Energie besitzen, die gebraucht wird, um die Aktivierungsenergie
zu liefern. Bei höherer Temperatur besitzen viel mehr Moleküle das Minimalmaß an erforderlicher kinetischer Energie, was bedeutet, dass noch viel mehr Kollisionen energiereich genug sein werden, um zu einer Reaktion zu führen.

---• 155 -

1111111111!!!!!!!!11151!1111!1!1 Chemie für Dummies

Eine Temperaturerhöhung steigert die Anzahl von Kollisionen nicht nur, sondern steigert
auch die Anzahl von Stößen, die wirksam sind - die also genug Energie übertragen, um eine

Reaktion auszulösen.

Kata/IJ.satoren

Katalysatoren sind Substanzen, die die Reaktionsrate erhöhen, ohne dass sie selbst dabei ver
ändert werden. Sie steigern die Reaktionsrate dadurch, dass sie die Aktivierungsenergie für
die Reaktion senken.

Sehen Sie sich zum Beispiel Abbildung 8.1 an. Wenn das Aktivierungsenergiemaximum niedriger wäre, wäre es leichter zu erreichen, und die Reaktionsrate wäre höher. Sie können dasselbe in Abbildung 8.7 sehen. Wenn Sie die gestrichelte Linie, die das Minimalmaß an kinetischer

Energie darstellt, die gebraucht wird, um die Aktivierungsenergie zu liefern, nach links versetzen, dann haben noch viel mehr Moleküle die erforderliche Minimalenergie, und die Reaktion wird heftiger sein.

Katalysatoren senken die Aktivierungsenergie einer Reaktion auf eine von zwei Arten:

V Sie liefern eine Oberfläche und unterstützen die Ausrichtung.

V Sie liefern einen Alternativmechanismus (Serie von Schritten, damit die Reaktion abläuft)

mit einer niedrigeren Aktivierungsenergie.

Oberfläche und Orientierun9 - Hetero9ene KatallJ.se

Im Abschnitt Wie treten Reaktionen auf? Die Kollisionstheorie beschreibe ich mit Hilfe dieses
verallgemeinerten Beispiels, wie Moleküle reagieren:

C-A- B � C-A + B

Ausgangsstoff C muss auf die A-Seite als Reaktionspunkt des Moleküls A-B treffen, um das

A-B zu teilen, eine Bindung einzugehen und schließlich die in der Gleichung gezeigte C-A

Verbindung zu bilden. Die Wahrscheinlichkeit der Kollision bei korrekter Orientierung ist
sehr zufällig. Die Ausgangsstoffe bewegen sich ziemlich frei herum und treffen irgendwann
aufeinander. Früher oder später kann dies am Reaktionspunkt geschehen. Aber was würde
geschehen, wenn man das A-B-Molekül so beeinflussen könnte, dass es diesen überwiegend
nach außen richten würde? Unter dieser Voraussetzung wäre es viel wahrscheinlicher, dass C
auf A treffen würde.

Dies ist es aber genau, was ein heterogener Katalysator schafft: Er bindet ein Molekül an eine

Oberfläche, wobei er für die korrekte Orientierung im Raum sorgt und die Reaktion erheblich
erleichtert. Der Prozess heterogener Katalyse wird in Abbildung 8.8 gezeigt.

Der Katalysator wird heterogener Katalysator genannt, weil er sich in einer anderen Phase als
der Ausgangsstoff befindet. Dieser Katalysator ist normalerweise ein fein strukturiertes festes

Metall oder Metalloxid, während die Ausgangsstoffe Gase sind oder sich in Lösung befinden.

Dieser heterogene Katalysator tendiert dazu, aufgrund ziemlich komplexer Wechselwirkungen

156 ---

--------• 8 > Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen ---•
einen Teil des Ausgangsstoff-Moleküls anzuziehen. Diese Wechselwirkungen sind bis heute
noch nicht ganz geklärt. Wenn nun die Reaktion stattfindet, verschwinden die Kräfte, die
vorher zu der Orientierung von A-B geführt haben, und der Katalysator gibt den B-Teil des

Moleküls an der Oberfläche des Katalysators frei. B gibt damit seinen Platz an ein neues A-B

Molekül ab und der Prozess beginnt erneut.

Die meisten von uns sitzen jeden Tag quasi auf einem heterogenen Katalysator - nämlich dem

Katalysator in unserem Auto. Er enthält fein strukturiertes Platin- und/oder Palladiummetall
und beschleunigt die Reaktion, die die schädlichen Gase aus der Benzinverbrennung (wie Kohlenstoffmonooxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe) in hauptsächlich harmlose Produkte (wie Wasser und Kohlenstoffdioxid) verwandelt.

c

_ _

A'

I

H eterogener Katalysator (fest)

Abbildung 8.8: Der Prozess heterogener Katalyse

Alternatir/mechanismus - HomotJ.ene KataltJse

Der zweite Katalysator-Typ ist ein homogener Katalysator - homogen, weil er sich in derselben

Phase wie der Ausgangsstoff befindet. Er liefert einen Alternativmechanismus oder Reaktionspfad, der eine niedrigere Aktivierungsenergie als die Originalreaktion hat.

Als ein Beispiel überprüfen Sie die Zerlegungsreaktion des Wasserstoffperoxids:

2 H202(1) ---.,) 2 H20(1) + 02(g)

Dies ist eine langsame Reaktion, insbesondere, wenn sie in einer kühlen, dunklen Flasche
stattfindet. Es kann Jahre dauern, bis diese Flasche Wasserstoffperoxid in Ihrem Medizinschrank zerfällt. Aber, wenn Sie ein kleines bisschen einer Eisen-Ionen-Lösung hinzutun, wird die Reaktion erheblich schneller, obwohl es ein zweistufiger Mechanismus anstelle eines

Ein-Schritt -Prozesses ist.

(Schritt 1) 2 Fe3+ + Hz02(1) ---.,) 2 Fe2+ + 02(g) + 2 H+

(Schritt 2) 2 Fe2+ + H202(1) + 2 H+ ---.,) 2 Fe3+ + 2 H20(1)

--- 157 -

---· Chemie für Dummies

Wenn man die zwei obigen Reaktionen addiert und die identischen Substanzen auf beiden

Seiten streicht, bekommt man wieder das Original, die Reaktion ohne Katalysator (gestrichene

Substanzen sind fett markiert):

2 Fe3+ + H202(1) + 2 Fe2+ + Hz02(1) + 2H+ � 2 Fe2+ + 02(g) + 2H+ + 2 Fe3+ + 2 H20(1)

2 H202(1) � 2 HzO(l) + Ü2(g)

Der Eisen-Ionen-Katalysator wurde in der ersten Stufe geändert und dann in der zweiten Stufe
wieder in den Anfangszustand zurückversetzt. Dieser zweistufige Katalyse-Prozess hat eine
niedrigere Aktivierungsenergie und ist schneller.

Elektrochemie:

Batterien für Teekannen
ln diesem Kapitel

Redox-Reaktionen verstehen

Redox-Gleichungen abwägen

Einen Blick auf elektrochemische Batteriezellen werfen

Eloxierungen prüfen

Die Ähnlichkeit zwischen Brenntreibstoffen und Nahrungsverbrennung entdecken

(/iele Dinge, mit denen wir im täglichen Leben umgehen, haben entweder direkt oder
indirekt mit elektrochemischen Reaktionen zu tun. Denken Sie an all die Dinge um Sie
herum, die Batterien enthalten - Taschenlampen, Uhren, Autos, Taschenrechner, PDAs, Herzschrittmacher, Mobiltelefone, Spielzeuge, Garagentoröffner usw.

Trinken Sie aus einer Aluminiumdose? Das Aluminium wurde durch eine elektrochemische

Reaktion gewonnen. Haben Sie ein Auto mit einer verchromten Stoßstange? Dieses Chrom
wird auf die Stoßstange galvanisiert genau wie das Silber-Teeservice von Oma Grace oder
das Gold auf dieser Fünf-Euro-Goldkette. Sehen Sie fern, benutzen Sie elektrisches Licht
oder einen elektrischen Mixer oder haben Sie einen Computer? Wahrscheinlich stammt die

Elektrizität, die Sie für diese Dinge verwenden, aus der Verbrennung von fossilem Brennstoff.

Verbrennung ist eine Redox-Reaktion. Genau wie Atmung, Photosynthese und viele andere
biochemische Prozesse, von denen unser Leben abhängt. Wir sind von elektrochemischen und

Redox-Reaktionen umgeben.

In diesem Kapitel erkläre ich Redox-Reaktionen, zeige das Abwägen dieses Typs von Reaktionsgleichung und dann zeige ich Ihnen einige Anwendungen von Redox-Reaktionen in dem Bereich der Chemie, der Elektrochemie genannt wird.

Da 9ehen sie hin1 die Elektronen: Redox--Reaktionen

Redox-Reaktionen - Reaktionen, bei denen gleichzeitig Elektronen von einer chemischen

Substanz zu einer anderen übertragen werden -, setzen sich in Wirklichkeit aus zwei verschiedenen Reaktionen zusammen: Oxidation (ein Verlust an Elektronen) und Reduktion (ein Gewinn von Elektronen). Diese Reaktionen sind gekoppelt, da die Elektronen, die in der

Oxidationsreaktion verloren gehen, dieselben Elektronen sind, die bei der Reduktionsreaktion
gewonnen werden. In der Tat werden diese zwei Reaktionen (Reduktion und Oxidation) verbreitet halbe Reaktionen genannt, weil Sie diese zwei Hälften brauchen, um eine ganze Reaktion

---• 159 -

---· Chemie für Dummies
zu bilden, und die ganze Reaktion wird eineRedox(Reduktion/Oxidation)-Reaktion genannt. In

Kapitel 8 beschrieb ich schon eine Redox-Reaktion, nämlich die zwischen Zinkmetall und dem

Kupfer(Cu2+)-Ion. Das Zinkmetall verliert Elektronen, und das Kupfer-Ion gewinnt sie.

Wo habe ich jetzt die Elektronen tJelassen) Oxidation

Es gibt drei Definitionen, die Sie für Oxidation verwenden können:

V Verlust an Elektronen

V Gewinn des Sauerstoffs

V Verlust an Wasserstoff

Weil ich üblicherweise mit elektrochemischen Zellen umgehe, verwende ich normalerweise
die Definition, die den Verlust an Elektronen beschreibt. Die anderen Definitionen sind in

Prozessen wie Verbrennung und Photosynthese nützlich.

Verlust an Elektronen

Eine Möglichkeit, Oxidation zu definieren, ist die mit der Reaktion, bei der eine chemische

Substanz Elektronen beim Übergang vom Ausgangsstoff zum Produkt verliert. Wenn zum

Beispiel Natrium mit Chlorgas reagiert und sich Natriumchlorid (NaCl) bildet, verliert das

Natriummetall ein Elektron, das dann vom Chlor aufgenommen wird. Die folgende Gleichung
zeigt das Natrium und den Verlust des Elektrons:

Na(s) ---j Na• + e-

Chemiker sagen: Wenn Natrium das Elektron verliert, wird es zum Natrium-Kation oxidiert

(ein Kation ist aufgrund des Verlusts an Elektronen ein Ion mit einer positiven Ladung - siehe

Kapitel 6).

Reaktionen dieser Art sind in elektrochemischen Reaktionen, also Reaktionen, die Elektrizität
produzieren oder verbrauchen, sehr verbreitet. (Für mehr Information über elektrochemische

Reaktionen springen Sie zum Abschnitt Strom an und los: Elektrochemische Batterien weiter
hinten in diesem Kapitel) .

Gewinn an Sauerstoff

Bei bestimmten Oxidationsreaktionen ist es manchmal offensichtlich, dass beim Übergang
vom Ausgangsstoff zum Produkt Sauerstoff gewonnen wird. Reaktionen, bei denen der Gewinn des Sauerstoffs offensichtlicher als der Verlust von Elektronen ist, sind zum Beispiel Verbrennungsreaktionen (Kohleverbrennung) und der Vorgang des Rostens von Eisen. Hier
die beiden Beispiele:

C(s) + 02(g) ---j C02(g)

(Verbrennen von Kohle)

4 Fe(s) + 3 02(g) ---j 2 Fe203(s)

(rostendes Eisen)

- 1 6o ----

---------- 9 >- Elektrochemie: Batterien für Teekannen ---•

In diesen Fällen sagen Chemiker, dass der Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid und das Eisenmetall zu Rost oxidiert worden ist.

Verlust an Wasserstoff

In anderen Reaktionen kann Oxidation am besten als der Verlust an Wasserstoff angesehen
werden. Methylalkohol kann zu Formaldehyd oxidiert werden:

CHpH (l) � CH20(1) + H2(g)

Beim Übergang von Methanol zu Formaldehyd gab die Verbindung zwei Wasserstoff-Atome
ab.

Gucken Sie mal, was ich 9e(unden habe! Reduktion

Wie bei der Oxidation gibt es drei Definitionen zur Beschreibung der Reduktion:

V Gewinn von Elektronen

V Verlust an Sauerstoff

V Gewinn des Wasserstoffs

Gewinn clon Elektronen

Reduktion wird oft als der Gewinn von Elektronen betrachtet. Beim Prozess, Silber auf eine

Teekanne zu galvanisieren, (siehe den AbschnittFünf Euro für eine goldene Kette? Elektrogalvanisierung später in diesem Kapitel) wird zum Beispiel das Silber-Kation reduziert, um Metall zu versilbern. Die folgende Gleichung zeigt das Silber-Kation, das ein Elektron dazu erhält:

Ag+ + e- � Ag

Chemiker sagen hierzu, dass das Silber-Kation reduziert wurde, um das Metall zu versilbern.

Verlust an Sauerstoff

In anderen Reaktionen ist es leichter, Reduktion beim Übergang vom Ausgangsstoff zum Produkt als den Verlust von Sauerstoff zu betrachten. Zum Beispiel wird Eisenerz (in erster Linie Rost, Fe203) zu Eisenmetall in einem Hochofen durch eine Reaktion mit Kohlenstoffmonooxid
reduziert:

Fe203(s) + 3 CO(g) � 2 Fe(s) +3 C02(g)

Das Eisen hat den Sauerstoff verloren und die Chemiker sagen, dass das Eisen-Ion zu Eisenmetall reduziert worden ist.

---• 16 1 -

---· Chemie für Dummies

Gewinn des Wasserstoffs

In bestimmten Fällen kann eine Reduktion beim Übergang vom Ausgangsstoff zum Produkt
auch als der Gewinn von Wasserstoff-Atomen beschrieben werden. Zum Beispiel kann Kohlenstoffmonooxid mit Wasserstoffgas zu Methylalkohol reduziert werden: CO(g) + 2 H2(g) � CHpH(l)

In diesem Reduktionsprozess hat das CO die Wasserstoff-Atome gewonnen.

Des einen Verlust ist des anderen Gewinn

Weder Oxidation noch Reduktion können ohne den anderen Vorgang stattfinden. Wenn Elektronen verloren gehen, werden sie woanders gewonnen.

Berücksichtigen Sie zum Beispiel die Netto-Ionen-Gleichung (die Gleichung, die nur die chemischen Substanzen zeigt, die während einer Reaktion verändert werden - siehe Kapitel 8) für eine Reaktion zwischen Zinkmetall und einer wässrigen Kupfer(II)-sulfatlösung:

Zn(s) + Cu2• � Zn2• + Cu(s)

Diese Gesamtreaktion setzt sich in Wirklichkeit aus zwei Halbreaktionen zusammen:

Zn(s) � Zn2• + 2e

(Oxidations-Halbreaktion - der Verlust an Elektronen)

Cu2• + 2e- � Cu(s)

(Reduktions-Halbreaktion - der Gewinn von Elektronen)

Um sich leichter merken zu können, was Oxidation und was Reduktion bzgl. der Elektronen
jeweils bedeutet, lernt man am besten die Phrase auswendig »Leo geht nach Ger« (LEO = Lose

E/ectrons Oxydation; GER Gain Electrons Reduction).

Zink gibt zwei Elektronen ab; das Kupfer(II)-Kation nimmt zwei Elektronen auf. Zn wird
oxidiert. Aber ohne die Anwesenheit von Cu2• geschieht nichts. Dieses Kupfer-Kation ist das
oxidierende Mittel. Es ist das notwendige Mittel, damit der Oxidationsprozess stattfinden kann.

Das oxidierende Mittel übernimmt die Elektronen von der chemischen Substanz, die oxidiert
wird.

Cu2• wird reduziert, wenn es Elektronen aufnimmt. Die Substanz, die die Elektronen bereitstellt, wird das reduzierende Agens genannt. In diesem Fall ist das reduzierende Agens das ZinkmetalL

Das oxidierende Agens ist die Substanz, die reduziert wird, und das reduzierende

Agens ist die Substanz, die oxidiert wird. Oxidierende und reduzierende Agenzien
befinden sich auf der linken Seite der Redox-Gleichung.

Zahlenspiel: Oxidationszahlen

Oxidationszahlen sind Buchhaltungszahlen. Sie erlauben Chemikern zum Beispiel, Redox

Gleichungen ins Gleichgewicht zu setzen. Oxidationszahlen sind positive oder negative Zahlen,

- 1 62 L.::===

---------• 9 >- Elektrochemie: Batterien für Teekannen ---
die Sie nicht mit Ionenladungen oder Valenzen verwechseln dürfen. Oxidationszahlen werden
den Elementen mit Hilfe dieser Regeln zugeordnet:

V Regel 1: Die Oxidationszahl eines Elements im freien (ungebundenen) Zustand ist null

(zum Beispiel Al(s) oder Zn(s)). Dies gilt auch für die in der Natur als zweiatomige Elemente vorkommenden H2, 02, N2, F2, Cl2, Br2 oder I2 und für Schwefel, Ss-V Regel 2: Die Oxidationszahl eines einatomigen Ions ist die gleiche wie die Ladung des
entsprechenden Ions (zum Beispiel Na+ = +1, S2- = -2).

V Regel 3: Die Summe aller Oxidationszahlen in einer neutralen Verbindung ist null. Die

Summe aller Oxidationszahlen in einem mehratomigen Ion ist mit der Ionenladung identisch. Diese Regel erlaubt es Chemikern oft, die Oxidationszahl eines Atoms zu berechnen, das mehrere Oxidationszustände haben kann, wenn die Oxidationszahlen der andereri

Atome im Ion bekannt sind. (Siehe Kapitel 6 zu Beispielen für Atome mit mehreren Oxidationszuständen.) V Regel 4: Die Oxidationszahl eines Alkalimetalls (lA-Familie) in einer Verbindung ist fast
immer + 1; die Oxidationszahl eines Erdalkalimetalls (!lA-Familie) in einer Verbindung ist
fast immer +2.

V Regel 5: Die Oxidationszahl des Sauerstoffs in einer Verbindung ist normalerweise -2.

Wenn der Sauerstoff jedoch in einer Verbindung der Klasse von Peroxiden (zum Beispiel

Wasserstoffperoxid oder H202) genannten Verbindungen ist, dann hat der Sauerstoff eine

Oxidationszahl von -1. Wenn der Sauerstoff sich mit Fluor verbindet, ist die Zahl + 1 .

V Regel 6: Der Oxidationszustand des Wasserstoffs in einer Verbindung ist normalerweise

+1. Wenn der Wasserstoff Teil eines binären Metallhydrids (Verbindung von Wasserstoff
und Metall) ist, dann ist der Oxidationszustand des Wasserstoffs -1.

V Regel 7: Die Oxidationszahl des Fluors ist immer -1. Chlor, Brom und Jod haben normalerweise eine Oxidationszahl von -1, es sei denn, sie sind in einer Verbindung mit Sauerstoff oder Fluor. (Zum Beispiel in ClO-, die Oxidationszahl des Sauerstoffs ist -2, und die Oxidationszahl des Chlors ist +1; denken Sie daran, dass die Summe aller Oxidationszahlen in ClO- -1 sein muss.)

Diese Regeln geben Ihnen die Möglichkeit, Oxidation und Reduktion bezüglich auf Oxidationszahlen zu definieren. Betrachten Sie zum Beispiel folgende Reaktion: Zn(s) � Zn2+ + 2e-Beachten Sie, dass das Zink (der Ausgangsstoff) eine Oxidationszahl von null (Regel 1) hat
und das Zink-Kation (das Produkt) eine Oxidationszahl von +2 (Regel 2) hat. Im Allgemeinen
können Sie sagen, dass eine Substanz oxidiert wird, wenn ihre Oxidationszahl zunimmt.

Reduktion funktioniert auf dieselbe Weise. Betrachten Sie hierzu diese Reaktion:

Cu2+ + 2e- � Cu(s)

Das Kupfer geht von einer Oxidationszahl von +2 auf null. Eine Substanz wird reduziert, wenn
sich ihre Oxidationszahl verringert.

---• 1 63 -

---• Chemie für Dummies

Das AbuJätjen f/on Redox�GleichuntJen

Redox-Gleichungen sind oft so komplex, dass die bekannte Methode (das Herumspielen mit den

Koeffizienten), um die chemischen Gleichungen auszubalancieren, nicht so gut funktioniert

(zu deren Erläuterung siehe Kapitel 8). Also haben Chemiker zwei verschiedene Methoden
dafür entwickelt, Redox-Gleichungen auszubalancieren. Eine Methode wird die Oxidationszahlenmethode genannt. Sie basiert auf den Änderungen in den Oxidationszahlen, die während der Reaktion vorkommen. Ich persönlich denke nicht, dass diese Methode annähernd so gut
funktioniert wie die zweite Methode, die Ionenelektronen-(Halbreaktions-)Methode, weil die
genaue Änderung der Oxidationszahl manchmal schwierig zu bestimmen ist. Also stelle ich

Ihnen lieber die zweite Methode vor.

Nun ein Überblick über die Ionenelektronenmethode: Die unausgewogene Redox-Gleichung
wird in die Ionen-Gleichung umgewandelt und dann in zwei Halb-Reaktionen - Oxidation und

Reduktion - aufgeteilt. Jede dieser halben Reaktionen wird gesondert ausbalanciert und dann
verbunden, um die ausgewogene Ionen-Gleichung zu erhalten. Zuletzt werden die Zuschauer

Ionen in die ausgewogene Ionen-Gleichung eingesetzt und wandeln damit die Reaktion wieder
in die molekulare Form um. (Eine schöne Schlagwort-Orgie, nicht wahr? Zur Erläuterung von
molekularen, Ionen- und Netto-Ionen-Gleichungen siehe Kapitel 8.) Es ist wichtig, die Schritte
genau und in der Reihenfolge auszuführen, wie sie aufgelistet sind. Sonst kann es sein, dass Sie
beim Ausbalancieren von Redox-Gleichungen nicht besonders erfolgreich sind.

Wie wär' es jetzt mit einem kleinen Beispiel? Ich habe vor, Ihnen zu zeigen, wie diese Redox

Gleichung mit der Ionenelektronenmethode abzuwägen ist:

Cu(s) + HN03(aq) � Cu(N03)2(aq) + NO(g) + H20(1)

Führen Sie folgende Schritte aus:

1. Wandeln Sie die unausgeglichene Redox-Reaktion in die Ionenform um.

In dieser Reaktion sehen Sie die Salpetersäure in der Ionenform, weil es eine starke Säure
ist (zur Diskussion von starken Säuren siehe Kapitel 12). Kupfer(II)-nitrat ist löslich (angezeigt durch (aq)), sodass es in seiner Ionenform dasteht (siehe Kapitel 8). Weil NO(g) und Wasser molekulare Verbindungen sind, bleiben sie in der molekularen Form:

Cu(s) + H+ + N03· � Cu2+ + 2 N03· + NO(g) + H20 (1)

2. Falls notwendig, ordnen Sie Oxidationszahlen zu und schreiben dann zwei halbe Reaktionen (Oxidation und Reduktion) auf, indem Sie die chemischen Substanzen anzeigen, die ihre Oxidationszahl geändert haben.

Manchmal ist es leicht, zu sagen, was oxidiert und reduziert wurde, aber in anderen Fällen
ist es nicht so einfach. Beginnen Sie, indem Sie die Beispielreaktion durchgehen und die

Oxidationszahlen zuordnen. Sie können dann die chemischen Substanzen verwenden, die
ihre Oxidationszahlen geändert haben, um die unausgewogenen Halbreaktionen niederzuschreiben:

Cu(s) + H+ + N03· � Cu2+ + 2 N03· + NO(g) + HzO(l)

0 +1 +5(-2)3 +2 + 5(-2)3 + 2 -2 (+ 1)2 -2

1 64 ---

---------• 9 > Elektrochemie: Batterien für Teekannen ---·

Schauen Sie genau hin. Das Kupfer änderte seine Oxidationszahl (von 0 auf 2) und auch
der Stickstoff (von -2 auf +2). Die unausbalancierten Halbreaktionen sind

Cu(s) ---7 Cu2+

N03- ---7 NO

3. Wägen Sie alle Atome mit Ausnahme des Sauerstoffs und des Wasserstoffs ab.

Es ist klug, bis zum Ende darauf zu warten, Wasserstoff- und Sauerstoff-Atome abzuwägen,
das heißt, gleichen Sie die anderen Atome immer zuerst ab. Sie können das tun, indem Sie
mit den Koeffizienten herumprobieren. (Sie dürfen keine Subskripts verändern, sondern
nur Koeffizienten.) Nun, in diesem besonderen Fall sind die Kupfer- und Stickstoff-Atome
schon im Gleichgewicht, eins auf jeder Seite:

Cu(s) ---7 Cu2+

N03- ---7 NO

4. Bringen Sie die Sauerstoff-Atome ins Gleichgewicht.

Wie Sie diese Atome ausgleichen, hängt davon ab, ob Sie mit sauren oder basischen

Lösungen zu tun haben:

In sauren Lösungen nehmen Sie die Anzahl der erforderlichen Sauerstoff-Atome und
fügen die gleiche Anzahl von Wassermolekülen der Seite hinzu, die Sauerstoff benötigt.

Bei basischen Lösungen fügen Sie für jedes Sauerstoffatom 2 OH- hinzu, und zwar auf
der Seite, die Sauerstoff benötigt Dann fügen Sie auf der anderen Seite der Gleichung
halb so viele Wassermoleküle wie verwendete OB--Anionen hinzu.

Eine saure Lösung hat etwas Säure oder H+, in einer basischen Lösung liegt OH- vor. Die

Beispielgleichung ist unter sauren Bedingungen (Salpetersäure, HN03, die in ionisierter

Form aus H+ + N03- besteht). Dies hat nichts mit der Halbreaktion beim Kupfer zu tun, die
das Kupfer einschließt, da hierbei keine Sauerstoff-Atome vorkommen. Aber Sie müssen
die Sauerstoff-Atome in der zweiten Halbreaktion ins Gleichgewicht bringen:

Cu(s) ---7 Cu2+

N03- ---7 NO + 2 H20

5. Wägen Sie die Wasserstoff-Atome ab.

Wieder hängt es davon ab, ob Sie eine saure oder basische Lösung vorliegen haben:

In sauren Lösungen nehmen Sie die Anzahl der erforderlichen Wasserstoff-Atome und
fügen die gleiche Anzahl von H+ der Seite hinzu, die Wasserstoff benötigt.

In basischen Lösungen fügen Sie ein Wassermolekül für jedes Wasserstoff-Atom der

Seite hinzu, die Wasserstoff benötigt Dann fügen Sie der anderen Seite der Gleichung
so viele OH--Anionen hinzu, wie Wassermoleküle benötigt werden.

---• 165 -

---· Chemie für Dummies

Die Beispielgleichung beschreibt den sauren Zustand. Sie müssen die Wasserstoff-Atome
in der zweiten Halbreaktion zum Ausgleich bringen:

Cu(s) � Cu2+

4 H + + N03- � NO + 2 H20

6. Wagen Sie die Ionenladung in jeder Halbreaktion durch Hinzufügen von Elektronen
ab.

Cu(s) � Cu2+ + 2 e- (Oxidation)

3 e- + 4 H + + N03- � NO + 2 H20 (Reduktion)

Die Elektronen sollten auf den gegenüberliegenden Seiten der Gleichung in den zwei

Halbreaktionen enden. Denken Sie daran, dass Sie Ionenladungen, nicht Oxidationszahlen
verwenden.

7. Wagen Sie Elektronenabgabe gegen Elektronenaufnahme zwischen den zwei Halb-Reaktionen ab.

Die Elektronen, die in der Oxidation-Halbreaktion abgegeben werden, sind dieselben Elektronen, die bei der Reduktion-Halbreaktion gewonnen werden. Die Anzahl der abgegebenen und aufgenommenen Elektronen muss gleich sein. Aber Schritt 6 zeigt einen Verlust von
zwei Elektronen und einen Gewinn von drei. Also müssen Sie die Zahlen mit Hilfe von
entsprechenden Multiplikatoren für beide Halbreaktionen richtig einstellen. In diesem Fall
müssen Sie zwischen 2 und 3 den kleinsten gemeinsamen Nenner finden. Dieser ist 6, also
multipliziert man die erste Halbreaktion mit 3 und die zweite Halbreaktion mit 2.

3 x [Cu(s) � Cu2+ + 2 e -) = 3 Cu(s) � 3 Cu2+ + 6 e-

2 x [3 e- + 4 H+ + N03- � NO + 2 H20) = 6 e- + 8 H+ + 2 N03- �2 NO + 4 H20

8. Addieren Sie die zwei Halb-Reaktionen und streichen Sie alles, was beiden Seiten gemeinsam ist. Die Elektronen sollten immer verschwinden (die Anzahl von Elektronen sollte auf beiden Seiten gleich sein).

3 Cu + &-e- + 8 H+ + 2 N03- � 3 Cu2+ + &-e- + 2 NO + 4 H20

9. Wandeln Sie die Gleichung durch Hinzufügen der Zuschauer-Ionen wieder in die molekulare Form um.

Wenn es notwendig ist, einer Seite der Gleichung Zuschauer-Ionen hinzuzufügen, fügen

Sie der anderen Seite der Gleichung dieselbe Anzahl hinzu. Auf der linken Seite der Gleichung gibt es zum Beispiel S H+. In der Originalgleichung trat das H+ in der molekularen Form von HN03 auf. Sie müssen das N03--Zuschauer-Ion wieder hinzufügen. Sie haben
schon zwei auf der linken Seite, so dass Sie nur noch sechs hinzufügen müssen. Sie fügen
dann 6 N03- auf der rechten Seite hinzu, um für den nötigen Ausgleich zu sorgen. Dieses
sind die Zuschauer-Ionen, die Sie brauchen, um das Cu2+-Kation in die molekulare Form
zurückzuverwandeln, die Sie ja anstreben.

3 Cu(s) + 8 HN03(aq) � 3 Cu(N03)2(aq) + 2 NO(g) + 4 H20(1)

- 166 ...====

---------- 9 � Elektrochemie: Batterien für Teekannen ---•

10. Vergewissem Sie sich, dass all die Atome und alle Ladungen ausgeglichen sind (wenn

Sie mit einer Ionen-Gleichung angefangen haben) und all die Koeffizienten ein kleinstes
gemeinsames Vielfaches haben.

Nun, so macht man das. Basische Reaktionen sind genau so leicht, solange Sie den Regeln
folgen.

Strom an und los: Elektrochemische Batterien

Im Abschnitt Des einen Verlust ist des anderen Gewinn beschreibe ich eine Reaktion, bei der
ich ein Stück Zinkmetall in eine Kupfer(II)-sulfatlösung gebe. Sofort bedeckt metallisches

Kupfer die Oberfläche des Zinks. Die Gleichung für diese Reaktion ist

Zn(s) + Cu2+ � Zn2+ + Cu(s)

Dies ist ein Beispiel für direkten Elektronentransfer. Zink gibt zwei Elektronen an das Cu2+-Ion
ab (wird oxidiert), das die Elektronen akzeptiert (die es zu Kupfermetall reduzieren). In Kapitel 8 zeige ich Ihnen, dass nichts geschieht, wenn Sie ein Stück Kupfermetall in eine Lösung geben, die Zn2+ enthält, weil Zink Elektronen leichter als Kupfer abgibt. Ich zeige Ihnen auch
die Aktivitätsserie von Metallen, die es Ihnen erlaubt, vorherzusagen, ob eine Redox-Reaktion
stattfindet oder nicht.

Nun ist dies eine nützliche Reaktion, wenn Sie Kupfer auf Zink galvanisieren wollen. Jedoch
haben nicht viele von uns den brennenden Wunsch, dieses zu tun! Aber wenn Sie in der Lage
waren, obige zwei Halbreaktionen zu trennen, so dass, wenn das Zink oxidiert ist, die abgegebenen Elektronen durch eine Leitung zum Cu2+ fließen müssen, dann haben Sie es schon weit gebracht. Dann haben Sie nämlich eine galvanische oder voltaisehe Zelle, eine Redox-Reaktion,
die Elektrizität produziert. In diesem Abschnitt zeige ich Ihnen, wie diese Zn!Cu2+-Reaktion
so separiert werden kann, dass man einen indirekten Elektronentransfer bekommt und damit
eine vernünftige Batterie.

Galvanische Zellen werden üblicherweise Batterien genannt, aber dieser Name ist
manchmal nicht ganz korrekt. Eine Batterie setzt sich aus zwei oder mehr verbundenen Zellen zusammen. Das Teil im Auto ist eine Batterie, aber in Ihrer Taschenlampe befindet sich eine Zelle.

Hübsche Zelle, Danie/1

Werfen Sie einen Blick auf Abbildung 9.1, die eine Daniell-Zelle zeigt, die zur Erzeugung von

Elektrizität die Zn!Cu2+-Reaktion verwendet. (Diese Zelle ist nach John Frederic Daniell, dem
britischen Chemiker benannt, der sie im Jahr 1836 erfand.)

In der Daniell-Zelle wird ein Stück Zinkmetall in einen Behälter mit einer Zink-sulfatlösung
gesteckt, und ein Stück Kupfermetall wird in eine Lösung des Kupfers(II)-sulfats in einen
anderen Behälter getaucht. Diese Metallstreifen nennt man Elektroden der Zelle. Sie wirken
als Pol oder Sammelstelle für Elektronen. Eine Leitung verbindet die Elektroden, aber es

--- 1 6 7

---· Chemie für Dummies
geschieht nichts, bis Sie eine Salzbrücke zwischen die zwei Behälter legen. Die Salzbrücke,
normalerweise eine mit einer konzentrierten Salzlösung gefüllte U-förmige Röhre, schafft eine

Verbindung, so dass sich Ionen von einem Behälter zum anderen bewegen können, um die

Lösungen elektrisch neutral zu halten. Es ist, als wenn man nur eine Leitung zur Deckenlampe
führt; das Licht funktioniert nicht, es sei denn, Sie fügen eine zweite Leitung hinzu, um den

Stromkreis zu schließen.

Abbildung 9.1: Eine Daniell-Zelle

Mit Hilfe der Salzbrücke können Elektronen zu fließen beginnen. Es ist dieselbe grundlegende

Redox-Reaktion wie die, die ich Ihnen am Anfang dieses Abschnitts zeigte. Zink wird oxidiert
und gibt Elektronen frei, die durch die Leitung zur Kupferelektrode fließen, wo sie für die

Cu2+-Ionen verfügbar werden, die wiederum metallisches Kupfer damit bilden. Kupfer-Ionen
von der Kupfer(II)-sulfatlösung galvanisieren auf die Kupferelektrode, während die Zinkelektrode verbraucht wird. Die Kationen in der Salzbrücke wandern in den Behälter, der die Kupferelektrode enthält, um die Kupfer-Ionen zu ersetzen, die verbraucht werden, während
die Anionen in der Salzbrücke in Richtung der Zinkseite wandern, wo sie die Lösung mit den
frisch erzeugten Zn2+-Kationen elektrisch neutral halten.

Die Zinkelektrode wird Anode genannt. Es ist die Elektrode, an der die Oxidation stattfindet,
und sie wird mit einem »-«-Zeichen versehen. Die Kupferelektrode wird Kathode genannt. Sie
ist die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet, und ist mit einem »+«-Zeichen versehen.

Eine solche Zelle produziert etwas mehr als ein Volt. Sie können mehr Spannung erzeugen, indem Sie die Lösungen, in denen die Elektroden sind, konzentrierter machen. Aber was können Sie tun, wenn Sie zum Beispiel zwei Volt wollen? Sie haben hierzu einige Möglichkeiten. Sie
können zwei dieser Zellen zusammenkoppeln und zwei Volt produzieren, oder Sie können zwei
andere Metalle aus dem Aktivitätsseriendiagramm in Kapitel 8 wählen, die weiter auseinander
sind als Zink und Kupfer. Je weiter die Metalle in der Aktivitätsserie auseinander sind, desto
mehr Spannung wird die Zelle produzieren.

---------· 9 >- Elektrochemie: Batterien für Teekannen ---

Es werde Licht: Taschenlampenbatterien

Die übliche Taschenlampenbatterie (siehe Abbildung 9.2), ein Trockenelement (sie befindet sich
nicht in einer Lösung wie eine Daniell-Batterie), ist in einem Zinkgehäuse untergebracht, das
als Anode wirkt. Die andere Elektrode, die Kathode, ist ein Graphitstab in der Mitte der Batterie.

Eine Schicht aus Manganoxid und Kohlenstoffschwarz (eine der vielen Erscheinungsformen
des Kohlenstoffs) umgibt den Graphitstab und eine dicke Paste aus Ammoniumchlorid und

Zinkchlorid dient als Elektrolyt. Die Reaktionen sind

Zn(s) � Zn2+ + 2 e- (Anodenreaktion/Oxidation)

2 Mn02(s) + 2 NH/ + 2 e- � Mn203(s) +2 NH3(aq) + Hp(l) (Kathodenreaktion/Reduktion)

Beachten Sie, dass das Gehäuse tatsächlich eine der Elektroden ist. Es wird in der Reaktion
verbraucht. Wenn dabei eine dünne Stelle entsteht, bildet sich ein Loch und die Batterie lässt
ihren korrosiven Inhalt heraussickern. Außerdem tendiert das Ammoniumchlorid dazu, Metall
zu korrodieren, womit wieder die Möglichkeit eines Lecks entsteht.

Im alkalischen Trockenelement (Alkali-Batterie) wird das saure Ammoniumchlorid aus der
normalen Trockenbatterie durch basisches (alkalisches) Kaliumhydroxid ersetzt. Mit dieser

Chemikalie wird die Korrosion des Zinkbodens stark reduziert.

Eine andere Zelle mit dem gleichen Grundaufbau ist die weithin bei Uhren, Schrittmachern
usw. verwendete kleine Quecksilberbatterie. Bei dieser Batterie besteht die Anode aus Zink, wie
beim normalen Trockenelement, aber die Kathode ist aus Stahl. Das Quecksilber(II)-oxid (Hgü)

und eine alkalische Paste bilden den Elektrolyt. Sie sollten diese Art der Batterie vorsichtig
entsorgen, damit das Quecksilber nicht in die Umwelt gelangt.

Abstandhalter aus Pappe

Weiche Paste aus ZnCI2 und NH4CI

Mn02 und schwarze Kohlenstoffpaste

Graphit-Kathodensta b

Zinkmetall-Boden

Abbildung 9.2: Eine Trockenbatterie

All diese galvanischen Zellen produzieren Elektrizität, bis ihnen ein Ausgangsstoff ausgeht.

Dann müssen sie ausrangiert werden. Es gibt jedoch auch Batterien, die aufgeladen werden
können, so wie die Redox-Reaktion umgekehrt werden kann, um den Ausgangsstoff wieder
zu erneuern. Nickel-Cadmium(Ni-Cad)- und Lithiumbatterien fallen in diese Kategorie. Die
bekannteste Art aufladbarer Batterien ist wahrscheinlich die Autobatterie.

---• 1 69 -

---• Chemie für Dummies

Gentlemen1 starten Sie Ihre Motoren: Autobatterien

Die gewöhnliche Autobatterie oder der gewöhnliche Bleiakku besteht aus sechs Zellen, die in

Serie (siehe Abbildung 9.3) geschaltet sind. Die Anode jeder Zelle besteht aus Blei, während
die Kathode aus Bleidioxid (Pb02) besteht. Die Elektroden sind in eine Schwefelsäure(H2SO 4)

Lösung getaucht. Wenn Sie Ihr Auto starten, finden die folgenden Reaktionen statt:

Pb(s) + H2S04(aq) � PbS04(s) + 2 H+ + 2 e- (Anode)

2 e- + 2 H+ + Pb02(s) + Hß04(aq) � PbS04(s) + 2 H20(1) (Kathode)

Pb(s) + Pb02(s)+ 2 H2S04(aq) � 2 PbS04(s) + 2 H20(1) (allgemeine Reaktion)

Positive Elektrode

(Kathode)

Pb

Abbildung 9.3: Der Bleiakku (Autobatterie)

Wenn diese Reaktion stattfindet, werden beide Elektroden zu festem Blei(II)-sulfat und die

Schwefelsäure verbraucht.

Nach dem Start (wenn der Motor läuft) übernimmt der Wechselstromgenerator oder die Lichtmaschine die Aufgabe, Elektrizität zu produzieren (für den Funken an der Zündkerze zum Beispiel) und lädt außerdem die Batterie auf. Die Lichtmaschine kehrt sowohl den Fluss der

Elektronen in die Batterie als auch die ursprünglichen Redox-Reaktionen um und erneuert
das Blei und Bleidioxid:

2 PbS04(s) + 2 H20(1) � Pb(s) + Pb02(s) + 2 Hß04(aq)

Der Bleiakku kann ziemlich oft entladen und geladen werden. Aber Schlaglöcher auf der Stra
ße oder überraschend auftauchende (!) Bordsteine können dazu führen, dass etwas Bleisulfat
abblättert und die Batterie in ihrer Funktion beeinträchtigt wird.

Während des Ladens arbeitet die Autobatterie wie eine andere Art von elektrochemischer Zelle,
nämlich wie eine elektrolytische Zelle, bei der durch die eingespeiste Elektrizität die andere

Richtung der Redox-Gleichung betrieben wird. Diese Reaktion kann das Aufladen einer Batterie
sein, oder sie kann dazu benutzt werden, Omas Teekanne zu galvanisieren.

- 1 1o ----

---------- 9 >- Elektrochemie: Batterien für Teekannen ---·

Fünf Euro für eine fJOldene Kette}

ElektrotJaltlanisierunfJ

Elektrolytische Batterien, also Batterien, die Elektrizität verwenden, um eine gewünschte

Redox-Reaktion zu produzieren, finden wir im Alltag sehr häufig. Aufladbare Batterien sind
ein Hauptbeispiel hierfür, aber es gibt noch viele andere Anwendungen. Haben Sie sich schon
einmal gefragt, wie das Aluminium Ihrer Bierdose gewonnen wird? Aluminiumerz ist überwiegend Aluminiumoxid (Al203). Aluminiummetall wird durch Reduzieren des Aluminiumoxids in einer elektrolytischen Zelle mit hoher Temperatur produziert, wobei etwa 250.000 Ampere
angewendet werden. Das ist eine Menge Elektrizität. Es ist viel billiger, alte Aluminiumdosen
einzuschmelzen und neue Dosen daraus zu machen, als das Aluminium aus seinem Erz herauszuholen. Deshalb ist die Aluminiumindustrie so sehr hinter der Wiederverwertung des Aluminiums her. Es ist einfach das bessere Geschäft.

Wasser kann durch Elektrizität in einer elektrolytischen Zelle zerlegt werden. Dieser Prozess,
chemische Änderungen dadurch zu erzeugen, dass man elektrischen Strom durch eine elektrolytische Zelle schickt, nennt man Elektrolyse. Die Reaktionsgleichung für die Elektrolyse von Wasser ist:

2 H20(1) � 2 H2(g) + 02(g)

Ganz ähnlich können metallisches Natrium und Chlorgas durch die Elektrolyse von geschmolzenem Natriumchlorid erzeugt werden.

Elektrolytische Zellen werden auch bei dem Galvanisierung genannten Prozess eingesetzt.

Bei der Galvanisierung wird ein teureres Metall auf die Oberfläche eines billigeren Metalls
durch Elektrolyse aufgebracht (in einer sehr dünnen Schicht). Bevor die Plastikstoßstangen
beliebt wurden, wurden Stahlstoßstangen verwendet, auf die durch Elektrolyse Chrom in einer
dünnen Schicht aufgebracht wurde. Jene Goldkettchen, die man für 5 € kaufen kann, werden
in Wirklichkeit aus billigem Metall mit einer galvanisierten Oberfläche aus Gold hergestellt.

Abbildung 9.4 zeigt die Galvanisierung von Silber auf eine Teekanne.

Silberanode

Teekanne als Kathode

Abbildung 9.4: Galvanisierung von Silber auf der Oberfläche einer Teekanne

---• 1 7 1 -

---• Chemie für Dummies

Eine Batterie wird im Allgemeinen verwendet, um Elektrizität für irgendeinen Vorgang bereitzustellen. Die Teekanne wirkt als Kathode, und ein Silberbarren wirkt als Anode. Der Silberbarren stellt die Silber-Ionen bereit, die auf die Oberfläche der Teekanne reduziert werden. Viele Metalle und sogar einige Legierungen können so durch Galvanisierung aufgebracht werden.

Jeder mag diese tollen Oberflächen, insbesondere auch deshalb, weil sie nicht mit den hohen

Kosten des eigentlichen Metalls verbunden sind. (Das erinnert mich an einen Olympiaathleten,
der so stolz auf seine Goldmedaille war, dass er sie mit Bronze überzog!)

Dies briniJt mich zur WeißiJiut!

VerbrennunfJ tlon Treibstoffen und NahrunfJ

Verbrennungsreaktionen sind Redox-Reaktionen, die für das Leben und die Zivilisation absolut
essenziell sind, weil Wärme das wichtigste Produkt dieser Reaktionen ist. Das Verbrennen von

Kohle, Holz, Erdgas und Petroleum heizt unsere Häuser und liefert den überwiegenden Teil
unserer Elektrizität. Die Verbrennung von Benzin, Düsenflugzeugtreibstoff und Dieseltreibstoff
treibt unsere Transportsysteme an. Und die Verbrennung von Nahrung sichert das Funktionieren unserer eigenen Körper.

Haben Sie sich schon einmal gefragt, wie der Energieinhalt von Treibstoff oder der Nahrung
gemessen wird? Zur Messung des Wärmeinhalts verwendet man ein Kalorimeter. Abbildung

9.5 zeigt die größeren Komponenten eines Bombenkalorimeters.

Kontaktdrähte

Thermom

Rührstab

Wasser

Sauerstoffatmosphäre

Isolierter A

Stahlbehälter Gericht als Probematerial

Abbildung 9.5: Aufbau eines Kaloriemeters

Um den Energieinhalt von Treibstoffen zu messen, wird eine bekannte Masse des Stoffs in einen

Messbehälter gefüllt und versiegelt. Die Luft wird aus dem Behälter entfernt und durch reinen

Sauerstoff ersetzt. Der Behälter wird dann ins Kalorimeter gestellt und mit einer bestimmten

Menge Wasser umgeben. Die Anfangstemperatur des Wassers wird nun gemessen und dann

- 1 72 ----

---------- 9 >- Elektrochemie: Batterien für Teekannen ---·
wird die Probe elektrisch aufgeheizt Nun wird der Temperaturanstieg gemessen, und die Anzahl der Kalorien der freigegebenen Energie wird berechnet. Eine Kalorie ist die Wärmemenge, die man braucht, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser um 1 Grad Celsius anzuheben. Die
vollständige Verbrennung eines großen Küchenstreichholzes ergibt zum Beispiel etwa eine

Kilokalorie. (Siehe Kapitel 2 zu den Grundlagen von Kalorien und Energiemessungen.)

Der Wärmeinhalt der Nahrung kann genau so bestimmt werden. Chemiker geben ihre Ergebnisse in Kalorien oder Kilokalorien an, während Diätetiker von Nährkalorien sprechen. Eine Nährkalorie entspricht einer Kilokalorie des Chemikers ( 1.000 Kalorien). Ein Bonbon mit

300 Kalorien produziert 300.000 Kalorien Energie. Leider kann all diese Energie nicht sofort
verbraucht werden, so dass eine gewisse Menge dieser Energie in Form von Fett gespeichert
wird. Das Resultat vieler Bonbons trage ich nun mit mir herum.

Teil III

Das Mol1 der beste Freund
des Chemikers

The 5th Wave

By Rich TeiilWlt

»Was ist schon ein Doktor in Chemie, ich habe meine
ei9ene Zirkusnummer.«

ln diesem Teil . . .

Chemiker bewegen sich in einer Welt von sichtbaren oder anfassbaren Dingen - der makroskopischen Welt der Gramme, Liter und Meter. Sie führen chemische Reaktionen aus, indem
sie einige Gramm Reaktanden nehmen, und sie messen auch
die Menge des erzeugten Produktes in Gramm. Sie verwenden

Liter, um die Menge eines erzeugten Gases zu messen. Sie
prüfen eine Lösung mit Lackmus-Papier, um festzustellen, ob
es sich um eine Säure oder um eine Base handelt.

Chemiker bewegen sich jedoch auch in der mikroskopischen

Welt der Atome und Moleküle. Da Atome und Moleküle so
klein sind, sind Chemiker erst seit kurzem in der Lage, sie zu
sehen - dank der fortschrittlichen Technologie der neuesten
mikroskopischen Technik. Chemiker betrachten Säuren und

Basen als Geber beziehungsweise Nehmer von Protonen und
nicht nur als Farbveränderung eines Indikators. Dabei helfen

Modelle dem Chemiker, die Prozesse zu verstehen und sogar
vorherzusagen, was in der mikroskopischen Welt passiert. Diese

Modelle lassen sich in ganz alltägliche Anwendungen übertragen.

Die folgenden Kapitel zeigen Ihnen die Brücke zwischen der
makroskopischen und mikroskopischen Welt - das Mol. Ich
erkläre Ihnen die Reaktionsstöchiometrie - also wie viel Ausgangsstoff benötigt wird, um eine spezielle Menge eines Produktes zu erzeugen. Ich führe den Begriff der Lösung und den der Kolloide ein und zeige Ihnen, was Säuren, Basen und Gase
sind. Sie erfahren etwas über die Vielfalt der Beziehungen
zwischen den Eigenschaften von Gasen und wie man diese mit
der Stöchiometrie in Beziehung setzt. In der Chemie ist alles
irgendwie miteinander verknüpft.

Das Mol: Atome zum Anfassen
ln diesem Kapitel

Durch Wiegen zählen

Das Mol-Konzept analysieren

Das Mol bei chemischen Berechnungen benutzen

Chemiker tun

Synthese
viele
nennen. Dinge.

Und

Eines
eine
ist,
logische neue Substanzen

Frage, die sie
zu
dabei erzeugen,
stellen, ist was

»wie die Chemiker
viel?«

»Wie viel von diesem Ausgangsstoff benötige ich, um wie viel von jenem Produkt herzustellen?

Oder wie viel Produkt kann ich aus so viel Ausgangsstoffen erzeugen?« Um solche Fragen zu
beantworten, müssen Chemiker in der Lage sein, eine ausbalancierte chemische Reaktionsgleichung, in der nur Begriffe wie Atome, Moleküle usw. vorkommen, so anzuwenden, dass sie die für die angestrebte Reaktion notwendigen Mengen in Gramm, Pfund oder Tonnen real im

Labor abwägen können. Das Mol-Konzept ermöglicht es Chemikern, von der mikroskopischen

Welt von Atomen und Molekülen zum realen Wert in Gramm und Kilogramm überzugehen,
eines der wichtigsten, zentralen Konzepte in der Chemie. In diesem Kapitel stelle ich Sie Herrn

Mol vor.

Das Zählen durch Wie9en

Nehmen Sie an, Sie haben die Aufgabe, 1 .000 Muttern und 1.000 Schrauben in große Taschen
zu packen, und Sie werden für jede volle Tasche bezahlt. Was ist die effizienteste und schnellste

Art, die Muttern und Bolzen zu zählen? Wiegen Sie hundert oder sogar zehn Stück ab und ermitteln Sie dann, wie viel tausend davon wiegen. Füllen Sie die Tasche mit Muttern auf, bis sie so schwer ist, wie 1000 rechnerisch wiegen müssen. Wenn Sie die richtige Anzahl von Muttern
haben, machen Sie das Gleiche mit den Schrauben. Mit anderen Worten: Zählen Sie durch

Wiegen; das ist eine der effizientesten Möglichkeiten, große Mengen von Objekten zu zählen.

In der Chemie zählen Sie sehr große Mengen von Teilchen wie Atome und Moleküle. Um sie gut
und schnell zu zählen, sind Sie auf das Zählen durch Wiegen angewiesen. Die Zählung-durch

Wiegen-Methode verwenden bedeutet, dass Sie wissen müssen, wie viel die einzelnen Atome
und Moleküle wiegen. Sie können nun die Masse der einzelnen Atome dem Periodensystem
entnehmen. Was aber ist mit den Massen der Verbindungen? Nun, Sie können die Massen
der einzelnen Atome in der Verbindung einfach zusammenzählen und erhalten damit das

Molekulargewicht oder Formelgewicht (Molekulargewichte beziehen sich auf Verbindungen
kovalent gebundener Verbindungen, Formelgewichte beziehen sich sowohl auf lonen- als auch
kovalente Verbindungen. Schauen Sie in den Kapiteln 6 und 7 nach den Details von Ionen- und
kovalenten Bindungen.)

---· 1 77 -

---• Chemie für Dummies

Hier ein einfaches Beispiel, das zeigt, wie das Molekulargewicht einer Verbindung zu berechnen
ist: Wasser, H20, ist aus zwei Wasserstoff-Atomen und einem Sauerstoff-Atom zusammengesetzt. Mit einem Blick in das Periodensystem stellt man fest, dass ein Wasserstoff-Atom 1,0079
amu (atomare Masseneinheit, atomic mass unit, siehe Kapitel 3) schwer ist, ein Sauerstoff

Atom wiegt 15,999 amu. Um das Molekulargewicht von Wasser zu berechnen, zählen Sie die

Atommassen von zwei Wasserstoff-Atomen und einem Sauerstoff-Atom einfach zusammen:

2 x 1,0079 amu = 2,016 amu

(zwei Wasserstoff-Atome)

1 x 15,999 amu = 15,999 amu

(ein Sauerstoff-Atom)

2,016 amu+ 15,999 amu = 18,015 amu (die Masse des Wassermoleküls)

Jetzt versuchen Sie etwas Schwierigeres. Berechnen Sie das Formelgewicht des Aluminium

Sulfats Al2(SO 4)3• In diesem Salz haben Sie zwei Aluminium-Atome, drei Schwefel-Atome und
zwölf Sauerstoff-Atome. Nachdem Sie die einzelnen Massen der Atome im Periodensystem
gefunden haben, können Sie das Formelgewicht wie folgt berechnen:

[ (2 x 26,982 amu) + (3 x 32,066 amu) + (12 x 15,999 amu)] = 342,15 amu
für das Aluminium für den Schwefel für den Sauerstoff für Al2(S04)3

Paare, Dutzende, alte Riese und Mole

Wenn wir Menschen uns mit Objekten befassen, denken wir oft an eine bestimmte, vernünftige

Menge hiervon. Wenn eine Frau zum Beispiel Ohrringe kauft, kauft sie normalerweise zwei
davon. Wenn ein Mann ins Lebensmittelgeschäft geht, kauft er Eier im Dutzend. Und wenn ich
zum Bürobedarfsgeschäft gehe, kaufe ich ein Ries Kopierpapier.

Wir verwenden Wörter, um die ganze Zeit Nummern darzustellen - ein Paar ist zwei, ein

Dutzend ist zwölf, und ein altes Ries sind 500 Stück. All diese Wörter sind Maßeinheiten. Sie
eignen sich besonders für die Objekte, auf die sie angewendet werden. Selten würden Sie ein

Ries Ohrringe oder ein Paar Papier kaufen wollen.

Genauso ist das, wenn Chemiker mit Atomen und Molekülen umgehen. Dann brauchen sie eine
angenehme Einheit, die die sehr kleine Größe von Atomen und Molekülen in Betracht zieht.

Es gibt solch eine Einheit. Sie wird Mol genannt.

AflotJadros Nummer: Steht nicht im Telefonbuch

Das Wort Mol steht für eine Zahl - 6,022 x 1 023• Diese Zahl wird nach dem Wissenschaftler

Amedeo Avogadro, der die grundlegenden Arbeiten hierzu geleistet hat, allgemein Avogadrozahl genannt.

Nun ist ein Mol - 6,022 x 1023 - eine wirklich riesige Zahl. Ausgeschrieben ist dies

602.200.000.000.000.000.000.000

Das ist der Grund, warum ich die wissenschaftliche Schreibweise so mag.

- 1 78 ---·

10 � Das Mol: Atome zum Anfassen ---

Wenn Sie ein Mol von Marshmallows hätten, würde es die Vereinigten Staaten in einer Dicke
von etwa 600 Meilen bedecken. Ein Mol von Reiskörnern würde den Kontinentteil der Welt in
einer Dicke von 75 Metern bedecken. Und ein Mol von Würmern ... nein, darüber will ich noch
nicht einmal nachdenken!

Die Avogadrozahl steht also für eine bestimmte Zahl von Dingen. Normalerweise sind das

Atome und Moleküle. Also bezieht sich das Mol auf die mikroskopische Welt von Atomen und

Molekülen. Aber wie bezieht es sich auf die makroskopische Welt, in der ich arbeite?

Die Antwort ist, dass ein Mol auch die Anzahl von Teilchen in genau 12 Gramm eines besonderen Isotops von Kohlenstoff (C-12) ist. So, wenn Sie genau 12 Gramm 12C haben, haben Sie 6,022 x 1023 Kohlenstoff-Atome, was auch ein Mol von 12C-Atomen bedeutet. Für jedes andere

Element ist ein Mol die in Gramm ausgedrückte Atommasse. Und für eine Verbindung ist ein

Mol die Verbindungsformel oder das Molekulargewicht in Gramm.

Die Anwendun9 des Mols in der realen Welt

Die Masse eines Wassermoleküls ist 18,015 amu (siehe AbschnittDas Zählen durch Wiegen für
die Berechnung der Masse von Verbindungen). Weil ein Mol das Molekulargewicht einer Verbindung in Gramm ist, kann man nun genau sagen, dass die Masse eines Mols von Wasser 18,015

Gramm ist. Sie können auch sagen, dass 18,015 Gramm Wasser 6,022 x 1023 H20-Moleküle
oder ein Mol Wasser enthalten. Und das Mol von Wasser setzt sich aus zwei Molen Wasserstoff
und einem Mol Sauerstoff zusammen.

Das Mol ist die Brücke zwischen der mikroskopischen und der makroskopischen Welt:

6,022 x 1023 Teilchen sind ein Mol und entsprechen der Atom- (oder Verbindungsformel-)

Masse in Gramm.

Wenn Sie eines der drei Dinge - Teilchen, Mol oder Gramm - haben, dann können Sie die
anderen zwei berechnen.

Nehmen wir zum Beispiel an, Sie wollen wissen, wie viele Wassermoleküle in 5,50 mol Wasser
sind. Sie können das Problem wie folgt lösen:

5,50 mol x 6,022 x 1023 Moleküle/mol = 3,31 x 1024 Moleküle

Oder nehmen wir an, Sie wollen wissen, wie viele Mole in 25,0 Gramm Wasser sind. Sie können
das Problem wie folgt lösen (siehe auch Anhang B zur Exponenten-Arithmetik):

25, 0 'g_ H2 0 x 1 moJ H2 0 = 1 39 mol H O

2

1

18, 015 'g_ H2 0

'

Sie können sogar von Gramm auf die Anzahl der Teilchen schließen. Wie viele Moleküle sind
zum Beispiel in 100,0 Gramm Kohlenstoffdioxid?

Das Erste, das Sie tun müssen, ist, das Molekulargewicht von C02 zu bestimmen. Ein Blick auf
das Periodensystem genügt, um festzustellen, dass ein Kohlenstoff-Atom 12,01 1 amu und ein

Sauerstoff-Atom 15,999 amu wiegt. Jetzt bestimmen Sie das Molekulargewicht wie folgt:

---• 1 79 -

---· Chemie für Dummies

[(1 x 12,011 g/mol) + (2 x 15,999 g/mol)] = 44,01 g/mol für C02

Jetzt können Sie das Problem lösen:

100, 0 g_ C02 x 1 iOOl C02 x 6, 022 x 1023 Moleküle = 1 368 x 1024 CO Moleküle

1

44, 0 1 g_

1 i001

,

2

Es ist genau so leicht, von Teilchen zu Molen und zu Gramm zu kommen.

Sie können das Mol-Konzept auch verwenden, um die empirische Formel einer Verbindung mit

Hilfe der Information über die prozentuale Zusammensetzung für diese Verbindung - dem Prozentsatz der Masse jedes Elements in der Verbindung - zu berechnen. (Die empirische Formel gibt die verschiedenen Arten von Elementen in einem Molekül und den kleinsten gemeinsamen
ganzzahligen Nenner jedes Atoms im Molekül an. Siehe Kapitel 7 für mehr Details.)

Wenn ich versuche, die empirische Formel einer Verbindung zu bestimmen, besitze ich oft Informationen zum Prozentsatz. Die Bestimmung der Prozentsätze ist eine der ersten Analysen, die ein Chemiker beim Kennenlernen einer neuen Verbindung durchführt. Nehmen Sie zum

Beispiel an, ich hätte herausgefunden, dass eine spezielle Verbindung die folgende prozentuale

Zusammensetzung von Elementen aufweist: 26,4% Na, 36,8% S und 36,8% 0. Da ich mich mit

Prozenten befasse (Betrag pro hundert), nehme ich an, dass ich 100 Gramm der Verbindung
habe, so dass meine Prozentsätze direkt als Massen hergenommen werden können. Ich wandle
dann jede Masse in Mol um wie folgt.

1 mol Na = 1 15

,

1
mo N. a

1

22, 99 g

36, 8 g S x 1 mol S = 1,15 mol S

1

32, 07 g

36, 8 g 0 x 1 mol 0 = 2, 30 mol 0

1

16, 00 g

Jetzt kann ich die empirische Formel von Na1,15S1,1502,30 aufschreiben. Ich weiß, dass meine

Subskripte ganze Zahlen sein müssen. Ich dividiere also jedes Subskript durch das kleinste,
also 1,15, und erhalte NaS02• (Wenn ein Subskript 1 ist, wird es nicht angezeigt.) Ich kann
dann eine Masse für die empirische Formel durch Zusammenzählen der Atommassen im Periodensystem von einem Natrium- (Na), einem Schwefel- (S) und zwei Sauerstoff-Atomen (0) berechnen. Ich erhalte damit ein empirisches Formelgewicht von 87,056 Gramm. Nehmen wir
an, dass ich in einem anderen Versuch herausbekommen habe, dass das tatsächliche Molekulargewicht dieser Verbindung 174, 1 12 Gramm war. Durch Division von 174, 1 12 Gramm durch 87,056 Gramm (tatsächliches Molekulargewicht durch empirisches Formelgewicht) erhalte
ich 2. Dies bedeutet, dass die reale molekulare Formel zweimal die empirische Formel ist, so
dass die Verbindung tatsächlich Na2SzÜ4 ist.

- 1so ----

1 0 >- Das Mol: A tome zum Anfassen ---

Chemische Reaktionen und das Mol

Ich denke, einer der Gründe, warum ich es genieße, Chemiker zu sein, ist, dass ich gerne koche.

Ich sehe viele Ähnlichkeiten zwischen Kochen und Chemie. Ein Chemiker nimmt bestimmte

Reaktanden und macht etwas Neues daraus. Ein Koch macht eigentlich das Gleiche. Er oder
sie nimmt bestimmte Dingen, Zutaten genannt, und macht etwas Neues daraus.

Ich stelle zum Beispiel gerne die FAT-Verbindung her (FAT = Fantastische Apfel Torte). Das

Rezept hierzu lautet:

Äpfel + Zucker + Mehl + Gewürz = FAT

Halt, warten Sie. Mein Rezept hat auch Portionen. Es sieht mehr so aus:

4 Tassen Äpfel + 3 Tassen Zucker + 2 Tassen Mehl + 1110 Tasse Gewürze = 12 FATs

Mein Rezept sagt mir, wie viel jeder Zutat ich brauche, und wie viele FATs ich dadurch erhalte.

Ich kann mein Rezept sogar dazu verwenden, um einzuschätzen, wie viel von jeder Zutat ich
für eine bestimmte Menge von FATs benötige. Nehmen wir zum Beispiel an, ich gebe ein großes

Abendessen, und ich brauche 250 FATs. Ich kann mein Rezept nun anwenden, um die Menge

Äpfel, Zucker, Mehl und Gewürze zu berechnen, die ich benötige. Hier ist zum Beispiel meine

Schätzung der Zuckermenge:

250 FATs x 3 Tassen Zucker = 62 5

, T. assen Z k
uc er

1

12 FATs

Ich kann das Gleiche für die Äpfel, das Mehl und die Gewürze durch einfaches Ändern des

Bruches jeder Zutat in obiger Gleichung erreichen (als ein Vielfaches der Quote für 12 FATs).

Die ausbalancierte chemische Gleichung erlaubt Ihnen genau das Gleiche. Sehen Sie sich zum

Beispiel meine Lieblingsreaktion, den Haber-Prozess an, ein Verfahren zur Herstellung von

Ammoniak (NH3) durch Reaktion von Stickstoffgas mit Wasserstoffgas:

N2(g) + 3 H2(g) H 2 NH3(g)

In Kapitel 8 verwende ich diese Reaktion immer wieder für verschiedene Beispiele (sagte ich
eigentlich schon, dass es meine Lieblingsreaktion ist?) und erläutere auch, dass Sie die Reaktion
so lesen können: Ein Molekül von Stickstoffgas reagiert mit drei Molekülen von Wasserstoffgas,
um zwei Moleküle Ammoniak zu erzeugen.

Nz(g)

+

3 H2(g)

H

2 NH3(g)

1 Molekül

3 Moleküle

2 Moleküle

Jetzt können Sie alles durch einen Faktor 12 vergrößern:

Nz(g)

+

3 H2(g)

H

2 NH3(g)

1 Dutzend Moleküle

3 Dutzend Moleküle

2 Dutzend Moleküle

---- 18 1 -

---• Chemie für Dummies

Sie können es sogar bis 1 .000 vergrößern:

N2(g)

+

3 H2(g)

2 NH3(g)

1.000 Moleküle

3.000 Moleküle

2.000 Moleküle

Oder, wie wär's mit 6,022 x 1023:

N2(g)

+

3 H2(g)

2 NH3(g)

6,022 x 1023 Moleküle

3(6,022 x 1023 Moleküle)

2(6,023 x 1023 Moleküle)

Moment mal! Ist nicht 6,022 x 1023 ein Mol? Wir können die Gleichung also so schreiben:

+

Richtig! Die Koeffizienten in der ausbalancierten chemischen Gleichung können nicht nur

Atome und Moleküle darstellen, sondern auch die Zahl der Mole.

Nun werfen Sie noch einen Blick auf mein Rezept für FATs:

4 Tassen Äpfel + 3 Tassen Zucker + 2 Tassen Mehl + 1/10 Tasse Gewürze = 12 FATs

Nun habe ich aber ein Problem. Wenn ich zum Lebensmittelgeschäft gehe, kaufe ich keine
frischen Äpfel in der Tasse. Ebenso wenig kaufe ich Zucker oder Mehl in der Tasse, sondern
pfundweise. Also kaufe ich einen großen Überschuss. Da ich aber geizig bin (na ja, preisbewusst
passt besser), will ich so nah wie möglich an den Betrag heran, den ich wirklich benötige. Wenn
ich das Gewicht pro Tasse für jede Zutat kenne, habe ich die Lösung. So wiege ich die Zutaten
und bekomme

1 Tasse Äpfel 0,5

=

Pfd.; 1 Tasse Zucker = 0, 7 Pfd.; 1 Tasse Mehl = 0,3 Pfd.; 1 Tasse Gewürze =

0,2 Pfd.

Jetzt kann ich die Messungen in meinem Rezept einsetzen:

4 Tassen Äpfel + 3 Tassen Zucker + 2 Tassen Mehl + 1/10 Tasse Gewürze = 12 FATs

4(0,5 Pfd.)

3(0,7 Pfd.)

2(0,3 Pfd.)

1/10(0,2 Pfd.)

Wenn ich jetzt wissen will, wie viele Pfund Äpfel ich für 250 FATs benötige, kann ich die entsprechende Gleichung wie folgt aufstellen: 250 FAT x 4 Tassen Äpfel x 0,5

= 41, 7 Pfd. Äpfel

1

12 FATs

1 Tasse Apfel

Ich kann bestimmen, wie viel jeder Zutat ich (in Pfd.) benötige, wenn ich genau weiß, welches

Gewicht eine Tasse dieser Zutat besitzt.

Genau das Gleiche gilt bei chemischen Gleichungen. Wenn Sie das Formelgewicht der Ausgangsstoffe und der Produkte kennen, können Sie herausbekommen, wie viel Sie benötigen und wie viel Sie produzieren.

- 182 ----

10 >- Das Mol: Atome zum Anfassen ---

Überprüfen Sie zum Beispiel wieder diese Haber-Reaktion:

+

Sie brauchen nur die Molekulargewichte der Reaktanden und des Produkts zu bestimmen
und bauen dann die Gewichte in die Gleichung ein. Verwenden Sie das Periodensystem, um
die Massen der Atome und der Verbindung zu bestimmen (siehe Abschnitt Das Zählen durch

Wiegen weiter vorne in diesem Kapitel) und jene Zahlen mit der Anzahl von Molen wie folgt
zu multiplizieren:

1 (28,014 g/mol)

3(2,016 g/mol)

2 (17,031 g/mol)

Wie viel man für wie viel braucht: Reaktionsstöchiometrie

Sobald man die Massenbeziehungen aufgestellt hat, kann man einige Stöchiometrieprobleme
behandeln. Stöchiometrie behandelt die Massenbeziehung in chemischen Gleichungen.

Sehen Sie sich meine Lieblingsreaktion an - erraten! - den Haber-Prozess:

N2(g) + 3 H2(g) H 2 NH3(g)

Nehmen wir an, Sie wollen wissen, wie viel Gramm Ammoniak durch die Reaktion von 75,00

Gramm Stickstoff bei Wasserstoffüberschuss produziert werden kann. Das Mol-Konzept liefert

Ihnen den Schlüssel. Die Koeffizienten in der ausbalancierten Gleichung sind nicht nur die

Anzahl von einzelnen Atomen oder Molekülen, sondern auch die Anzahl von Molen.

N2 (g)

+

3 H2 (g)

2 NH3 (g)

1 mol

3 mol

2 mol

1 (28,014 g/mol)

3(2,016 g/mol)

2(17,031 g/mol)

Zunächst können Sie 75,00 Gramm Stickstoff in Mole von Stickstoff umwandeln. Dann verwenden Sie das Verhältnis der Mole von Ammoniak zu den Molen von Stickstoff aus der ausbalancierten Gleichung, um sie in Ammoniak-Mole umzuwandeln. Zuletzt nehmen Sie die Ammoniak-Mole und wandeln sie in Gramm um. Die Gleichung sieht wie folgt aus:

17, 031 g

75, 00 g N2

1

2 mol NH3

X

X

X

1 mal NH3

1

28, 014 g N 2

1 mal N2

= 91,19 g NH3

Das Verhältnis der Mole NH3 und N2 wird stöchiometrisches Verhältnis genannt. Dieses Verhältnis ermöglicht Ihnen, vom Mol einer Substanz in einer ausgeglichenen chemischen Gleichung zu den Molen von einer anderen Substanz zu konvertieren.

Ihnen hängt der Haber-Prozess zum Hals heraus? (Mir nicht!) Werfen wir einen Blick auf eine
andere Reaktion - die Reduktion des Rosts (Fe203), um Rost durch Kohlenstoff in Eisen zu
verwandeln. Die ausbalancierte chemische Reaktion sieht so aus:

---- 1 83 -

--- Chemie für Dummies

2 Fe203(s) + 3 C ---7 4 Fe(s) + 3 C02(g)

Wenn Sie stöchiometrische Probleme bearbeiten wollen, müssen Sie mit einer ausbalancierten
chemischen Gleichung beginnen. Wenn Sie an einem anderen Punkt beginnen, müssen Sie
erst die Gleichung ausbalancieren.

In diesem Beispiel sind die benötigten Formelgewichte:

V Fe203: 159,69 g/mol

V C: 12,01 g/mol

V Fe: 55,85 g/mol

V C02: 44,01 g/mol

Nehmen wir an, Sie wollen wissen, wie viel Gramm Kohlenstoff für 1000 Kilogramm Rost benötigt werden. Dann müssen Sie das Kilogramm Rost in Gramm umwandeln und das Gramm in Mol. Dann können Sie ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen Rost und Kohlenstoff in

Mol und schließlich in Gramm aufstellen. Die Gleichung sieht dadn so aus:

1, 000 kg Fe203 x 1000 � x 1 lneLFe203 x 3 IooL C x 12, 01 g C = l12,85 g C

1

1 kg 159, 69 � Fep3 2 lneLFe203

1 lneLC

Sie können sogar die Anzahl der Kohlenstoff-Atome berechnen, die mit 1,000 Kilogramm Rost
reagieren. Sie verwenden grundsätzlich dieselben Umrechnungen, aber anstatt Mole von Kohlenstoff in Gramm umzuwandeln, konvertieren Sie von Kohlenstoffmolen zu Kohlenstoff

Atomen mit Hilfe der Avogadrozahl:

1, 000 'kg

1000 'g_ 3 ?oo1. Fe203

1 ?rwJ.. Fe203

6, 022 x 1023 Atome 5 657 1024 C A

X

X

X

= ,

X

-
tOilll

1

1 kg

2 ?rwJ.. Fe203 159, 69 'g_ Fe203

1 ?rwJ.. C

Nun möchte ich Ihnen zeigen, wie man die Menge Eisen in Gramm berechnet, wenn 1 kg

Rost mit Kohlenstoff (im Überschuss) reagiert. Es ist derselbe Grundprozess wie zuvor - von

Kilogramm Rost zu Gramm Rost zu Mol Rost zu Mole von Eisen zu Gramm Eisen:

1, 000 kg_ Fe203 x 1000 � x 1 1'ool Fe203 x 4 1'ool Fe203 x 55, 85 g 699,5 g Fe

1

1 kg 159, 69 � Fep3 2 l'oo1 Fe203 1 i'ool...Fe

Also sagen wir voraus, dass wir 699,5 Gramm Eisen erzeugen können. Was ist aber, wenn bei
dieser Reaktion nur 525,0 Gramm Eisen erzeugt werden? Es kann mehrere Gründe geben,
warum man weniger produziert als erwartet - schlampige Technik oder unreine Reaktanden.

Es ist auch ziemlich wahrscheinlich, dass die Reaktion im Gleichgewicht in beiden Richtungen
abläuft. Sie bekommen nie eine 100-Prozent-Umwandlung von Reaktanden zu Produkten.

(Siehe Kapitel 8 für mehr Details über Gleichgewichtsreaktionen.) Wäre es nicht schön, wenn
es eine Möglichkeit gäbe, den Wirkungsgrad einer speziellen Reaktion zu bestimmen? Das geht!

Man nennt es prozentuale Ausbeute.

- 184 ---

10 � Das Mol: Atome zum Anfassen ---

Wo ist es tJebfiebenJ Prozentuale Ausbeute

In fast jeder Reaktion produziert man weniger als erwartet. Sie können weniger produzieren,
weil die meisten Reaktionen Gleichgewichtsreaktionen sind (siehe Kapitel 8) oder weil eine andere Randbedingung ins Spiel kommt. Chemiker können eine Vorstellung vom Wirkungsgrad einer Reaktion durch Berechnen der prozentualen Ausbeute dafür bekommen:

reale Ausbeute

A b
us
t
eu e =
x 100
theoretische Ausbeute

Die reale Ausbeute ist das, was Sie als Produkt erhalten, wenn Sie die Reaktion durchführen.

Die theoretische Ausbeute ist das, was bei der formelhaften Berechnung herauskommt. Das

Verhältnis dieser zwei Ausbeuten gibt Ihnen eine Vorstellung über die Effizienz der Reaktion.

Für die Reaktion von Rost (siehe vorigen Abschnitt) ist Ihre theoretische Ausbeute 699,5

Gramm Eisen; Ihre tatsächliche Ausbeute ist 525,0 Gramm. Deshalb ist die prozentuale Ausbeute

.

525 ' O g

Ausbeute (m%)

x 100 = 75, 05 %

= 699, 5 g

Eine prozentuale Ausbeute von etwa 75 Prozent ist gar nicht so schlecht, aber Chemiker und
chemische Ingenieure hätten lieber 90+ Prozent. Eine Pflanze, die die Haber-Reaktion verwendet, hat eine prozentuale Ausbeute von mehr als 99 Prozent. Was für ein Wirkungsgrad!

Zu rlief oder zu uJeni9: Limitierende Reaktanden

Ich koche gerne und ich habe fast immer Hunger. Also möchte ich jetzt darüber schreiben,
einige Schinkensandwichs zu machen. Weil ich Chemiker bin, kann ich eine Gleichung zu
einem Schinkensandwichmittagessen hinschreiben:

2 Stücke Brot +1 Scheibe Schinken +1 Scheibe Käse � 1 Schinkensandwich

Nehmen wir an, ich überprüfe meine Einkäufe und meinen Vorrat, und ich habe zwölf Stücke

Brot, fünf Scheiben Schinken und zehn Scheiben Käse. Wie viele Sandwichs kann ich machen?

Natürlich fünf. Ich habe genug Brot für sechs Sandwichs, genug Schinken für fünf und genug

Käse für zehn. Aber ich weiß, dass mir der Schinken zuerst ausgeht - Brot und Käse werden
übrig bleiben. Die Zutat, die als erste ausgeht, begrenzt die Menge an Produkt (Sandwichs),
die ich erzeugen kann. Sie ist der limitierende Reaktand.

Das Gleiche gilt für chemische Reaktionen. Normalerweise geht einer der Reaktanden aus
und andere bleiben entsprechend übrig. (Bei einigen der überall in diesem Kapitel verteilten

Probleme zeige ich Ihnen, welcher Reaktand der limitierende ist, indem man herausfindet,
welcher Reaktand überschüssig ist.)

In diesem Abschnitt zeige ich Ihnen, wie man den limitierenden oder auch Engpassreaktanden
bestimmt.

--=- 1 85 -

---· Chemie für Dummies

Hier ist eine Reaktion zwischen Ammoniak und Sauerstoff:

4 NH3(g) + 5 02(g) ---7 4 NO(g) + 6 H20(l)

Nehmen wir an, Sie beginnen mit 1 00,0 Gramm Ammoniak und Sauerstoff, und Sie wollen
wissen, wie viel Gramm NO (manchmal auch Stickoxid oder Stickstoffmonooxid genannt) Sie
produzieren können. Sie müssen den einschränkenden Reaktanden bestimmen und dann Ihre
stöchiometrischen Berechnungen darauf aufbauen.

Um zu verstehen, welcher Reaktand der einschränkende ist, können Sie das Mol-zu-Koeffizient

Verhältnis berechnen: Sie berechnen die Anzahl der Mole von Ammoniak und Sauerstoff und
dann teilen Sie jede durch ihren Koeffizienten in der ausbalancierten chemischen Gleichung.

Derjenige mit dem kleinsten Mol/Koeffizient-Verhältnis ist der limitierende Reaktand. Für die

Reaktion des Ammoniaks zu Stickoxid können Sie das Mol/Koeffizient-Verhältnis für Ammoniak und Sauerstoff wie fohgt berechnen: 100, 0 'g � x 1 mol NH3 = 5, 87 mol = 1 47

1

17, 03 'g

4

'

100, 0 g Nl:ia x 1 mol 02 = 3, 13 mol = 0 625

1

32, 00 g

5

'

Ammoniak hat ein Mol/Koeffizient-Verhältnis von 1,47 und Sauerstoff hat ein entsprechendes

Verhältnis von 0,625. Weil Sauerstoff das niedrigere Verhältnis hat, ist Sauerstoff der einschränkende Reaktand und man muss seine Berechnungen darauf aufbauen.

100, 0

1 mal � 4 mal NQ 30, 0

X

X

1 g NO = 75 02

, g

1

32, 00 � 5 mal �

1 mal NQ

Diese 75,02 Gramm sind die theoretische Ausbeute. Aber Sie können sogar die Menge des übrig
bleibenden Ammoniaks berechnen. Das geschieht mit folgender Gleichung:

1 mal 02 4 mal NH3 17, 03 g NH3

X

X

42

= , 58 NH
g

3

1

32, 00 g

5 mal 02
mal NH3

Wir begannen mit 100,0 Gramm Ammoniak und Sie verbrauchten davon 42,58 Gramm. Die

Differenz (100 Gramm - 42,58 Gramm = 57,42 Gramm) ist die Menge Ammoniak, die übrig
bleibt.

- 186 L-..:==:::1

Mischen f/on Materie: Lösun9en
ln diesem Kapitel

Etwas über gelöste Stoffe, Lösungsmittel und Lösungen lernen

Mit den verschiedenen Lösungskonzentrationen arbeiten

Die besonderen Eigenschaften von Lösungen anschauen

Kolloide bearbeiten

I m täglichen
sung. Das Leben

Sp
stoßen
ortgetränk wir
zum ständig auf

Ausgleich Lösungen.

unserer ElekDie Luft,
trolyte die
ist wir
eine atmen,

Lösung. ist eine

Sowohl Lödas
alkoholfreie als auch das harte Getränk - beide sind Lösungen. Ihr Wasser aus Ihrer Wasserleitung - auch das ist wahrscheinlich eine Lösung. In diesem Kapitel zeige ich Ihnen einige der wichtigsten Eigenschaften von Lösungen. Ich stelle Ihnen die verschiedenen Möglichkeiten
vor, wie Chemiker die Konzentration einer Lösung darstellen, und ich gehe auf die kolligativen

Eigenschaften von Lösungen ein und darauf, was es mit der Herstellung von Eis und mit

Frostschutzmitteln zu tun hat. Lehnen Sie sich also zurück, schlürfen Sie die Lösung Ihrer

Wahl und lesen Sie, was es über Lösungen alles zu sagen gibt.

Gelöster Stof& LösuniJsmittel und LösuniJen

Eine Lösung ist eine homogene Mischung, das heißt, diese Mischung ist überall in der Lösung
gleich. Wenn man zum Beispiel Zucker in Wasser löst und gut durchmischt, dann ist diese

Mischung überall gleich, ganz gleich, wo Sie mit Ihrem Löffel etwas entnehmen.

Eine Lösung setzt sich aus einem Lösungsmittel und einem oder mehreren gelösten Stoffen
zusammen. Ein gelöster Stoff ist die Substanz, die in der geringeren Menge beteiligt ist. Diese

Definitionen funktionieren meistens, aber es gibt einige Fälle äußerst gut löslicher Salze wie

Lithiumchlorid, bei denen mehr als fünf Gramm Salz in fünf Millilitern Wasser gelöst werden
können. Wasser wird hierbei jedoch immer noch als Lösungsmittel betrachtet, weil es die Komponente ist, die ihren Zustand nicht geändert hat. Außerdem kann es mehr als einen gelösten Stoff in einer Lösung geben. Sie können Salz in Wasser lösen, um eine Salzlösung zu erzeugen,
dann können Sie zusätzlich etwas Zucker in derselben Lösung auflösen. Sie haben dann zwei
gelöste Stoffe, Salz und Zucker, aber Sie trinken doch nur ein Lösungsmittel - Wasser.

Wenn ich über Lösungen rede, denken die meisten Leute an Flüssigkeiten. Aber es kann auch

Lösungen von Gasen geben. Unsere Atmosphäre ist zum Beispiel eine Lösung. Weil Luft fast

79 Prozent Stickstoff ist, wird dieser als das Lösungsmittel betrachtet, und der Sauerstoff, das

Kohlenstoffdioxid und die anderen Gase werden als gelöste Stoffe betrachtet. Es gibt auch feste

Lösungen. Legierungen sind zum Beispiel Lösungen eines Metalls in einem anderen. Messing
ist eine Lösung von Zink in Kupfer.

---• 187 -

---· Chemie für Dummies

Eine LösuntJsdiskussion

Warum lösen sich einige Dinge in einem Lösungsmittel und andere nicht? Zum Beispiel vermischen sich Öl und Wasser nicht, aber Öl löst sich sehr gut in Benzin. Es gibt eine allgemeine Regel zur Löslichkeit. Sie lautet: Gleiches löst Gleiches in dem Sinn, dass Lösungsmittel und
gelöster Stoff die gleiche Polarität besitzen.

Wasser ist zum Beispiel ein polares Material; es besteht aus kovalenten Bindungen mit einem
positiven und negativen Pol an den »Enden« des Moleküls. (Für eine umfassende Diskussion
des Wassers und seiner kovalenten Bindungen siehe Kapitel 7.) Wasser löst polare Stoffe wie

Salze und Alkohole. Öl besteht jedoch im Wesentlichen aus nicht polaren Verbindungen. Deshalb wirkt Wasser nicht als ein geeignetes Lösungsmittel für Öl.

Ich bin sicher, dass Sie aus Ihren eigenen Erfahrungen wissen, dass es eine Grenze gibt, bis
zu der ein Stoff in einer gegebenen Menge an Lösungsmittel gelöst werden kann. Die meisten
von uns haben schon gesündigt, indem sie viel zu viel Zucker in einen Eistee gaben. Ganz
gleich wie viel Sie nun rühren, es bleibt etwas ungelöster Zucker unten im Glas. Der Grund
ist, dass der Zucker seine maximale Löslichkeit in Wasser bei dieser bestimmten Temperatur
erreicht hat. Löslichkeit ist die maximale Menge Stoff, die sich in einer gegebenen Menge an

Lösungsmittel bei einer gegebenen Temperatur lösen kann. Löslichkeit hat normalerweise die

Einheit Gramm gelöster Stoff pro 100 Milliliter Lösungsmittel (g/100 ml.)

Wenn Sie den Eistee erhitzen, löst sich der Zucker am Boden bereitwillig auf. Die Löslichkeit
ist mit der Temperatur des Lösungsmittels verknüpft. Für Festkörper, die sich in Flüssigkeiten
auflösen, nimmt die Löslichkeit normalerweise mit der wachsenden Temperatur zu. Bei Gasen,
die sich in Flüssigkeiten auflösen, wie Sauerstoff, der sich in Seewasser auflöst, wird die Löslichkeit jedoch geringer, wenn die Temperatur steigt. Dies ist die Ursache für die thermische Verschmutzung: Das Hinzufügen von Wärme vermindert die Löslichkeit von Sauerstoff und
beeinflusst Leben im Wasser.

Satte Fakten

Eine gesättigte Lösung enthält ein Maximum an gelöstem Stoff bei einer gegebenen Temperatur. Ist weniger gelöster Stoff vorhanden, nennt man das eine ungesättigte Lösung. Unter ungewöhnlichen Umständen kann manchmal das Lösungsmittel mehr als die Maximalmenge
gelösten Stoffs lösen und übersättigt werden. Diese übersättigte Lösung ist jedoch instabil,
und der gelöste Stoff bildet früher oder später einen Niederschlag (einen Festkörper), bis der
normale Sättigungspunkt erreicht ist.

Wenn eine Lösung ungesättigt ist, dann kann die Menge gelösten Stoffs über einen weiten

Bereich variieren. Einige ziemlich nebulöse Ausdrücke beschreiben die relativen Mengen des
gelösten Stoffes und des Lösungsmittels:

V Sie können sagen, die Lösung ist verdünnt. Das heißt, es ist sehr wenig gelöster Stoff in
einer gegebenen Menge an Lösungsmittel. Wenn Sie 0,01 Gramm Natriumchlorid in einem

Liter Wasser auflösen, haben Sie eine verdünnte Lösung. Ich bat einmal einige Studenten
darum, mir ein Beispiel für eine verdünnte Lösung zu geben. Eine Studentin antwortete

188 c...======:�

1 1 � Mischen r/on Materie: Lösun9en ----

»1-Dollar-Margarita«. Sie hatte Recht - viel Lösungsmittel (Wasser) und wenig gelöster

Stoff (Tequila) sind eine verdünnte Lösung.

V Eine Lösung kann auch konzentriert sein. Eine große Menge gelösten Stoffs in einer gegebenen Menge Lösungsmittel bedeutet eine konzentrierte Lösung. Wenn Sie zum Beispiel 200 Gramm Natriumchlorid in einem Liter Wasser lösen, ist die Lösung konzentriert.

Nehmen wir nun an, Sie lösen 25 Gramm oder 50 Gramm des Natriumchlorids in einem Liter

Wasser auf? Ist die Lösung verdünnt oder konzentriert? Diese Begriffe bewähren sich in den
meisten Fällen nicht so gut. Man denke nur an eine intravenöse Lösung - diese muss sehr
genau definiert sein, sonst ist der Patient in Gefahr. Wir benötigen also einen quantitativen

Maßstab, um die relative Menge gelösten Stoffs in einer Lösung zu beschreiben. Solch einen

Maßstab gibt es - die Einheit der Lösungskonzentration.

Konzentration

Es gibt einige Maßstäbe für die Lösungskonzentration zur quantitativen Beschreibung der
relativen Menge gelösten Stoffs im Lösungsmittel. Im Alltag wird gerne der Prozentsatz verwendet. In der Chemie ist die Molarität (die Zahl der Mole gelösten Stoffes pro Liter Lösung) die Konzentrationseinheit der Wahl. Unter gewissen Bedingungen jedoch wird eine andere

Einheit, die Molalität (Mole gelösten Stoffs pro Kilogramm Lösungsmittel), verwendet. Ich
verwende auch ppm (= Parts per Million) oder Parts per Billion (Teilchen pro Milliarde), wenn
es zum Beispiel um Umweltverschmutzung geht. Die folgenden Abschnitte behandeln einige
dieser Konzentrationseinheiten.

Prozentuale ZusammensetzuntJ

Die meisten von uns haben schon einmal auf einer Essigflasche »5%ige Essigsäure« gelesen
oder eine Flasche Wasserstoffperoxid mit »3%igem Wasserstoffperoxid« gesehen oder auf einer

Flasche Bleichmittel die Aufschrift »5%iges Natriumhypochlorit«. Diese Prozentsätze drükken die Konzentration eines bestimmten gelösten Stoffs in diesen Lösungen aus. Prozentsatz ist der Betrag pro einhundert. Je nach der Art, wie Sie den Prozentsatz ausdrücken wollen,
variieren die Einheiten des Betrags pro einhundert. Drei verschiedene Prozentsätze werden
üblicherweise verwendet:

V Gewicht/Gewicht( G/G)-Prozentsatz

V GewichtNolumen(GN)-Prozentsatz

V VolumenNolumen(VN)-Prozentsatz

Zwar wird der Prozentsatz des gelösten Stoffs oft angezeigt, die Methode (GIG, GN, VN) jedoch
nicht. In diesem Fall nehme ich meistens an, dass die Methode Gewicht/Gewicht gemeint ist.

Die meisten Lösungen, über die ich in den folgenden Beispielen über Prozentsätze schreibe,
sind wässrige Lösungen, d.h. Lösungen, in denen Wasser das Lösungsmittel ist.

---• 189 -

---• Chemie für Dummies

Gewicht/Gewicht-Prozentsatz

Im Gewicht/Gewicht-Prozentsatz oder Gewichtsprozentsatz wird das Gewicht des gelösten

Stoffs durch das Gewicht der Lösung geteilt und dann mit 100 multipliziert, um den Prozentsatz zu erhalten. Normalerweise ist die Gewichtseinheit Gramm. Mathematisch sieht das wie folgt aus:

Gramm Lösungsmittel

GIG% =
x 1 00

Gramm Lösung

Wenn Sie zum Beispiel 5,0 Gramm Natriumchlorid in 50 Gramm Wasser auflösen, ist der

Gewichtsprozentansatz

GIG% = 5 g gelöster Stoff x 100 = 10%

50 g Lösung

Deshalb ist die Lösung eine 10-prozentige (GIG-)Lösung.

Nehmen wir nun an, Sie wollen 350,0 Gramm einer 5-prozentigen (GIG-) Saccharose- oder

Tafelzucker- Lösung herstellen. Sie wissen, dass 5 Prozent des Gewichts der Lösung Zucker
ist, sodass Sie die 350,0 Gramm mit 0,05 multiplizieren können, um das Gewicht des Zuckers
zu bekommen:

350,0 Gramm x 0,05 = 17,5 Gramm Zucker

Der Rest der Lösung (350,0 Gramm - 17,5 Gramm = 332,5 Gramm) ist Wasser. Sie können
einfach 17,5 Gramm Zucker abwiegen und 332,5 Gramm Wasser hinzufügen, und schon haben

Sie Ihre 5-prozentige (GIG-) Lösung.

Der Gewichtsprozentsatz ist die einfachste Prozentsatzlösung. Manchmal möchten Sie aber
das Volumen der Lösung wissen. In diesem Fall können Sie den Gewichts-Nolumenprozentsatz anwenden.

Gewichts-!Volumenprozentsatz

Der Gewichts-Nolumenprozentsatz ist dem GIG-Ansatz sehr ähnlich, aber anstelle Gramm

Lösung steht hier Milliliter im Nenner:

GN% = Gramm Lösungsmittel x 100

Milliliter Lösung

Nehmen wir an, Sie wollen 100 Milliliter einer 15-prozentigen (GN-) Kaliumnitratlösung
herstellen. Weil Sie 100 Milliliter herstellen, wissen Sie schon, dass Sie 15 Gramm Kaliumnitrat (auch Salpeter - KN03 - genannt) abzuwiegen haben. Nun kommt aber etwas anderes: Sie lösen 15 Gramm KN03 in einem bisschen Wasser auf und verdünnen es dann zu genau

100 Millilitern in einem Messbehälter. Mit anderen Worten, Sie lösen 15 Gramm KN03 auf und
verdünnen es zu 100 Millilitern. Sie wissen nicht genau, wie viel Wasser Sie einfügen, aber es
ist nicht wichtig, solange das Ziel-Volumen 100 Milliliter ist.

- 1 9o ----

1 1 � Mischen rlon Materie: lösun9en ---•

Sie können auch den Prozentsatz und das Volumen verwenden, um zu berechnen, wie viel
gelöster Stoff in der Lösung ist. Es kann sein, dass Sie wissen wollen, wie viel Gramm Natriumhypochlorit in 500 Millilitern einer 5-prozentigen (GN-) Lösung des Haushaltsbleichmittels ist. Das Problem löst man folgendermaßen:

5 g NaOCl x 500 ml Lösung = 25 g NaOCl

100m! Lösung

1

Sie wissen jetzt, dass Sie 25 Gramm Natriumhypochlorit in 500 ml Lösung haben.

Manchmal sind gelöster Stoff und Lösungsmittel Flüssigkeiten. In diesem Fall ist es komfortabel, einen Volumen-Nolumenprozentsatz zu verwenden.

f!olumen*lf!olumenprozentsatz

Bei Volumen-Nolumenprozentsätzen werden beide, gelöster Stoff und Lösung, in Millilitern
ausgedrückt:

ml gelöster Stoff

VN%=
x 100
ml Lösung

Ethylalkohol- (Trinkalkohol-) Lösungen werden weithin mit Hilfe von Volumen-Nolumenprozentsätzen dargestellt. Wenn Sie 100 Milliliter einer 50-prozentigen Ethylalkohollösung machen wollen, nehmen Sie 50 Milliliter Ethylalkohol und verdünnen ihn zu 100 Millilitern
mit Wasser. Das ist praktisch wieder die Variante, aufzulösen und zum erforderlichen Volumen
zu verdünnen. Sie können nicht einfach 50 Milliliter Wasser 50 Millilitern Alkohol hinzufügen - Sie erhielten weniger als 100 Milliliter Lösung. Die polaren Wassermoleküle ziehen die polaren Alkoholmoleküle an. Dabei wird das offene Gerüst der Wassermoleküle aufgefüllt,
so dass die beiden Volumina nicht einfach addiert werden können.

Die Nummer 1 heißt Mofarität

Molarität ist die am häufigsten von Chemikern verwendete Konzentrationseinheit, weil sie
auf dem Mol basiert. Das Mol-Konzept ist wesentlich für Chemie, und Molarität erlaubt den

Chemikern, auf leichte Weise Lösungen in der Reaktionsstöchiometrie zu bearbeiten. (Wenn

Sie mich in diesem Augenblick verfluchen, weil Sie keine Ahnung davon haben, was Fleisch
fressende Saurier mit Chemie zu tun haben oder was Stöchiometrie ist, schauen Sie kurz in

Kapitel lO nach. Wenn Sie das Ihrer Mutter erzählen, wird sie Ihnen wahrscheinlich empfehlen,
nicht mit vollem Mund zu sprechen.)

Molarität (M) ist definiert als die Anzahl der Mole gelösten Stoffs pro Liter Lösung. Mathematisch sieht das so aus: M = Mol gelöster Stoff

Liter Lösung

---• 1 9 1 --

---• Chemie für Dummies

Sie können zum Beispiel ein Mol von KCl nehmen (Formelgewicht 7 4,55 g/mol - mehr dazu in

Kapitel 10) und die 74,55 Gramm bis auf einen Liter Lösung in einer Messflasche verdünnen.

Sie haben dann eine 1-molare KCl-Lösung. Sie können diese Lösung als 1 M KCl kennzeichnen. Aber bitte nicht einen Liter Wasser zu den 74,55 Gramm KCl hinzufügen. Sie wollen ein Gesamtvolumen von einen Liter erreichen. Wenn Sie molare Lösungen vorbereiten, lösen Sie
immer an und verdünnen dann zum erforderlichen Volumen. Dieser Prozess wird in Abbildung 1 1. 1 gezeigt.

74,55g KCI
in etwas Wasser
anlösen

________..

Glaskolben

Abbildung 11.1: Erzeugung einer I-molaren KCL-Lösung

Hier ist noch ein Beispiel: Wenn man 25,0 Gramm KCl löst und zu 350,0 ml Lösung verdünnt,
wie berechnet man dann die Molarität der Lösung? Sie wissen, dass Molarität Mole gelösten

Stoffs pro Liter Lösung bedeutet. Also nehmen Sie die Gramm, wandeln sie in Mole entsprechend dem Formelgewicht von KCl (74,55 g/mol) um und teilen sie durch 0,350 Liter (350,0
ml). Die Gleichung lautet dann:

25, 0 g KCl x 1 mal KCl x

= 0 958 M

1

74, 55 g

0, 35 1

'

Nehmen Sie nun an, Sie wollen zwei Liter einer 0,550 molaren KCl-Lösung vorbereiten. Zuerst
rechnen Sie aus, wie viel KCl Sie abwiegen müssen:

0, 550 mal KCl x 74, 55 g KCl x 2,00 1 = 82,0 g KCl

1

1 mal

1

- 1 92 ---·

1 1 >- Mischen f/on Materie: LösunfJen ---•

Sie nehmen dann diese 82,0 Gramm KCl, lösen diese Menge und verdünnen die Lösung bis zu
zwei Liter Gesamtlösung.

Es gibt noch eine Möglichkeit, Lösungen vorzubereiten - die Verdünnung einer konzentrierten

Lösung zu ein weniger konzentrierten. Sie können zum Beispiel Salzsäure vom Hersteller als
eine 12,0-molare konzentrierte Lösung kaufen. Nehmen wir an, Sie wollen 500 ml 2-molare

Lösung vorbereiten. Sie können etwas von der 12,0-molaren Lösung nehmen und zu 2-molarer

Lösung verdünnen, aber wie viel von der hochkonzentrierten Salzsäurelösung brauchen Sie
dazu? Sie können das Volumen (V) leicht bestimmen. Dazu verwenden Sie folgende Formel:

In obiger Gleichung ist Valt das alte Volumen oder das Volumen der Originallösung, Malt die

Molarität der Originallösung, Vneu das Volumen der neuen Lösung, und Mneu ist die Molarität
der neuen Lösung. Nach dem Einsetzen der Werte haben Sie
valtx 12,0 M = 500,0 ml X 2,0 M
valt = (500,0 ml X 2,0 M)/12,0 M = 83,3 ml

Sie nehmen dann 83,3 Milliliter von der 12,0-M-HCl-Lösung und verdünnen sie auf genau

500,0 ml.

')� Wenn Sie eine Verdünnung von konzentrierten Säuren machen, achten Sie darauf,
dem Wasser die Säure und nicht umgekehrt zuzugeben! Wenn das Wasser der
konzentrierten Säure hinzugefügt wird, dann wird dabei so viel Wärme erzeugt,
dass die Lösung sehr wahrscheinlich alle voll spritzt.

Um sicherzugehen, sollten Sie etwa 400 Milliliter Wasser nehmen, langsam die 83,3 Milliliter
der konzentrierten HCl hinzufügen, etwas rühren, und dann zum Abschluss mit Wasser auf

500 ml auffüllen.

Die Nützlichkeit der Konzentrationseinheit Molarität wird offensichtlich, wenn man sich mit

Reaktionsstöchiometrie befasst. Nehmen Sie zum Beispiel an, Sie wollen wissen, wie viele

Milliliter 2,50 M Schwefelsäure nötig sind, um eine Lösung mit 100,0 Gramm Natriumhydroxid zu neutralisieren. Hierzu müssen Sie zunächst für die Reaktion die Reaktionsgleichnung aufstellen:

H2S04(aq) + 2 NaOH(aq) � 2 H20(1) + Na2S04(aq)

Sie wissen, dass Sie 100,0 Gramm NaOH neutralisieren müssen. Sie können das Gewicht in

Mol (mit Hilfe des Formelgewichts von NaOH, also 40,00 g/mol) umwandeln und dann von Mol
von NaOH zu Mol von H2S04 konvertieren. Dann können Sie die Molarität der sauren Lösung
verwenden, um das Volumen zu bestimmen:

100, 0 Na OH 1 mal Na OH 1 mal H2S04

1

1000 ml

X

X

X

X

= 500 O

,

I
m

1

40, 00 g

2 mal Na OH 2, 50 mal H2S04

1 1

Man benötigt 500,0 ml der 2,50-molaren H2S04-Lösung, um die Lösung, die 100,0 g NaOH
enthält, zu neutralisieren.

---• 1 93 -

---• Chemie für Dummies

Molalität: Eine andere f/erulenduntJ für das Mol

Molalität ist ein anderer Konzentrationsausdruck, der sich auf das Mol des gelösten Stoffs
bezieht. Er wird nicht so häufig verwendet, nur, falls Sie zufällig einmal darauf stoßen.

·

Molalität (b) ist als die Anzahl der Mole gelösten Stoffs pro Kilogramm Lösungsmittel definiert.

Sie ist eine der wenigen Konzentrationseinheiten, die nicht Gewicht oder Volumen der Lösung
verwendet. Mathematisch sieht das so aus:

b = mol gelöster Stoff
kg

Nehmen wir an, Sie wollen zum Beispiel 15,0 Gramm NaCl in 50,0 Gramm Wasser auflösen. Sie
können die Molalität wie folgt berechnen (Sie müssen 50,0 Gramm in Kilogramm umwandeln,
bevor Sie die Gleichung anwenden):

15, 0 g Na Cl

1

1
x
mol
x

= 5, 13 b

1

58, 44 g NaCl 0,05 kg

Teile pro Million: Die f/erschmutzuntJseinheit

Prozentsatz und Molarität und sogar Molalität sind angenehme Maßeinheiten für die Lösungen, die Chemiker routinemäßig im Laboratorium erzeugen, oder die Lösungen, die normalerweise in der Natur gefunden werden. Wenn Sie jedoch damit beginnen, die Konzentration bestimmter Schadstoffe in der Umwelt zu prüfen, stellen Sie fest, dass jene Konzentrationen
sehr, sehr klein sind. Prozentsatz und Molarität funktionieren zwar, wenn Sie Lösungen bestimmen, die in der Umwelt gefunden wurden, aber sie sind dabei nicht sehr komfortabel. Um die Konzentration von stark verdünnten Lösungen zu bestimmen, haben Wissenschaftler eine
andere Konzentrationseinheit entwickelt -ppm (Parts per Million, Teilchen pro Million).

Prozentsatz bedeutet Teile/Hundert oder Gramm gelöster Stoff pro 100 Gramm Lösung; ppm
bedeutet Gramm gelöster Stoff pro eine Million Gramm Lösung. Der Grund hierfür ist der,
dass Chemiker leicht Milligramme oder sogar Zehntel von Milligrammen im Labor abwiegen
können, und wenn sie über wässrige Lösungen reden, ist ein Kilogramm Lösung das Gleiche
wie ein Liter Lösung. (Die Dichte des Wassers ist 1 Gramm pro Milliliter oder pro Liter 1 Kilogramm. Das Gewicht des gelösten Stoffs in diesen Lösungen ist so klein, dass es unbedeutend ist, wenn es aus der Masse der Lösung in Volumen konvertiert.)

Nach dem Gesetz dürfen im Trinkwasser maximal 0,05 ppm Blei enthalten sein. Diese Zahl
entspricht 0,05 Milligramm Blei pro Liter Wasser. Das ist ziemlich verdünnt. Die Grenze für

Quecksilber liegt sogar bei nur 0,002 ppm. Manchmal ist sogar diese Einheit nicht fein genug,
so dass Umweltschützer sogar zu den Konzentrationseinheiten Teilen pro Milliarde (ppb =

Parts per Billion) oder Teilen pro Billionen (ppt = Parts per Trillion) gegriffen haben. Einige

Nervengifte sind bei einer Konzentration im Bereich ppb schon tödlich. Bitte denken Sie dabei
daran, dass »Billion« in den USA für Milliarde steht.

- 1 94 ----

1 1 � Mischen rlon Materie: LösuntJen ---·

Kotli9ati"e EitJ.enschaften "on Lösun9en

Einige Eigenschaften von Lösungen hängen von der speziellen Natur des gelösten Stoffs ab.

Mit anderen Worten hängt eine Wirkung, die Sie der Lösung zuordnen können, von der spezifischen Natur des darin gelösten Stoffs ab. Salzlösungen schmecken zum Beispiel salzig, Zuckerlösungen süß. Salzlösungen führen Elektrizität (sie sind Elektrolyte - siehe Kapitel 6),
während Zuckerlösungen dies nicht tun (sie sind Nicht-Elektrolyte). Lösungen, die das Nickel

Kation enthalten, sind normalerweise grün, während jene, die das Kupfer-Kation enthalten,
blau sind.

Es gibt auch eine Gruppe von Lösungseigenschaften, die sich nicht auf die spezielle Art des
gelösten Stoffs, sondern nur auf die Zahl der Teilchen des gelösten Stoffs verlässt. Diese Eigenschaften werden kolligative Eigenschaften genannt - Eigenschaften, die einfach von der relativen Anzahl der Teilchen gelösten Stoffs abhängen. Die Wirkung, die die Lösung zeigt, hängt also von der Anzahl der Teilchen gelösten Stoffs ab. Diese kolligativen Eigenschaften - diese

Wirkungen - beinhalten

V Dampfdruckerniedrigung

V Siedepunkterhöhung

V Gefrierpunkterniedrigung

V Osmotischer Druck

DampfdruckerniedriiJUniJ

Wenn sich eine Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter befindet, verdunstet die Flüssigkeit schließlich an der Oberfläche, und die gasförmigen Moleküle tragen zum Druck über der Flüssigkeit bei. Der durch die gasförmigen Moleküle der verdunsteten Flüssigkeit verursachte

Druck wird Dampfdruck der Flüssigkeit genannt.

Wenn Sie diese gleiche Flüssigkeit nehmen und sie zum Lösungsmittel einer Lösung machen,
wird der durch die Verdunstung verursachte Dampfdruck niedriger. Der Grund hierfür ist, dass
die Teilchen gelösten Stoffs in der Flüssigkeit Raum an der Oberfläche einnehmen, so dass das

Lösungsmittel nicht so leicht verdunsten kann. Hinzu kommt, dass es zwischen dem gelösten

Stoff und dem Lösungsmittel Anziehungskräfte gibt, die es auch schwieriger machen, dass das

Lösungsmittel verdunstet. Diese Senkung ist unabhängig davon, welcher gelöste Stoff sich in
der Lösung befindet. Stattdessen hängt sie von der Anzahl der Teilchen gelösten Stoffs ab.

Mit anderen Worten, wenn Sie einem Liter Wasser ein Mol Saccharose und einem anderen Liter

Wasser ein Mol Dextrose hinzufügen, wird der Betrag der Dampfdruckerniedrigung der gleiche
sein, weil es sich um dieselbe Anzahl von Teilchen gelösten Stoffs handelt. Wenn Sie jedoch
ein Mol Natriumchlorid hinzufügen, wird der Dampfdruck doppelt so stark erniedrigt wie bei

Saccharose oder Dextrose. Der Grund ist, dass das Natriumchlorid in zwei Ionen auseinander
fällt, so dass ein Mol von Natriumchlorid zwei Mole von Teilchen (Ionen) ergibt.

---• 1 95 -

---• Chemie für Dummies

Diese Senkung des Dampfdrucks erklärt teilweise, warum der große Salzsee eine niedrigere

Verdunstungsrate hat, als man erwarten könnte. Die Salzkonzentration ist so hoch, dass der

Dampfdruck (und damit auch die Verdunstung) erheblich geringer ist.

Warum tierwenden u/ir im Sommer Frostschutzmitte/J

Siedepunkterhöhun9

Jede einzelne Flüssigkeit hat eine spezifische Siedetemperatur (bei gegebenem Druck). Diese

Temperatur ist der Siedepunkt der Flüssigkeit. Wenn Sie eine bestimmte Flüssigkeit als Lösungsmittel in einer Lösung verwenden, stellen Sie fest, dass der Siedepunkt der Lösung immer höher ist als bei der reinen Flüssigkeit. Diesen Effekt nennen wir Siedepunkterhöhung.

Es erklärt, warum Sie Ihr Frostschutzmittel im Sommer nicht durch reines Wasser ersetzen
sollten. Sie wollen ja, dass das Kühlmittel bei einer höheren Temperatur kocht, so dass es auch
so viel Maschinenwärme wie möglich ohne zu kochen absorbiert. Sie verwenden auch einen

Druckverschluss auf Ihrem Kühler, weil mit dem Druck auch der Siedepunkt steigt. Das erklärt
auch, warum eine Prise Salz im Kochwasser bewirkt, dass die Nahrung etwas schneller kocht.

Das Salz erhöht den Siedepunkt, so dass mehr Energie auf die Nahrung übertragen werden
kann, bevor der Siedepunkt erreicht ist.

Sie können den Betrag der Siedepunkterhöhung durch Verwenden folgender Formel berechnen:

t1Tb = Kbm

11Tb ist die Zunahme des Siedepunkts, Kb ist die Siedepunkterhöhungskonstante (0,512°C
kg/mol für Wasser), und m ist die Molalität der Teilchen. (Für molekulare Substanzen ist die

Molalität von Teilchen das Gleiche wie die Molalität der Substanz.) Für Ionenverbindungen
müssen Sie die Bildung von Ionen in Betracht ziehen und die Molalität der Ionenteilchen
berechnen. Andere Lösungsmittel als Wasser haben eine andere Konstante für die Siedepunkterhöhung (Kb).

Wir stetlen Eis her: GefrierpunkterniedrilJUnlJ

Jede einzelne Flüssigkeit hat eine eigene Temperatur, bei der sie gefriert. Wenn Sie eine bestimmte Flüssigkeit als Lösungsmittel in einer Lösung verwenden, stellen Sie fest, dass der Gefrierpunkt der Lösung immer niedriger als der der reinen Flüssigkeit ist. Dies wird Gefrierpunkterniedrigung genannt, eine weitere kolligative Eigenschaft einer Lösung.

Die Erniedrigung des Gefrierpunkts einer Lösung relativ zum reinen Lösungsmittel erklärt,
warum Sie Steinsalz in die Eis-/Wassermischung platzieren, wenn Sie hausgemachtes Eis
herstellen. Das Steinsalz bildet eine Lösung mit einem niedrigeren Gefrierpunkt als Wasser

(oder der Eismischung, die eingefroren werden soll). Die Gefrierpunkterniedrigung erklärt
auch, warum ein Salz (häufig Kalziumchlorid, CaC12) auf Eis gestreut wird, um es zu schmelzen. Das Lösen von Kalziumchlorid ist hoch exotherm (es verbreitet viel Wärme). Wenn sich das Kalziumchlorid auflöst, schmilzt es das Eis. Die Salzlösung, die sich bildet, wenn das Eis

- 1 96 ---

1 1 > Mischen rlon Materie: Lösun9en ---•
schmilzt, hat einen gesenkten Gefrierpunkt, der die Lösung davon abhält, wieder einzufrieren. Gefrierpunkterniedrigung erklärt auch die Verwendung des Frostschutzmittels in Ihrem Auto-Kühlsystem während des Winters. Je mehr Sie verwenden (bis zu einer Konzentration
von 50/50), desto niedriger der Gefrierpunkt.

Wenn Sie interessiert sind, können Sie tatsächlich den Betrag berechnen, um den
der Gefrierpunkt erniedrigt wird:

ßTr = Krm

�Tr ist der Betrag, um den der Gefrierpunkt gesenkt wird, Kr die Gefrierpunkterniedrigungskonstante (1,86° C kg/mol für Wasser) und m ist die Molalität des Teilchens.

Abbildung 1 1 .2 zeigt die Wirkung eines gelösten Stoffs sowohl auf den Gefrierpunkt als auch
auf den Siedepunkt eines Lösungsmittels.

1 00°C

Siede-

Siede-
punkt
p u n kt

A

Wasser

Lösung

G efrier-
punkt

G efrier-
punkt
ooc

Abbildung 11.2: Siedepunkterhöhung und Gefrierpunkterniedrigung bei einer Lösung

---• 1 9 7 -

---• Chemie für Dummies

So bleiben Blutkörperchen lebendiiJ und iJ.esund:

Osmotischer Druck

Nehmen wir an, Sie nehmen einen Behälter und trennen ihn mittels einer dünnen Membran in
zwei Teile, die mikroskopische Poren enthält, die groß genug sind, um Wassermoleküle, nicht
aber Teilchen gelösten Stoffs hindurch zu lassen. Diese Membranart wird eine semipermeable

(halbdurchlässige) Membran genannt; sie lässt zwar einige kleine Teilchen hindurch, nicht
aber größere Teilchen.

Sie fügen dann eine konzentrierte Salzlösung in eine Kammer und eine verdünnte Salzlösung
in die andere Kammer hinzu. Anfangs sind die beiden Lösungsspiegel gleich hoch. Aber nach einer Weile bemerken Sie, dass der Lösungsspiegel auf der konzentrierteren Seite angestiegen ist, während er auf der Verdünnteren Seite gefallen ist. Diese Änderung der Ebenen wird durch den

Übergang von Wassermolekülen durch die semipermeable Membran von der verdünnteren Seite
zur konzentrierteren Seite verursacht. Dieser Prozess des Übergangs eines Lösungsmittels
durch eine semipermeable Membran in eine Lösung mit höherer Konzentration wird Osmose
genannt. Der Druck, den Sie auf der konzentrierteren Seite ausüben müssen, um diesen Prozess zu stoppen, wird osmotischer Druck genannt. Abbildung 1 1 .3 zeigt diesen Prozess.

Semipermeable

Membran

Osmotischer Druck

� Lösungsmittel

I

Konzentrierte

Verdünnte

Salzlösung

Salzlösung

Abbildung 11.3: Osmotischer Druck

Das Lösungsmittel fließt immer durch die semipermeable Membran von der verdünnteren

Seite zur konzentrierteren. In der Tat können Sie reines Wasser auf einer Seite und irgendeine Salzlösung auf der anderen haben, das Wasser geht immer von der reinen Wasserseite zur Salzlösungsseite. Je konzentrierter die Salzlösung, desto höher der Druck, den man braucht,
um die Osmose zu stoppen (desto höher also der osmotische Druck).

Aber was ist, wenn Sie mehr Druck als notwendig ausüben, um den osmotischen Prozess zu
stoppen, wenn der osmotische Druck also überschritten wird? Dann wird Wasser durch die
semipermeable Membran von der konzentrierteren Seite zur verdünnteren Seite gedrückt, was
man umgekehrte Osmose nennt. Umgekehrte Osmose ist eine relativ preisgünstige Art, Wasser

7 7 >- Mischen flon Materie: Lösun9-en ---•
zu reinigen. Mein örtliches Wasserwerk verwendet diesen Prozess, um Trinkwasser zu reinigen.

Es gibt viele Pflanzen, die das Prinzip der umgekehrten Osmose nutzen, um zum Beispiel das

Wasser aus dem Meerwasser zu ziehen. Marinepiloten tragen sogar kleine Geräte bei sich, mit
denen sie nach diesem Prinzip aus Meerwasser Trinkwasser erzeugen können, falls sie mal über
dem offenen Meer aussteigen müssen.

Der Prozess der Osmose ist in biologischen Systemen sehr wichtig. Zellwände wirken oft als
semipermeable Membranen. Haben Sie schon mal »Pickles« gegessen? Diese Piekies bestehen
hauptsächlich aus Gurken, die in einer salzigen Gewürzlösung eingelegt sind. Der Konzentration der Lösung in der Gurke ist geringer als die Konzentration in der Tunke, so dass Wasser durch die Zellwände in die Gewürztunke wandert, wodurch die Gurke schrumpft.

Eine der wichtigsten Konsequenzen des osmotischen Drucks in der Biologie betrifft die Zellen
in unserem eigenen Körper. Schauen Sie sich zum Beispiel die roten Blutkörperchen an. Es
gibt eine wässrige Lösung in der Blutzelle und eine andere wässrige Lösung außerhalb der Zelle

(interzellulare Flüssigkeit). Wenn die Lösung außerhalb der Zelle denselben osmotischen Druck
wie die Lösung in der Zelle hat, ist sie isotonisch. Wasser kann in beiden Richtungen getauscht
werden und hilft, die Zelle gesund zu erhalten. Wenn jedoch die interzellulare Flüssigkeit
konzentrierter wird und einen höheren osmotischen Druck besitzt (hypertonisch wird), strömt

Wasser in erster Linie aus der Blutzelle heraus, so dass diese schrumpft und unregelmäßig
wird. Dieser Prozess wird Krenation genannt. Der Prozess kann auftreten, wenn die betroffene

Person wesentliche Mengen Wasser verliert und die krenatierten Zellen den Sauerstofftransport nicht mehr unterstützen. Wenn andererseits die interzellulare Flüssigkeit dünner als die Lösung in den Zellen ist und einen niedrigeren osmotischen Druck hat (hypotonisch ist), fließt
das Wasser hauptsächlich in die Zelle. Dieser Prozess, genannt Hämolyse, bewirkt, dass die Zelle
anschwillt und schließlich platzt. Abbildung 1 1.4 zeigt Krenation und Hämolyse.

(a) Isotonisch

(b) Hypertonisch

( c ) Hypotonisch

Abbildung 11.4: Krenation und Hämolyse roter Blutkörperchen

Die Prozesse der Krenation und Hämolyse erklären, warum die Konzentration von Infusionslösungen so ungeheuer wichtig ist. Wenn sie zu dünn sind, dann kann Hämolyse stattfinden, und wenn sie zu konzentriert sind, besteht die Gefahr der Krenation.

===-' 199 -

---• Chemie für Dummies

Rauch, Wolken, SchfatJsahne und Marshmatfouls:

Altes Kotfoide

Wenn Sie Tafelsalz in Wasser auflösen, erzeugen Sie eine wässrige Lösung. Die Teilchengrö
ße des gelösten Stoffs ist sehr klein - etwa 1 Nanometer (nm), also 1 x 1 0-9m. Dieser gelöste

Stoff lagert sich nicht auf dem Boden eines Glases ab, und er kann auch nicht aus der Lösung
herausgefiltert werden.

Wenn Sie jedoch zu einem Gewässer in Ihrer Nähe gehen und ein Glas dieses Wassers entnehmen, werden Sie feststellen, dass da einiges darin herumschwimmt. Viele der Teilchen sind größer als 1.000 nm. Sie lagern sich am Boden des Glases ab und können schnell herausgefiltert
werden. In diesem Fall haben Sie eine Suspension und keine Lösung. Ob Sie das eine oder
andere haben, hängt von der Größe der Teilchen ab.

Aber es gibt auch etwas im Mittelbereich zwischen Lösungen und Suspensionen. Wenn die

Teilchengröße des gelösten Stoffs 1 bis 1.000 Nanometer ist, haben Sie ein Kolloid. Gelöster

Stoff in Kolloiden lagert sich nicht ab, wie es in Suspensionen zu beobachten ist. In der Tat ist es
aber manchmal schwierig, Kolloide von echten Lösungen zu unterscheiden. Eine der wenigen

Möglichkeiten, zwischen ihnen zu unterscheiden, ist, die verdächtigte Flüssigkeit mit Licht zu
durchleuchten. Wenn es eine echte Lösung mit sehr kleinen Teilchen gelösten Stoffs ist, sieht
man keinen Lichtstrahl. Wenn Sie jedoch ein Kolloid vorliegen haben, sehen Sie einen Lichtstrahl, der dadurch entsteht, dass das Licht von den relativ großen Teilchen reflektiert wird.

Dies wird der Tyndall-Effekt genannt. Abbildung 1 1.5 zeigt eine entsprechende Anordnung.

__

___

Licht

Kolloid

Lösung

Abbildung 11.5: Der Tyndall-Effekt

Es gibt viele Arten von Kolloiden. Haben Sie jemals ein Marshmallow gegessen? Es ist das

Kolloid eines Gases in einem Festkörper. Schlagsahne ist ein Kolloid eines Gases in einer Flüssigkeit. Sind Sie schon einmal durch den Nebel gefahren und haben Ihre Scheinwerferbündel gesehen? Damit haben Sie den Tyndall-Effekt eines Kolloids von Flüssigkeit in einem Gas
gesehen. Rauch ist ein Kolloid von Festkörpern (Asche oder Ruß) in einem Gas (Luft) . Luftverschmutzungsprobleme werden oft durch die Stabilität dieser Art von Kolloid verursacht.

- 2oo ----

Sauer und bitter:

Säuren und Basen
ln diesem Kapitel

Die Eigenschaften von Säuren und Basen entdecken

Zwei Säure-Base-Theorien kennen lernen

Zwischen starken und schwachen Säuren und Basen
unterscheiden

Sich mit Indikatoren vertraut machen

Ein Auge auf die pH-Skala werfen

Puffer und Säureneutralisatoren unter die Lupe nehmen

Sie müssen
und Sie sich nur
werden alle einmal in
nthalben einer
auf
beliebigen

Säuren und Küche

Basen oder einem
stoßen.

Badezimmer

Machen Sie den
umsehen

Kühlschrank
auf und Sie finden Kohlenstoffsäurehaltige Getränke. In Ihren Vorräten finden sich sicher Essig
und Backpulver: eine Säure und eine Base. Im Unterschrank Ihrer Spüle steht sicher das eine
oder andere Reinigungsmittel, die meist auf Basen basieren. Und schließlich gibt es kaum ein

Medizinschränkchen ohne Aspirin, eine Säure, oder eines der zahlreichen Magensäure neutralisierenden Mittel. Tagtäglich haben wir mit Säuren und Basen zu tun. Nicht anders ergeht es den Chemikern in der Industrie. In diesem Kapitel stelle ich Ihnen Säuren und Basen vor,
bringe Ihnen Indikatoren und den pH-Wert näher und gehe auf einige unverzichtbare Grundlagen der Chemie ein.

EitJenschaften flon Säuren und Basen,
makroskopisch betrachtet

Werfen wir einmal einen Blick auf die sichtbaren Eigenschaften von Säuren und Basen, die wir
in unserer Umgebung vorfinden.

Säuren:

V Schmecken sauer (immer dran denken: Im Labor wird der Geschmack getestet, nicht
gekostet!)

v Rufen schmerzhafte Hautirritationen hervor

V Entwickeln bei der Reaktion mit bestimmten Metallen (zum Beispiel Magnesium, Zink und

Eisen) Wasserstoff

---• 20 1 -

===..., Chemie für Dummies

V Entwickeln bei der Reaktion mit Kalk und Natriumbicarbonat Kohlenstoffsäure

V Färben Lackmuspapier rot

V Bilden bei der Reaktion mit Basen ein Salz und Wasser

Basen

V Schmecken bitter (auch hier gilt: testen, nicht kosten)

V Fühlen sich auf der Haut glitschig an

V Reagieren mit Ölen und Fetten

V Färben Lackmuspapier blau

V Bilden bei der Reaktion mit Säuren ein Salz und Wasser

In unserer alltäglichen Umgebung stoßen wir auf nicht wenige Säuren und Basen. Die Tabellen 12.1 und 12.2 Iisten einige Säuren und Basen auf, die Ihnen auch vertraut sein werden.

Chemische Bezeichnung

Formel

Alltagsbezeichnung oder Verwendung

Salzsäure

HCl

Salzsäure

Essigsäure

CH3COOH

Essig

Schwefelsäure

H2S04

Autobatteriesäure

Kohlenstoffsäure

H2C03

Mineralwasser

Borsäure

H3B03
antiseptische Augentropfen

Acetylsalicylsäure

C9H80 4

Aspirin

Tabelle 12.1: Im Haushalt gebräuchliche Säuren

Chemische Bezeichnung

Formel

Alltagsbezeichnung oder Verwendung

Ammoniak

NH3

Salmiakgeist

Natriumhydroxid

NaOH

Natronlauge

Natriumbicarbonat

NaHC03

Natron

Magnesiumhydroxid

Mg(OH)2

Säurebindende Medikamente

Kalziumcarbonat

CaC03

Säurebindende Medikamente

Aluminiumhydroxid

Al(OH)3

Säurebindende Medikamente

Tabelle 12.2: Im Haushalt gebräuchliche Basen

Wie sehen Säuren und Basen ausJ

Ein Blick durchs Mikroskop

Wenn Sie sich die Tabellen 12.1 und 12.2 näher ansehen, werden Sie feststellen, dass alle

Säuren Wasserstoff enthalten, während sich in den meisten Basen das Hydroxid-Ion (OH-)

202 -=-===

----------- 1 2 � Sauer und bitter: Säuren und Basen ---
findet. Auf diese Tatsache gründen zwei wichtige Theorien ihre Beschreibungen von Säuren
und Basen und ihren Reaktionen:

V Die Theorie von Arrhenius

V Die Theorie von Brönsted-Lowry

Die Theorie flon Arrhenius: Ohne Wasser tJeht tJar nichts

Die erste Theorie zur Natur der Säuren und Basen entwickelte Arrhenius im Jahre 1883. Gemäß
dieser Theorie ist eine Säure eine Substanz, die in Wasser gelöst H+-Ionen (Wasserstoff-Ionen)

abgibt, während Basen solche Substanzen sind, die in Wasser gelöst OH--Ionen abgeben. HCI(g)

gilt also als eine typische Säure nach Arrhenius, weil dieses Gas bei der Lösung in Wasser
ionisiert (Ionen bildet) und das H+-Ion abgibt. (Die fesselnden Details über Ionen finden Sie
in Kapitel 6.)

HCI(aq) -7 H+ + CI-

Nach der Theorie von Arrhenius ist Natriumhydroxid eine Base, weil es bei der Lösung in

Wasser das Hydroxid-Ion abgibt:

NaOH(aq) -7 Na+ + OH-

Arrhenius klassifizierte darüber hinaus die Reaktion einer Säure mit einer Base als Neutralisationsreaktion. Denn wenn man eine saure Lösung mit einer basischen Lösung mischt, entsteht eine neutrale Lösung, die aus Wasser und einem Salz besteht.

HCI(aq) + NaOH(aq) -7 Hp(l) + NaCI(aq)

Sehen wir uns einmal die Ionen-Gleichung dieser Reaktion an (die Gleichung, in der die Reaktion und die Produktion der Ionen sichtbar wird), um festzustellen, wie das Wasser entsteht: H+ + CI- + Na+ + OH- -7 H20(1) + Na+ + CI-Es wird deutlich, dass sich das Wasser durch die Kombination der Wasserstoff- und der Hydroxid-Ionen bildet. Tatsächlich ist die Netto-Ionen-Gleichung (die Gleichung, die nur die chemischen Substanzen zeigt, die während der Reaktion eine Veränderung erfahren) für alle

Säure-Base-Reaktionen nach Arrhenius die gleiche:

H+ + OH- -7 H20(1)

Die Theorie von Arrhenius wird immer noch verwendet. Allerdings hat sie, wie alle Theorien,
ihre Grenzen. Das wird zum Beispiel deutlich, wenn man die Gasphasenreaktion von Ammoniak mit Chlorwasserstoff-Gasen betrachtet: NH3(g) + HCI(g) -7 NH4 + + CI- -7 NH4Cl(s)

Die beiden unsichtbaren, farblosen Gase vermischen sich und bilden weißes Ammoniumchlorid (Salmiak) in fester Form. Die Gleichung zeigt die zwischenzeitliche Anordnung der Ionen, damit der tatsächliche Ablauf der Reaktion sichtbar wird. Das HCI gibt ein H+-Ion an
das Ammoniak ab. Das ist im Prinzip der gleiche Vorgang wie bei der HCI/NaOH-Reaktion.

�==-- 203 -

---• Chemie für Dummies

Dennoch kann die Reaktion mit dem Ammoniak nach Arrhenius nicht als Säure-Base-Reaktion
klassifiziert werden, weil sie nicht in Wasser abläuft und kein Hydroxid-Ion daran beteiligt ist.

Da hilft es auch nicht, dass im Grunde derselbe Prozess abläuft. Um dies alles unter einen Hut
zu bringen, wurde 1923 eine neue Theorie entwickelt, die Brönsted-Lowry-Theorie.

Die ßrönsted�loulrlJ�Säure�ßase� Theorie: Geben und Nehmen

Die Brönsted-Lowry-Theorie versucht die Einschränkungen der Theorie von Arrhenius dadurch zu überwinden, dass eine Säure als Lieferant (Donator) eines Protons (H+) und eine Base als Abnehmer (Akzeptor) eines Protons (H+) definiert wird. Die Base nimmt das H+-Ion an,
indem sie ein freies Elektronenpaar für eine koordinative Bindung zur Verfügung stellt - dabei
handelt es sich um eine Elektronenpaarbindung (kovalente Bindung), bei dem beide für die

Bindung benötigten Elektronen von einem Atom zur Verfügung gestellt werden. Normalerweise liefern beide Atome je ein Elektron für die Bindung (siehe Kapitel 7). Bei einer koordinativen Bindung dagegen kommen beide Elektronen von einem der Atome.

Abbildung 12.1 zeigt die NH/HCI-Reaktion in einer Elektronenformel (auch Lewis-Dotformel
genannt), bei der die Edukte und Produkte abgebildet werden.

Abbildung 12.1: Die Reaktion von NH3 mit HC!

HCI gibt ein Proton ab, ist also die Säure, und das Ammoniak akzeptiert das Proton und ist
damit die Base. Das Ammoniak verfügt über ein ungebundenes Elektronenpaar, das es für die
koordinative Bindung zur Verfügung stellen kann.

Mehr über die Säure-Base-Reaktionen aus der Perspektive der Brönsted-Lowry-Theorie erfahren Sie im Abschnitt Her mit dem Proton: Brönsted-Lowry-Säure-Base-Reaktionen weiter hinten in diesem Kapitel.

Ätzend oder trinkbar:

Starke und schwache Säuren und Basen

Säuren und Basen kann man nicht über einen Kamm scheren - es gibt jeweils starke und
schwache. Man darf den Faktor Stärke hier aber nicht mit dem Faktor Konzentration verwechseln. Stärke bezieht sich auf das Ausmaß der Ionisation oder der Abgabe von Ionen, das für eine bestimmte Säure oder Base charakteristisch ist. Konzentration dagegen bezieht sich
auf die anfängliche Menge der Säure oder Base. Man kann es also durchaus mit einer konzen-

204 ---

----------- 1 2 > Sauer und bitter: Säuren und Basen ---•
trierten Lösung einer schwachen Säure oder einer verdünnten Lösung einer starken Säure zu
tun haben, oder auch einer konzentrierten Lösung einer starken Säure oder ... Sie verstehen
schon, worauf ich hinaus will.

Starke Säuren

Wenn man Chlorwasserstoffgas in Wasser auflöst, reagiert das HCl mit den Wassermolekülen
und gibt ein Proton an sie ab:

HCl(g) + H20(1) � Cl· + Hp+

Das Hp+-Ion nennt man auch Hydronium-Ion. Diese Reaktion läuft so lange ab, bis die Edukte
aufgebraucht sind. In diesem Fall ionisiert das ganze HCl zu H30+ und CI-, so dass am Ende der

Reaktion kein HCl mehr vorhanden ist. Säuren, die sich, wie HCl, komplett in Wasser auflösen,
nennt man starke Säuren. Wie Sie vielleicht bemerkt haben, übernimmt das Wasser in diesem

Fall die Funktion einer Base, indem es das Proton vom Chlorwasserstoff akzeptiert.

Weil starke Säuren vollständig ionisieren, kann man die Konzentration des Hydronium- und des

Chlorid-Ions leicht ausrechnen, sofern man die anfängliche Konzentration der starken Säure
kennt. Nehmen wir beispielsweise an, dass 0, 1 mol (alles Wissenswerte über das Mol erfahren

Sie in Kapitel lO) Chlorwasserstoffgas in einen Liter Wasser geblubbert werden. Dann kann man
sagen, dass die anfängliche Konzentration des HCl 0,1 M (0,1 mol/1) beträgt. M ist die Abkürzung
für Molarität, und mol/1 steht für die Anzahl der Mol-Einheiten pro Liter einer Lösung. (Mehr über
die Molarität und andere Einheiten zur Definition der Konzentration erfahren Sie in Kapitel 11.)

Man kann diese Konzentration des HCl von 0,1 M so ausdrücken: [HCl] = 0, 1 . Die Klammern
um die Verbindung deuten darauf hin, dass es sich um eine Aussage zur Molarität handelt, also
mol/1. Weil das HCl vollständig ionisiert, kann man aus der Gleichung entnehmen, dass jedes
ionisierte HCl ein Hydronium-lon und ein Chlorid-Ion abgibt. Die Konzentration der Ionen
in dieser 0,1 M HCl-Lösung ist also

[Hp+] = 0,1 und [Cl·] = 0,1

Diese Vorgehensweise ist recht nützlich, wenn es um die Berechnung des pH-Werts geht.

(Genau das wird Ihre Aufgabe im Abschnitt Wie sauer ist mein Kaffee: Die pH-Skala weiter
hinten in diesem Kapitel sein.) Tabelle 12.3 zeigt die bekanntesten starken Säuren, die einem
so über den Weg laufen.

Name

Formel

Salzsäure

HCl

Bromwasserstoffsäure

HBr

Iodwasserstoffsäure

HI

Salpetersäure

HN03

Perchlorsäure

HC104

Schwefelsäure (nur die erste Ionisation)

H2S04

Tabelle 12.3: Bekannte starke Säuren

--=-• 205 -

---• Chemie für Dummies

Schwefelsäure ist eine diprotische Säure. Sie kann zwei Protonen abgeben, aber nur die erste

Ionisation läuft vollständig ab. Die anderen in der Tabelle aufgeführten Säuren sind monoprotisehe Säuren, weil sie nur ein Proton abgeben.

Starke Basen

Normalerweise wird Ihnen nur eine starke Base über den Weg laufen, und die ist das Hydroxid

Ion OH·. Die Berechnung der Konzentration von Hydroxid-Ionen ist eine einfache Sache. Wenn
man beispielsweise eine 1,5 M (1,5 mol/1) NaOH-Lösung hat, löst sich das Natriumhydroxid,
ein Salz, vollständig in Ionen auf (es zerfällt):

NaOH(S) � Na+ + OB-

Bei einer anfänglichen Konzentration von 1,5 mol/1 NaOH ergibt sich die gleiche Konzentration
von Ionen:

[Na+] = 1,5 und [OH·] = 1,5

Schwache Säuren

Nehmen wir an, Sie lösen Essigsäure (CH3COOH) in Wasser. Die Säure reagiert mit den Wassermolekülen und gibt ein Proton ab. Es bilden sich Hydronium-Ionen. Es kommt dabei zu einem Gleichgewicht, in dem eine bestimmte Menge nicht ionisierter Essigsäure übrig bleibt. (Bei
vollständig ablaufenden Reaktionen werde die Edukte im Laufe der Herstellung des Produktes
vollständig aufgebraucht. In gleichgewichtigen Systemen dagegen, laufen - auf jeder Seite
des Reaktionspfeiles - zur selben Zeit, am selben Ort und mit der gleichen Geschwindigkeit
entgegengesetzte chemische Reaktionen ab. Mehr über gleichgewichtige Systeme erfahren Sie
in Kapitel S.)

Die Reaktion von Essigsäure mit Wasser sieht folgendermaßen aus:

CH3COOH(l) + Hp(l) -= CH3COO· + Hp+

Die dem Wasser beigegebene Essigsäure wird nur zum Teil ionisiert. Etwa 5 Prozent der

Essigsäure geben ihre Ionen ab, während 95 Prozent ihre molekulare Form beibehalten. In
sauren Lösungen, deren Säuren nicht vollständig ionisieren, ist die Menge der abgegebenen

Hydronium-Ionen wesentlich geringer, als das bei starken Säuren der Fall ist. Säuren, die nur
teilweise ionisieren, nennt man deshalb schwache Säuren.

Die Berechnung der Konzentration von Hydronium-Ionen in schwach sauren Lösungen ist
etwas komplizierter als bei stark sauren Lösungen, weil nicht die gesamte anfangs gelöste Säure
ihre Ionen abgibt. Um die Ionenkonzentration dennoch berechnen zu können, muss man auf
die Gleichgewichtskonstante für schwache Säuren zurückgreifen. Grundlegendes zur Gleichgewichtskonstante Keq erfahren Sie in Kapitel 8. Für schwach saure Lösungen verwendet man eine modifizierte Gleichgewichtskonstante mit Namen K. - die Dissoziationskonstante. Sehen

Sie sich die verallgemeinerte Ionisation einer schwachen Säure HA an:

HA + H20 .: A + H30+

- 206 ---·

----------- 1 2 � Sauer und bitter: Säuren und Basen ---•

Der Term der Gleichgewichtskonstanten K. für die schwache Säure lautet folgendermaßen:

Beachten Sie, dass das [HA] hier für die molare Konzentration des HA im Gleichgewicht steht,
nicht im Anfangsstadium. Zu bedenken gilt auch, dass die Konzentration des Wassers im Term
der Gleichgewichtskonstanten K. nicht eigens auftaucht, denn es ist so viel davon vorhanden,
dass es gewissermaßen als eine in den Term integrierte Konstante zu betrachten ist.

Nun aber zurück zum Gleichgewicht der Essigsäure. Die Gleichgewichtskonstante K. für Essigsäure lautet 1,8 x 10-5• Der Term der Gleichgewichtskonstanten K. sieht dementsprechend so aus:

Diese Gleichgewichtskonstante kann man nun bei der Berechnung der Konzentration der

Hydronium-Ionen in einer Essigsäurelösung mit, sagen wir, 2,0 M verwenden. Sie kennen
also die anfängliche Konzentration der Essigsäure, nämlich 2,0 M. Sie wissen, dass ein kleiner

Teil der Säure Ionen abgegeben hat und kleine Mengen Hydronium-Ionen und Azetat-Ionen
entstanden sind. Aus der gleichgewichtig verlaufenden Reaktion können Sie schließen, dass
für jedes sich bildende Hydronium-Ion ein Azetat-Ion gebildet wird - die Konzentration dieser
beiden Ionen ist also gleich. Sie können folglich die Konzentrationen [Hp+] und [CH3COO-]

mit x gleichsetzen, wodurch folgender Term entsteht:

[H30+] = [CH3COO-] = X

Damit die Konzentration x an Hydronium- und Azetat-Ionen produziert werden kann, wird
jeweils die gleiche Menge Essigsäure benötigt. Also entspricht die Konzentration der im Gleichgewicht verbleibenden Essigsäure der anfänglichen Konzentration, nämlich 2,0 M, abzüglich der ionisierten Menge, nämlich x:

[CH3COOH-] = 2,0 - X

In den allermeisten Fällen ist x im Vergleich zu der anfänglichen Konzentration einer Säure
eine sehr kleine Zahl. So klein, dass man sagen kann, 2,0 - x ist annähernd gleich 2,0. Das
heißt, dass man die Gleichgewichtskonzentration einer schwachen Säure ungefähr mit ihrer
anfänglichen Konzentration gleichsetzen kann. Der Term der Gleichgewichtskonstante sieht
demnach so aus:

K = 1 8 X 10-5 = [X] [ X] = [X]2
a

'

[2, 0]

[2, 0]

---· 207 -

---· Chemie für Dummies

An diesem Punkt kann man jetzt nach x auflösen, das dem [Hp+] entspricht:

(1, 8 x l0-5 )[2, 0] = [X]2

= [X] = [Hp+ ]

6, 0 x lo-3 = [Hp+ ]

Tabelle 12.3 zeigt einige bekannte starke Säuren. Die meisten anderen Säuren, mit denen man
in Kontakt kommt, sind schwach.

Eine Möglichkeit, zwischen einer starken und einer schwachen Säure zu unterscheiden, besteht darin, nach einem Wert für die Gleichgewichtskonstante K. Ausschau zu halten. Verfügt eine Säure über einen solchen K.-Wert, gehört sie zu den schwachen Säuren.

Schwache Basen

Auch schwache Basen streben bei der Reaktion mit Wasser ein Gleichgewicht an. Eine typische
schwache Base ist das Ammoniak. Bei der Reaktion mit Wasser bildet es das Ammonium-Ion
und das Hydroxid-Ion:

NH3(g) + H20(1) H NH/ + OH·

Genau wie die schwachen Säuren ionisieren auch die schwachen Basen nur zum Teil. Für die

Gleichgewichtskonstante der schwachen Basen gibt es einen modifizierten Term mit Namen

Kb. Er wird analog zur Konstante K. verwendet (die Einzelheiten finden Sie im Abschnitt

Schwache Säuren), nur dass man nach [OH·] auflöst.

Her mit dem Proton: ßrönsted�LoUirlJ�Säure�ßase�Reaktionen

Aus der Sicht der Theorie von Arrhenius sind Säure-Base-Reaktionen Neutralisationsreaktionen. Für Brönsted und Lowry dagegen geht es bei der Reaktion von Säuren und Basen darum, wer das Proton in die Finger kriegt. Nehmen wir zum Beispiel die Reaktion von Ammoniak mit Wasser: NH3(g) + HzO(I) H NH/ + OH-Was die Hinreaktion (von links nach rechts) betrifft, ist das Ammoniak eine Base (es nimmt
ein Proton an), und das Wasser eine Säure (es gibt ein Proton ab). Bei der Rückreaktion (von
rechts nach links) ist es umgekehrt: Das Ammonium-Ion ist eine Säure und das Hydroxid-Ion
ist eine Base. Ist das Wasser eine stärkere Säure als das Ammonium-Ion, dann befindet sich
eine relativ große Konzentration von Ammonium- und Hydroxid-Ionen im Gleichgewicht. Ist
jedoch das Ammonium-Ion die stärkere Säure, ist der Gehalt an Ammoniak größer als der an

Ammonium-Ionen.

Nach Brönsted und Lowry reagiert eine Säure mit einer Base dergestalt, dass sich konjugierte

Säure-Base-Paare bilden. Diese konjugierten Säure-Base-Paare unterscheiden sich durch ein

- 2os ----

----------- 1 2 > Sauer und bitter: Säuren und Basen ---·
einziges H+. NH3 ist beispielsweise eine Base, und NH4 + ist die dazugehörige konjugierte Säure.

H20 ist bezüglich der Reaktion von Ammoniak mit Wasser eine Säure, und OH- ist die dazugehörige konjugierte Base. Bei der hier vorliegenden Reaktion ist das Hydroxid-Ion eine starke Base und das Ammoniak eine schwache Base, so dass sich das Gleichgewicht nach links verschiebt - der Anteil des Hydroxids ist relativ klein.

Entscheide dich: amphoteres Wasser

Wenn Essigsäure mit Wasser reagiert, verhält sich das Wasser wie eine Base oder ein Protonenakzeptor. Bei der Reaktion mit Ammoniak (siehe den vorangegangenen Abschnitt) verhält sich das Wasser jedoch wie eine Säure oder ein Protonendonator. Je nachdem, womit das Wasser
reagiert, kann es also als Säure oder als Base reagieren. Substanzen, die sich wie eine Säure
und wie eine Base verhalten können, nennt man amphotere Substanzen.

Kann Wasser auch mit sich selbst reagieren? Aber natürlich. Zwei Wassermoleküle können
miteinander reagieren, indem das eine ein Proton abgibt und das andere dieses Proton annimmt:

H20(1) + HzO(l) H H30+ + OH-

Diese Reaktion verläuft gleichgewichtig. Daher gibt es dafür eine eigene Gleichgewichtskonstante I\. (die Abkürzung steht für Wasserdissoziationskonstante). :f\. hat den Wert 1,0 x 10-14
und sieht folgendermaßen aus:

1,0 X 10-14 = [H30+] [OH-]

In reinem Wasser entspricht das [H30+] dem [OH-] aus der Reaktionsgleichung. Es gilt also

[H30+] = [OH-] = 1,0 x 10-7• Der Wert von Kw ist eine Konstante. Dieser Wert erlaubt die Umrechnung von [H+] in [OH-] und umgekehrt, und zwar nicht nur bei reinem Wasser, sondern bei jeder wässrigen Lösung. In wässrigen Lösungen werden die Konzentrationen des Hydronium

Ions und des Hydroxid-Ions selten gleich sein. Aber wenn eine der Konzentrationen bekannt
ist, kann man die andere mit Hilfe von I\. errechnen.

Gehen wir noch einmal zu unserem Problem mit der 2,0 M Essigsäure-Lösung im Abschnitt

Schwache Säuren weiter vorne zurück. Der Stand der Dinge war, dass [H30+] dem Wert 6,0 x

10-3 entsprach. Jetzt können Sie die Konzentration [OH-] mit Hilfe von :f\. berechnen.

Kw = 1,0 X 10-14 = [Hp+] [OH-]

1,0 X 10-14 = [6,0 X 10-3] [OH-]

1,0 x 1 0-14 /6,0 x 10-3 = [OH-]

1,7 X 10-12= [OH-]

---• 209 -

---· Chemie für Dummies

Ein altes Abführmittel und Rotkohl:

Säure-Base-Indikatoren

Indikatoren sind Substanzen (organische Farbstoffe), die durch Kontakt mit Säuren oder

Basen ihre Farbe ändern. Vielleicht kennen Sie eine Pflanze, die eine solche Indikatorfunktion erfüllt - die Hortensie. Sitzt sie in saurem Boden, blüht sie rosa, sitzt sie in basischem Boden, blüht sie blau. Ein anderer pflanzlicher Säure-Base-Indikator ist der Rotkohl. Ich lasse
meine Studenten obligatorisch Rotkohl klein schneiden und kochen (die meisten bevorzugen
eindeutig diesen Teil der Übung). Mit der Kochflüssigkeit kann man dann Substanzen testen.

Zusammen mit Säuren färbt sich die Flüssigkeit rosa, zusammen mit Basen färbt sie sich grün.

Wenn man nun etwas von dieser Flüssigkeit nimmt, sie leicht basisch macht und dann über
einen Strohhalm in die Flüssigkeit hinein ausatmet, wird die Lösung blau und zeigt damit eine
leichte Säuerung an. Das kommt daher, dass das Kohlenstoffdioxid in der Atemluft mit dem

Wasser reagiert und Kohlenstoffsäure bildet:

C02(g) + H20(1) H H2C03(aq)

Aufgrund dieser Reaktion sind mit Kohlenstoffsäure versetzte Erfrischungsgetränke leicht
sauer. Um der Sache den richtigen Zisch zu geben, versetzt man das Wasser mit Kohlenstoffdioxid. Ein Teil des Wassers reagiert mit dem Kohlenstoffdioxid und bildet Kohlenstoffsäure.

Dieselbe Reaktion sorgt auch dafür, dass Regenwasser leicht sauer ist. Auf seinem Weg zur

Erde absorbiert es Kohlenstoffdioxid.

In der Chemie werden Indikatoren zum Nachweis von Säuren und Basen verwendet. Dazu
stehen den Chemikern viele Indikatoren zur Verfügung, die die gesamte Bandbreite von pH

Werten abdecken. (Sie haben den Begriff pH-Wert sicher schon in den verschiedensten Zusammenhängen gehört. Besonders die Kosmetikbranche wirbt gerne damit für hautfreundliche Produkte. Wenn Sie mehr über den pH-Wert erfahren wollen, lesen Sie den Abschnitt Wie
sauer ist mein Kaffee: Die pH-Skala in diesem Kapitel.) Zwei Indikatoren werden besonders
häufig verwendet:

V' Lackmus-Papier

V Phenolphthalein

Das I)Ute alte Lackmus-Papier

Lackmus ist eine Substanz, die man aus verschiedenen Flechtenarten extrahieren kann. Mit
dieser Substanz wird dann poröses Papier imprägniert. (Für den Fall, dass Sie gerade für

Günther Jauchs Millionenquiz trainieren: Eine Flechte ist eine Pflanze - diese hier findet
man in Holland -, die aus einer Alge und einem Pilz besteht, die symbiotisch zusammenleben.

Der Name Lackmus kommt von indogermanischen: leg = tröpfeln und Mus, da man bei der

Herstellung den Brei abtropfen ließ.) Es gibt drei Sorten Lackmus-Papier: rotes, blaues und
neutrales. Mit dem roten Lackmus verifiziert man Basen, mit dem blauen Lackmus Säuren
und mit dem neutralen Lackmus kann man beides nachweisen. Ist eine Lösung sauer, färben
sich das blaue und das neutrale Lackmus-Papier rot. Ist eine Lösung basisch, färben sich das

- 2 10 �==::::1

---=-IEiiEE5EIIIIIIIaaa::��:���- 1 2 � Sauer und bitter: Säuren und Basen ---•
rote und das neutrale Lackmus-Papier blau. Lackmus-Papier bietet eine gute und schnelle

Nachweismöglichkeit für Säuren und Basen. Und es erspart Ihnen den charakteristischen

Geruch kochenden Rotkohls.

Phenolphthalein: alles tJ.eretJ.elt

Ein anderer verbreiteter Indikator ist Phenolphthalein. Bis vor einigen Jahren wurde Phenolphthalein als Wirkstoff in einem beliebten Abführmittel verwendet. Ich kann mich daran erinnern, dass ich das Phenolphthalein aus dem Abführmittel extrahierte, indem ich die Pillen
in Alkohol oder Gin auflöste (und gut aufpasste, dass ich nicht aus Versehen daran nippte).

Anschließend benutzte ich diese Lösung als Indikator.

Phenolphthalein ist in einer sauren Lösung klar und farblos, in einer basischen Lösung aber
rosa. Es wird in der Regel für eine Prozedur verwendet, die man Titration nennt, ein Vorgang,
bei dem die Konzentration einer Säure oder Base auf der Grundlage einer Reaktion mit einer

Säure oder Base ermittelt wird, deren Konzentration bekannt ist.

Nehmen wir beispielsweise an, Sie möchten die molare Konzentration einer HCl-Lösung bestimmen. Dazu geben Sie zunächst ein festgelegtes Volumen (sagen wir 25 Milliliter, die Sie mit einer Pipette genau abgemessen haben) in einen Erlenmeyer-Kolben (das ist ein konisches

Glasgefäß mit einem flachen Boden) und fügen ein paar Tropfen Phenolphthalein-Lösung
hinzu. Weil Sie den Indikator in eine saure Lösung geben, bleibt die Flüssigkeit im Erlenmeyer-Kolben klar und farblos. Anschließend geben Sie über eine Bürette kleine Mengen einer standardisierten Natriumhydroxid-Lösung in einer bekannten Molarität (etwa 0,100 M) dazu.

(Eine Bürette ist eine geeichte Glasröhre mit Skala und eingeschliffenem Hahn am unteren

Ende und dient im chemischen Labor zur quantitativen Abmessung kleiner Flüssigkeitsvolumina.) Das machen Sie so lange, bis die Flüssigkeit gerade anfängt, sich ganz leicht rosa zu färben. Ich nenne dies den Endpunkt der Titration, denn an diesem Punkt hat die Base die

Säure neutralisiert. Abbildung 12.2 zeigt den Aufbau für die Titration.

Angenommen, Sie brauchen 35,5 Milliliter der 0,100 M NaOH, um den Endpunkt der Titration
der 25 Milliliter HCI-Lösung zu erreichen. Dann sieht die Reaktion so aus:

HCl(aq) + NaOH(aq) ---7 Hp(l) + NaCl(aq)

Die Reaktionsgleichung zeigt, dass die Säure und die Base in einem Verhältnis von 1 : 1 Mol
reagieren. Wenn man also berechnen kann, wie viel Mol der Base man hinzugefügt hat, kennt
man auch die Mol-Anzahl des HCI. Mit Hilfe des Volumens der sauren Lösung kann man dann
die Molarität berechnen (beachten Sie, dass die Milliliter in Liter umgerechnet wurden, damit
man die Einheiten bequem kürzen kann):

0, 100 1'rte1l lYlrf}H

1
x 0, 03550 l x 1 mal HC! x

= 0 142 M HC!

1

1

1 1'rte1l. Nlr(}H_ 0' 02500!

'

Die Titration einer Base mit einer standardisierten sauren Lösung (mit bekannter Konzentration) wird im Prinzip genau so berechnet, außer dass der Endpunkt dann erreicht ist, wenn die rosa Farbe verschwunden ist.

---• 2 1 1 -

saure Lösung +

Phenolphthalein

Indikator

Abbildung 12.2: Die Titration einer Säure mit einer Base

Wie sauer ist mein Kaffee: Die pH .. Skala

Der Säuerungsgrad einer Lösung steht mit der Konzentration von Hydronium-Ionen in der

Lösung in Beziehung. Je saurer eine Lösung ist, desto höher ist diese Konzentration. Anders
ausgedrückt: eine Lösung, in der [H30+] gleich 1,0 x 10-2 ist, ist saurer als eine Lösung, in der

[Hp+] gleich 1,0 x 10-7 ist. Die pH-Skala, die auf [Hp+] basiert, hat man entwickelt, um auf einen

Blick den relativen Säuerungsgrad einer Lösung feststellen zu können_ Der pH ist definiert als
der negative Logarithmus (abgekürzt als log) von [Hp+]. Mathematisch sieht das so aus:

pH = - log [Hp+]

Basierend auf der Wasserdissoziationskonstanten Kw (siehe den AbschnittEntscheide dich: amphoteres Wasser) ergibt sich für reines Wasser eine Konzentration der Hydronium-Ionen von 1,0 x 10-7• Auf dieser Grundlage lässt sich der pH-Wert von reinem Wasser leicht berechnen:

pH = - log [H30+]

pH = - log [1,0 x 10-7]

pH = - [-7]

pH = 7

- 2 1 2 a...-===::::1

----------- 1 2 � Sauer und bitter: Säuren und Basen ---

Der pH-Wert von reinem Wasser ist also 7,0. Die Chemiker nennen diesen Punkt auf der pH

Skala neutral. Sauer ist eine Lösung dann, wenn die Konzentration der Hydronium-Ionen
größer ist als bei Wasser und der pH-Wert über 7,0 liegt. Basisch sind Lösungen, deren Konzentration an Hydronium-Ionen kleiner ist als bei Wasser und deren pH-Wert über 7,0 liegt.

Die pH-Skala hat im Prinzip keinen Endpunkt. Lösungen können pH-Werte haben, die unter
dem Wert 0 liegen. (Eine 10-M-HCI-Lösung hat beispielsweise einen pH-Wert von -1.) Im chemischen Alltag bewegt man sich im Umgang mit schwachen Säuren und Basen und wässrigen Lösungen starker Säuren und Basen jedoch meist im Bereich zwischen 0 und 14 auf der pH

Skala. Abbildung 12.3 zeigt die pH-Skala.

Basisch

1 0-12 -

- 1 2

1 0-11 -

- 1 1

1 0-10 -

- 1 0

1 0-9

- 9

1 0-8

- 8

1 0-7 - Neutral

7

-

1 0-6

- 6

1 0-5

- 5

1 0-4

- 4

1 0-3

- 3

1 0-2

- 2

1 0-1

1 00

Sauer

Abbildung 12.3: Die pH-Skala

Die Konzentration der Hydronium-Ionen in einer 2,0-M-Essigsäure-Lösung beträgt 6,0 x 10-3.

Ein Blick auf die pH-Skala zeigt, dass diese Lösung sauer ist. Berechnen Sie nun den pH-Wert
der Lösung:

pH = - log [Hp+]

pH = - log [6,0 x 10-3)

pH = - [-2,22)

pH = 2,22

===:-� 2 13 -

---• Chemie für Dummies

Im Abschnitt Entscheide dich: amphoteres Wasser habe ich dargelegt, dass man mit Hilfe der

Wasserdissoziationskonstanten 1\v die [Hp+] berechnen kann, wenn man die [OH-] kennt. Mit
einer anderen Gleichung, 14 = pH + pOH, kann man den pH-Wert einer Lösung errechnen.

pOH entspricht dem negativen Logarithmus von [OH-] . Den pOH-Wert einer Lösung kann
man mit Hilfe des negativen dekadischen Logarithmus der Hydroxid-Ionen-Konzentration
genau so berechnen wie den pH-Wert. Wenn Sie 1\v verwenden und den negativen dekadischen

Logarithmus beider Seiten bilden, ergibt das 14 = pH + pOH. Auf diese Weise kann man aus
dem pOH-Wert leicht den pH-Wert errechnen und umgekehrt.

Genau so, wie man [Hp+] über den pH-Wert berechnen kann, kommt man auch vom pH-Wert
an den Wert für [H30+] heran. Dazu muss man auf das zurückgreifen, was man die antilogarithmische Relation nennt, nämlich

[H30+] = 1Q-PH

Das menschliche Blut hat beispielsweise einen pH-Wert von 7,3. Und so errechnet man auf der

Basis des pH-Wertes von Blut die Konzentration der Hydronium-Ionen:

[Hp+] = 1 Q-PH

[Hp+] = 10-7,3

[H30+] = 5,01 x 10-8

Auf die gleiche Weise kann man auf der Grundlage des pOH-Werts [OH-] errechnen.

In unserer Umwelt finden sich Substanzen aus allen Bereichen der pH-Skala. Tabelle 12.4. gibt

Ihnen einen Überblick über diese Substanzen und ihre pH-Werte.

Substanz

PH-Wert

Ofenreiniger

13,8

Haarentfernungsmittel

12,8

Salmiakgeist

1 1,0

Magnesiummilch

10,5

Chlorbleiche

9,5

Meerwasser

8,0
menschliches Blut

7,3
reines Wasser

7,0

Milch

6,5

Kaffee (schwarz)

5,5

Erfrischungsgetränke

3,5

Aspirin

2,9

Essig

2,8

Zitronensaft

2,3

Batteriesäure

0,8

Tabelle 12.4: Durchschnittliche pH-Werte bekannter Substanzen

- 2 1 4 L-::==::1

----------- 1 2 >- Sauer und bitter: Säuren und Basen ---•

Der pH-Wert unseres Blutes beträgt durchschnittlich 7,3. Der Wert kann durchaus um 0,2 nach
oben oder unten schwanken, ohne dass uns das ernsthaft schadet. Viele Faktoren, darunter
auch die Nahrung und Verhaltensweisen wie die Hyperventilation, können sich auf den pH

Wert unseres Blutes auswirken. Damit immer alles im »grünen« Bereich zwischen 7,1 und 7,5
bleibt, setzt unser Körper Puffer ein.

Puffer: Die pH-Controtlettis

Puffer oder Pufferlösungen, wie sie manchmal genannt werden, wirken einer Veränderung des
pH-Wertes entgegen, die durch eine Zugabe von Säuren oder Basen verursacht wird. Offenbar
enthält eine Pufferlösung also etwas, was mit einer Säure reagiert - eine Base. Und ein anderer

Bestandteil der Pufferlösung reagiert mit einer Base - eine Säure. In der Regel gibt es zwei

Arten von Puffern:

v Gemische von schwachen Säuren und Basen
v Amphotere Stoffe

Bei den Gemischen aus schwachen Säuren und Basen kann es sich um konjugierte Säure

Base-Paare (etwa H2CO/HC03·) oder nicht-konjugierte Säure-Base-Paare handeln (etwa

NH4+/CH3COO·). (Mehr über konjugierte Säure-Base-Paare erfahren Sie im Abschnitt Her
mit dem Proton: Brönsted-Lowry-Säure-Base-Reaktionen weiter vorne im Kapitel.)

Was unseren Körper betrifft, so kommen dort konjugierte Säure-Base-Paare häufiger vor. Im

Blut etwa sorgen Paare aus Kohlenstoffsäure und Bikarbonat für die Steuerung des pH-Werts.

Wird dieser Puffer ausgeschaltet, was durchaus passieren kann, kann das zu ernsten Gesundheitsgefährdungen führen. Wenn ein Mensch beispielsweise sehr hart trainiert, geben die Muskeln Milchsäure in den Blutkreislauf ab. Wenn die Bikarbonat-Ionen nicht ausreichen, die

Milchsäure zu neutralisieren, fällt der pH-Wert des Blutes, und man sagt, der Betreffende ist im

Zustand der Azidose. Auch Diabetes kann Azidose verursachen. Wenn ein Mensch andererseits
hyperventiliert (zu schnell atmet), wird dabei zu viel Kohlenstoffdioxid ausgeatmet. Dadurch
sinkt der Kohlenstoffsäurespiegel im Blut und das Blut wird zu basisch. Auch dieser Zustand,
den man A!kalose nennt, kann sehr ernste Folgen haben.

Auch amphotere Stoffe können als Puffer dienen, wenn sie mit einer Säure oder einer Base reagieren. (Ein Beispiel für einen amphoteren Stoff finden Sie im AbschnittEinscheide dich: amphoteres Wasser weiter vorne in diesem Kapitel.) Das Bikarbonat-Ion (HC03-) und das Monohydragenphosphat-Ion (HP04-2) sind solche amphoteren Stoffe, die sowohl Säuren als auch Basen neutralisieren können. Auch sie sind wichtig für die Kontrolle des pH-Wertes unseres Blutes.

Säureneutra Ii satoren: GrundlatJ.enchemi e

In jeder Apotheke oder Drogerie findet man jede Menge Medikamente, die überschüssige Magensäure neutralisieren. Das ist Säure-Base-Chemie in voller Aktion! Der Magen produziert Salzsäure, um während des Verdauungsprozesses bestimmte Enzyme (biologische Katalysa-

===' 2 15

---• Chemie für Dummies
toren) zu aktivieren. Manchmal schießt er bei der Produktion allerdings über das Ziel hinaus,
oder aber die Magensäure schwappt zur Speiseröhre (Ösophagus) hinauf und verursacht Sodbrennen. Dann ist es an der Zeit, die überschüssige Säure zu neutralisieren. Und was braucht man dafür? Richtig, eine Base. Die im Handel erhältlichen basischen Rezepturen, die man zur

Neutralisation der Magensäure einsetzen kann, nennt man Säureneutralisatoren. Teil dieser

Rezepturen sind unter anderem die folgenden Verbindungen:

V Die Bikarbonate NaHC03 und KHC03

V Die Karbonate CaC03 und MgC03

V Die Hydroxide Al(OH)3 und Mg(OH)2

Es ist nicht immer einfach, für den gelegentlichen Bedarfsfall den richtigen Säurenneutralisator auszuwählen. Natürlich ist der Preis ein wichtiger Faktor. Von Bedeutung kann aber auch die chemische Beschaffenheit der Basen sein. Menschen mit hohem Blutdruck zum Beispiel
sollten besser Magenmittel vermeiden, die Natriumbikarbonat enthalten, weil das Natrium

Ion die Erhöhung des Blutdrucks begünstigt. Wer sich Sorgen macht, seine Knochen könnten

Kalzium verlieren, kann sich auf Magenmittel konzentrieren, die Kalziumkarbonat enthalten.

Sowohl Kalziumkarbonat als auch Aluminiumhydroxid können, in größeren Dosen angewendet, zu Verstopfung führen. Andererseits wirken Magnesiumkarbonat und Magnesiumhydroxid in hohen Dosen unter Umständen abführend. Siesehen, die Wahl des richtigen Säureneutralisators ist ein Drahtseilakt!

Säuren mit schlechtem Ruf: Saurer Re9en

In den letzten Jahren ist saurer Regen zu einem immer größeren ökologischen Problem
geworden. Regenwasser ist von Natur aus sauer (der pH-Wert liegt bei etwa 5,6), weil es

Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre absorbiert und dabei Kohlenstoffsäure produziert.

Wenn in der Presse von saurem Regen gesprochen wird, dreht es sich in der Regel um einen
pH-wert von 3 bis 3,5.

Die beiden Hauptgründe für den sauren Regen sind die Luftverschmutzung durch Autos
und die Industrie. In den Verbrennungsmotoren der Kraftfahrzeuge wird der in der Luft
enthaltene Stickstoff zu verschiedenen Stickstoffoxiden oxidiert. Diese Stickstoffoxide
reagieren in der Atmosphäre mit Wasser und bilden dabei Salpetersäure (HNO).

Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Kraftwerken entstehen, neben Stickstoffoxiden, bedingt durch Schwefelverunreinigungen der Kohle und des Öls, Schwefeloxide. Auch diese Schwefeloxide reagieren in der Atmosphäre mit Wasser und bilden dabei schweflige

Säure und Schwefelsäure (H2S03 und H2S04). All diese Säuren fallen mit dem Regen auf
die Erde und verursachen dort eine Vielzahl von Problemen. Der pH-Wert von Seen etwa
fällt so weit ab, dass Fische dort nicht mehr leben können. Ganze Wälder sterben oder
verkümmern. Metalle in Autos und Gebäuden korrodieren.

Auch wenn der C02-Ausstoß durch Abkommen und Auflagen ein wenig reduziert werden
konnte, stehen wir hier nach wie vor einem der drängendsten Umweltprobleme gegenüber.

(Mehr über den sauren Regen erfahren Sie in Kapitel lS.)

- 2 1 6 ----

Ballons, Reifen und

Pressluftflaschen:

Die wunderbare Weft der Gase

Jn diesem Kapitel

Die kinetische Gastheorie kennen lernen

Unter Druck geraten

Die Gasgesetze verstehen

G asesind
nicht allgegenwärtig.

groß über sie

Weil
nach.

Sie

Ihre jedoch

Eigens in der
chaften Regel
sind unsic
uns
htbar
im
sind,

Prinzip
denkt
jedoch man meist
bewusst. Wir
atmen eine Gasmischung, die wir Luft nennen. Wir überprüfen den Luftdruck unserer Autooder Fahrradreifen. Wir sehen auf das Barometer, um die Wetterlage einschätzen zu können.

Wir verbrennen Gas in Grills und Feuerzeugen. Wir füllen Geburtstagsballons für unsere Lieben, damit sie einen fliegen lassen können. (Manche können das auch ohne Ballons.) Die Eigenschaften von Gasen und ihre Beziehungen zueinander sind wichtig für uns. Haben
meine Reifen genug Druck? Wie groß wird dieser Ballon werden? Ist genug Luft in meinen

Pressluftflaschen? Und so weiter und so fort.

In diesem Kapitel stelle ich Ihnen Gase sowohl aus der mikroskopischen als auch aus der makroskopischen Perspektive vor. Ich bringe Ihnen eine der erfolgreichsten wissenschaftlichen Theorien näher - die kinetische Gastheorie. Darüber hinaus geht es um die makroskopischen

Eigenschaften von Gasen und wichtige Beziehungen der Gase untereinander. Ich werde Ihnen
außerdem zeigen, welche Rolle diese Beziehungen in der Stöchiometrie der Reaktionen spielen. Bei diesem Kapitel bleibt Ihnen garantiert die Luft weg!

Gase unter dem Mikroskop: Die kinetische Gastheorie

Eine Theorie ist für Wissenschaftler von Nutzen, wenn sie das jeweils untersuchte physikalische

System beschreibt und darüber hinaus erlaubt vorherzusagen, was passiert, wenn man eine

Variable verändert. Die kinetische Gastheorie leistet das. Sie hat zwar, wie alle Theorien, ihre

Grenzen, aber sie gehört zu den erfolgreichsten chemischen Theorien. Der folgende Abschnitt
beschreibt die grundlegenden Postulate, Annahmen, Hypothesen oder Axiome (suchen Sie sich

Ihren Lieblingsbegriff aus), die als zutreffend vorausgesetzt werden.

--- 2 1 7

---· Chemie für Dummies

V 1. Postulat: Gase bestehen aus Partikeln, entweder Atomen oder Molekülen.

So lange es nicht um Materie bei sehr hohen Temperaturen geht, sind die Gaspartikel
relativ klein. Größere Partikel lagern sich in der Regel aneinander an und bilden Flüssigkeiten oder Feststoffe. Gaspartikel sind also normalerweise klein und haben eine geringe Atom- und Molekülmasse.

V 2. Postulat: Die Gaspartikel sind im Vergleich zu der Distanz zwischen den Partikeln so
klein, dass das Volumen der Partikel selbst als null angenommen wird.

Natürlich haben die Gaspartikel ein Volumen - das ist schließlich eine Eigenschaft der

Materie. Aber wenn die Gaspartikel klein sind (und das sind sie) und nicht viele davon in
einem Behälter vorhanden sind, betrachtet man ihr Volumen im Vergleich zum Volumen
des Behälters oder dem Raum zwischen den Partikeln als eine zu vernachlässigende Größe.

Das erklärt auch, warum man Gase verdichten kann. Weil so viel Platz zwischen den Gaspartikeln ist, kann man sie gut auf engeren Raum zusammendrücken. Mit Flüssigkeiten und Feststoffen, deren Partikel viel enger zusammen liegen, geht das nicht. (Mehr über
die verschiedenen Zustände der Materie und die Unterschiede zwischen Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen finden Sie in Kapitel 2.) Die Vorstellung, dass man die Quantität vernachlässigen kann, ist in der Chemie oft anzutreffen. Ein Beispiel ist etwa die Gleichgewichtskonstante der schwachen Säuren, K., in Kapitel 12, die die im Vergleich zur anfänglichen Konzentration der Säure ionisierte

Menge der schwachen Säure außen vor lässt.

Auf die reale Welt übertragen, lässt sich das am ehesten mit einer Situation vergleichen,
in der man auf der Straße einen Euro findet. Wenn man gar kein Geld hat, ist dieser Euro
eine beachtliche Geldmenge, nach der man sich natürlich bückt (er sichert schließlich die
nächste Mahlzeit) . Ist man aber Multimillionär, ist dieser Euro eine zu vernachlässigende

Geldmenge, die man links liegen lässt (so reich könnte ich gar nicht sein, dass ich mich
nicht nach einem Euro bücken würde) . So ist es auch mit den Gaspartikeln - sie haben
ein gewisses Volumen, aber es ist im Verhältnis zu dem dazwischen liegenden Raum so
klein, dass es keine Bedeutung hat.

V 3. Postulat: Die Gaspartikel sind in ständiger, ungeordneter und gleichförmiger Bewegung. Sie bewegen sich geradlinig und kollidieren mit den Innenwänden des Behälters.

Die Gaspartikel bewegen sich immer geradlinig. (Gase haben im Vergleich zu Feststoffen
oder Flüssigkeiten eine höhere kinetische Energie; mehr dazu in Kapitel 2.) Sie bewegen
sich so lange in eine Richtung, bis sie entweder mit anderen Partikeln oder mit der Innenwand des Behälters kollidieren. Darüber hinaus bewegen sich die Partikel in verschiedene Richtungen, so dass sich die Kollisionen mit der Innenwand des Behälters gleichmäßig
über die gesamte Fläche verteilen. Das kann man leicht beobachten, wenn man einen

Ballon aufbläst. Der Ballon dehnt sich kugelförmig aus, weil die Gaspartikel mit allen

Punkten der Innenwand kollidieren. Diese Kollisionen mit der Innenwand des Behälters
nennt man Druck. Das Postulat der ständigen, ungeordneten und geradlinigen Bewegung
der Gaspartikel erklärt auch, warum sich Gase gleichmäßig vermischen, wenn sie in

2 18 ,.......--

13 >- Die wunderbare Welt der Gase ---
denselben Behälter eingefüllt werden. Und es erklärt, warum man den Duft eines Parfüms
unmittelbar überall in einem Raum riecht, selbst wenn man ein paar Tropfen in der hintersten Ecke des Raumes auf den Boden fallen lässt.

V' 4. Postulat: Die Gaspartikel üben so gut wie keine Kräfte aufeinander aus.

Anders ausgedrückt: Man nimmt an, dass die Partikel völlig unabhängig voneinander sind
und sich weder anziehen noch abstoßen. Nun ja, hier möchte ich ein paar Haare spalten.

Diese Aussage ist eigentlich falsch. Wenn sie wahr wäre, könnte kein Chemiker Gase
verflüssigen, aber das ist nun mal möglich. Andererseits kann man diese Annahme gelten
lassen, weil die anziehenden und abstoßenden Kräfte so gering sind, dass man sie getrost
vernachlässigen kann. Für unpolare Gase wie Wasserstoff und Stickstoff ist diese Annahme
sicher richtig, weil es sich bei den anziehenden Kräften um so genannte London s'che Dispersionskräfte handelt. Bei polaren Gasmolekülen jedoch, wie bei Wasser und HCl, kann sie zu Problemen führen. (Mehr über Polarität und die London'schen Dispersionskräfte
erfahren Sie in Kapitel 7, wo es um die Anziehungskräfte zwischen Molekülen geht.)

V' 5. Postulat: Die Gaspartikel können miteinander kollidieren. Es wird davon ausgegangen,
dass es sich dabei um so genannte elastische Kollisionen handelt, bei denen die Gesamtmenge der kinetischen Energie beider Partikel gleich bleibt.

Die Gaspartikel kollidieren nicht nur mit den Innenwänden des Behälters, sondern auch
untereinander. Bei diesen Kollisionen geht jedoch keine kinetische Energie verloren,
sondern geht allenfalls von einem Partikel auf den Kollisionspartner über. Stellen Sie
sich beispielsweise zwei Gaspartikel vor, eines in langsamer und ein anderes in schneller

Bewegung, die miteinander kollidieren. Bei der Kollision wird nun kinetische Energie
von dem schnelleren auf das langsamere Partikel übertragen. Das langsame Partikel prallt
von dem schnelleren Partikel ab und wird dabei beschleunigt, während das schnellere

Partikel von dem langsamen abprallt und dabei in seiner Geschwindigkeit gebremst wird.

Die Gesamtmenge der kinetischen Energie bleibt erhalten. Was das schnellere Partikel an

Energie abgibt, nimmt das langsamere auf. Auf der Grundlage dieses Prinzips funktioniert
auch das Pool-Billard - man transferiert die kinetische Energie des Queues auf die Kugel,
die man im Visier hat.

V' 6. Postulat: Die in Kelvin gemessene Temperatur ist direkt proportional zu der durchschnittlichen kinetischen Energie der Gaspartikel.

Die Gaspartikel bewegen sich nicht alle mit derselben Menge an kinetischer Energie. Ein
kleiner Teil bewegt sich relativ langsam, ein anderer kleiner Teil bewegt sich relativ schnell,
aber die meisten liegen mit ihrer Geschwindigkeit zwischen diesen beiden Extremen. Die

Temperatur hat eine direkte Beziehung zur durchschnittlichen kinetischen Energie der

Gaspartikel, aber nur, wenn sie mit der Kelvin-Skala gemessen wird. Beim Erhitzen des

Gases nimmt seine kinetische Energie mit zunehmender Kelvin-Temperatur ebenfalls zu.

(Die jeweilige Kelvin-Temperatur kann man errechnen, indem man 273 zu einer Celsius

Temperatur addiert: K oc

=

+ 273. Mehr über Temperaturskalen und die durchschnittliche
kinetische Energie erfahren Sie in Kapitel 2.)

---• 2 1 9 -

---• Chemie für Dummies

Ein Gas, das alle Postulate der kinetischen Gastheorie erfüllt, nennt man Ideales

Gas. Offensichtlich gibt es kein Gas, das allen Anforderungen des zweiten und
vierten Postulates exakt entspricht. Allerdings kommt ein unpolares Gas bei hoher

Temperatur und geringem Druck (Konzentration) dem Verhalten eines idealen

Gases sehr nahe.

Druck: Eine FraiJ.e der Atmosphäre

Obwohl wir uns nicht in einem Behälter befinden, prasseln die Gasmoleküle unserer Atmosphäre
ständig auf unsere Körper, unsere Bücher, unsere Computer und alles andere nieder und üben
damit eine Kraft aus, die man atmosphärischen Druck nennt. Atmosphärischen Druck misst
man mit einem Instrument, das Barometer heißt.

Ein Mess9erät für die Atmosphäre: Das Barometer

Ein Barometer besteht aus einer langen Glasröhre, die an einem Ende geschlossen und mit
einer Flüssigkeit gefüllt ist. Man könnte dafür Wasser verwenden, aber dann müsste die Glasröhre sehr lang sein (etwa 10,66 m) und würde etwas unhandlich. Es ist also zweckmäßiger, die Röhre mit Quecksilber zu befüllen, weil dies eine Flüssigkeit von hoher Dichte ist. Die mit

Quecksilber befüllte Röhre wird mit der Öffnung nach unten so in einen offenen, ebenfalls mit

Quecksilber gefüllten Behälter gestellt, dass das offene Ende der Röhre unterhalb des Quecksilberspiegels positioniert ist. Nun passiert einiges. Die Schwerkraft zieht das Quecksilber in der Röhre nach unten, so dass es in den Behälter darunter ausläuft. Gleichzeitig üben die Gase
in der Atmosphäre Druck auf das Quecksilber in dem offenen Behälter aus und pressen es nach
oben in die Glasröhre. Früher oder später halten sich diese Kräfte die Balance, und das Quecksilber kommt an einem bestimmten Punkt oberhalb des Quecksilberspiegels in dem Behälter zum Stehen. Je größer der atmosphärische Druck ist, desto höher klettert die Quecksilbersäule in der Röhre; je niedriger der atmosphärische Druck ist (etwa auf dem Gipfel eines hohen Berges), desto niedriger ist die Quecksilbersäule. Auf der Höhe des Meeresspiegels ist die Säule

760 mm hoch, was dem so genannten normalen atmosphärischen Druck entspricht.

Den atmosphärischen Druck kann man auf vielerlei Arten ausdrücken: in mm des eingefüllten

Quecksilbers (mmHg), in Atmosphären (atm), einer Druckeinheit, bei der eine Atmosphäre
dem Druck auf der Höhe des Meeresspiegels entspricht, in Torr, einer Druckeinheit, bei der ein

Torr einem Millimeter Quecksilber entspricht, in pounds per square inch (psi), in Pascal (Pa),
einer Druckeinheit, bei der ein Pascal einem Newton pro Quadratmeter entspricht (machen Sie
sich keine Gedanken darüber, was ein Newton ist, vertrauen Sie mir einfach), oder in Kilopascal

(kPa), wobei ein Kilopascal 1000 Pascal entspricht.

Den atmosphärischen Druck auf der Höhe des Meeresspiegels kann man also folgendermaßen
ausdrücken:

760 mm Hg = 1 atm = 760 Torr = 14,69 psi = 101.325 Pa = 101,325 kPa

220 a:....:==

7 3 � Die wunderbare Welt der Gase ---

In diesem Buch verwende ich hauptsächlich Atmosphären und Torr und gelegentlich mm Hg.

Abwechslung muss sein.

Druck durch
das Gewicht
des Quecksilbers

Atmosphärischer

Druck von760 mm
auf Höhe des

Meeresspiegels

D ruck durch
das Gewicht
der Atmosphäre

Abbildung 13.1: Ein Barometer

Ein Mess9erät für den Druck ein9eschfossener Gase:

Das Manometer

Wenn ein Gas in einen Behälter eingeschlossen ist, kann man seinen Druck mit einem Apparat
messen, den man Manometer nennt. Die Komponenten, aus denen dieser Apparat besteht,
sehen Sie in Abbildung 13.2.

Ein Manometer ist einem Barometer nicht unähnlich. Der Behälter mit dem Gas wird mit einer

U-förmig gebogenen Glasröhre verbunden, die zu einem Teil mit Quecksilber gefüllt und an
ihrem anderen Ende geschlossen ist. An diesem geschlossenen Ende zieht die Schwerkraft das

Quecksilber nach unten. Durch den Gegendruck des Gases im Behälter wird das Quecksilber
ausbalanciert. Den Druck des Gases im Behälter kann man nun an der Höhendifferenz des

Quecksilbers in den beiden Enden der Röhre ablesen.

---· 22 1 -

---· Chemie für Dummies

Abbildung 13.2: Das Manometer

Auch Gase haften sich an Gesetze - GasfJ.esetze

Verschiedene wissenschaftliche Gesetze beschreiben die Beziehungen der vier folgenden wichtigen physikalischen Gas-Eigenschaften: V Volumen

V Druck

V Temperatur

V Masse

Diese Gesetze möchte ich Ihnen in diesem Abschnitt vorstellen. Die Gesetze von Boyle, Charles
und Gay-Lussac beschreiben jeweils die Beziehung zwei er Eigenschaften bei einem konstanten

Wert der anderen beiden Eigenschaften. (Man konzentriert sich dabei auf zwei Eigenschaften,
verändert den Wert der einen und beobachtet, wie sich dies auf die andere Eigenschaft auswirkt.

Die beiden anderen Eigenschaften bleiben dabei unverändert.) Ein weiteres Gesetz - eine Kombination der Gesetze von Boyle, Charles und Gay-Lussac - erlaubt es, mehr als eine Eigenschaft zur gleichen Zeit zu variieren.

Nicht verändern kann man bei diesem kombinierten Gesetz die Masse des jeweiligen Gases.

Diese Lücke schließt jedoch das Gesetz von Avogadro. Darüber hinaus gibt es noch das Gesetz
für ideale Gase, das die Berücksichtigung von Variationen aller vier Eigenschaften ermöglicht.

Wenn Sie alle in diesem Abschnitt steckenden Gesetze verdaut haben, werden Sie um die eine
oder andere Blähung wohl nicht herum kommen.

8o1Jies Gesetz

Boyles Gesetz, benannt nach Robert Boyle, einem englischen Wissenschaftler des 17. Jahrhunderts, beschreibt das Verhältnis des Drucks und des Volumens von Gasen bei gleich bleibender

13 >- Die wunderbare Welt der Gase ---

Temperatur und Masse. Abbildung 13.3 macht das Verhältnis von Druck und Volumen unter

Verwendung der kinetischen Molekulartheorie anschaulich.

Verminderung
des Volumens,

Steigerung
des Volumens

Abbildung 13.3: Das Verhältnis von Druck und Volumen bei Gasen - Boyles Gesetz

Der hier abgebildete linke Zylinder enthält ein bestimmtes Volumen Gas, das unter einem
bestimmten Druck steht. (Dieser Druck ist nichts anderes als die Kollision der Gaspartikel mit
der Innenwand des Behälters.) Wenn das Volumen abnimmt, befinden sich die Gaspartikel in
einem viel kleineren Volumen, wodurch sich die Anzahl der Kollisionen beträchtlich erhöht.

Der Druck nimmt folglich zu.

Boyles Gesetz stellt fest, dass Volumen und Druck umgekehrt proportional zueinander sind.

Nimmt das Volumen ab, steigt der Druck und umgekehrt.

Boyle ermittelte als das Produkt des Drucks und des Volumens eine Konstante (k):

PV = k

Stellen Sie sich jetzt einmal den Fall vor, Sie hätten ein Gas mit einem bestimmten Druck

(P1) und einem bestimmten Volumen (V1). Wenn Sie nun den Wert des Volumens ändern

(V2), ändert sich auch der Wert des Drucks (P2), Mit Hilfe von Boyles Gesetz kann man beide

Zustände beschreiben:

PI VI = k

P2 V2 = k

Die Konstante k ist - sonst wäre sie ja keine Konstante - in beiden Fällen gleich. Man kann
also sagen

(wobei Temperatur und Masse gleich bleiben)

c:===:-� 223

---• Chemie für Dummies

Diese Gleichung macht eine weitere Aussage zu Boyles Gesetz - und eine sehr nützliche dazu,
weil es bei Gasen im Regelfall um Änderungen des Drucks und des Volumens geht. Wenn drei
der vier Größen bekannt sind, kann man die vierte berechnen. Nehmen wir beispielsweise
an, dass ein Behälter 5,00 Liter eines Gases bei einem Druck von 1,00 atm beinhaltet und das

Volumen dann auf 2,00 Liter abgesenkt wird. Wie hoch ist nun der Druck?

Die Antwort liefert die folgende Ausgangsposition:

PlVl = P2V2

P1 entspricht 1,00 atm, V1 den 5,00 Litern Gas, und der Wert von V2 ist 2,00 Liter. Das ergibt
folgende Gleichung:

(1,00 atm) (5,00 Liter) = P2(2,00 Liter)

Nun kann man nach P2 auflösen:

{1,00 atm)(5,00 Liter)/(2,00 Liter) = P2 = 2,50 atm

Diese Antwort macht Sinn, denn das Absenken des Volumens führt zu einem Anstieg des

Drucks, was uns wieder zu Boyles Gesetz zurückführt.

Charles' Gesetz

Charles' Gesetz, benannt nach Jacques Charles, einem französischen Chemiker des 19. Jahrhunderts, konzentriert sich auf das Verhältnis zwischen Volumen und Temperatur bei gleich bleibenden Werten von Druck und Masse. Im Alltag ist dieses Verhältnis zum Beispiel beim

Erhitzen und Abkühlen von Ballons von Bedeutung.

Abbildung 13.4 veranschaulicht das Verhältnis von Temperatur und Volumen.

erhitzen

�

Abbildung 13.4: Das Verhältnis von Temperatur und Volumen bei Gasen - Charles' Gesetz

Betrachten Sie den mittleren Ballon in der Abbildung. Was denken Sie, passiert mit dem Ballon,
wenn man ihn in den Kühlschrank legt? (Ihre gefräßigen Kinder stehen nachts auf, versuchen,
sich eine Scheibe davon abzuschneiden und bringen ihn zum Platzen.) Nein, er wird schrumpfen. Im Innern des Kühlschranks ist der Druck der gleiche wie außerhalb, aber die Gaspartikel

- 224 ----

13 >- Die wunderbare Weft der Gase ---
im Ballon bewegen sich nicht so schnell, was dazu führt, dass das Volumen sinkt, um den

Druck konstant zu halten. Kommt der Ballon in eine wärmere Umgebung, dehnt er sich aus
und das Volumen wird größer. Es handelt sich hier um ein proportionales Verhältnis - steigt
die Temperatur, nimmt auch das Volumen zu und umgekehrt.

Jacques Charles fand damit eine mathematische Beziehung zwischen Temperatur und Volumen. Darüber hinaus entdeckte er, dass man für den mathematischen Ausdruck der Gasgesetze die Temperaturskala nach Kelvin (K) verwenden muss.

Bei Berechnungen im Zusammenhang mit Gasgesetzen muss die Temperaturskala
nach Kelvin verwendet werden.

Charles' Gesetz besagt, dass sich das Volumen proportional zur Kelvin-Temperatur verhält.

Mathematisch formuliert sieht dieses Gesetz so aus:

V = bT oder V/T = b

(wobei b eine Konstante ist)

Wenn man die Temperatur eines bestimmten Volumens (V1) eines Gases mit einer bestimmten

Kelvin-Temperatur (T1) auf einen neuen Wert (T2) ändert, verändert sich auch das Volumen

(V2) .

Da die Konstante b gleich bleibt, gilt

(wobei Druck und Masse des Gases gleich bleiben und die Temperatur in

Kelvin angegeben wird)

Auch hier lässt sich aus drei bekannten Werten der vierte Wert errechnen. Stellen Sie sich vor,

Sie lebten in Alaska. Es ist mitten im Winter und die Außentemperatur beträgt -23° Celsius.

Sie blasen draußen einen Ballon auf, bis er ein Volumen von 1,00 Liter hat. Dann bringen Sie
ihn ins Wohnzimmer vor den Kamin, wo kuschelige 27°C herrschen. Wie groß ist das Volumen
des Ballons dort?

Zunächst einmal müssen Sie die Temperaturen in Kelvin umrechnen, indem Sie zu der Temperatur in Celsius jeweils 273 addieren:

-23°C + 273 = 250 K

(draußen)

27°C + 273 = 300 K

(Wohnzimmer)

Jetzt können Sie die Gleichung nach V2 auflösen:

V/T1 = V/T2

Multiplizieren Sie beide Seiten mit T2, um V2 auf der einen Seite der Gleichung zu isolieren:

[VlT2]/Tl = V2

Wenn wir jetzt die konkreten Werte einsetzen, erhalten wir die Antwort auf unsere Frage:

[(1,00 Liter) (300 K)]/250 K = V2 = 1,20 Liter

---· 225 -

---· Chemie für Dummies

Das klingt plausibel, denn Charles' Gesetz besagt ja, dass bei steigender Kelvin-Temperatur
auch das Volumen zunimmt.

Ga1J·Lussacs Gesetz

Gay-Lussacs Gesetz, benannt nach dem französischen Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts

Joseph-Louis Gay-Lussac, zielt auf das Verhältnis von Druck und Temperatur bei gleich bleibenden Werten von Volumen und Masse. Nehmen wir beispielsweise einen mit Gas gefüllten Metalltank. Der Tank hat ein bestimmtes Volumen, und das darin befindliche Gas hat einen
bestimmten Druck. Wird der Tank erhitzt, nimmt die kinetische Energie der Gaspartikel zu.

Sie bewegen sich nicht nur schneller, sondern kollidieren auch öfter und heftiger mit der

Innenwand des Tanks. Der Druck hat sich erhöht.

Gay-Lussacs Gesetz besagt, dass sich der Druck proportional zur Kelvin-Temperatur verhält.

Abbildung 13.5 veranschaulicht dieses Verhältnis .

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erhitzen

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Abbildung 13.5: Das Verhältnis von Druck und Temperatur bei Gasen - Gay-Lussacs Gesetz

Mathematisch formuliert, sieht dieses Gesetz so aus:

P = kT (oder P/T = k
bei gleichem Druck und gleicher Masse)

Nehmen wir an, bei einem Gas mit einer bestimmten Kelvin-Temperatur und einem bestimmten Druck (T1 und P1) werden Temperatur und Druck verändert (T2 und P2): P/T1 = P/T2

Sagen wir, der Tank enthält Gas mit einem Druck von 800 Torr und einer Temperatur von

250 Kelvin, die auf 400 Kelvin erhöht wird. Wie hoch ist dann der Druck?

Ausgehend von der Gleichung P /T1 = P /T2kann man beide Seiten mit T2 multiplizieren, damit
man nach P2 auflösen kann:

[P1TYTI = Pz

Mit den konkreten Werten führt die Gleichung zu dem folgenden Ergebnis:

[(800 Torr) (400 K)]/250 K = P2 = 1280 Torr

- 226 ----

13 � Die wunderbare Weft der Gase ---

Das leuchtet ein, denn nach Gay-Lussacs Gesetz sollte beim Erhitzen des Tanks auch der Druck
steigen.

Das kombinierte Gas9esetz

Die bisherigen Beispiele gehen sämtlich davon aus, dass zwei Eigenschaften eines Gases konstant bleiben, während eine Eigenschaft verändert wird, um zu beobachten, wie sich dies auf die vierte Eigenschaft auswirkt. Im richtigen Leben sind die Dinge jedoch meist nicht so einfach
und übersichtlich. Was macht man in Situationen, in denen sich zwei oder drei Eigenschaften
ändern? Man könnte natürlich eine nach der anderen betrachten, aber es wäre sicher praktischer, alles unter einen Hut bringen zu können.

Wie Sie sicher schon geahnt haben, gibt es eine solche Möglichkeit. Man kann die Gesetze von

Boyle, Charles und Gay-Lussac in eine Gleichung packen. Sie wollen sicher nicht, dass ich

Ihnen im Einzelnen zeige, wie man das macht. Vertrauen Sie mir einfach. Am Ende kommt
das heraus, was man das kombinierte Gasgesetz nennt. Und so sieht es aus:

PIV/Tl = P2Vz!T2

Wie schon bei den vorangegangenen Beispielen steht P für den Druck (in atm, mm Hg, Torr
und so weiter), V für das Volumen des Gases (in geeigneten Einheiten) und T für die Temperatur

(in Kelvin). Die Ziffern 1 und 2 stehen für die Anfangswerte beziehungsweise die veränderten

Werte der jeweiligen Eigenschaften. Konstant bleibt allerdings die Masse: Es kommt kein Gas
hinzu und es entweicht auch nichts. Insgesamt sind sechs Werte an diesem kombinierten

Gasgesetz beteiligt. Wenn man fünf davon kennt, kann man den sechsten berechnen.

Ein Beispiel: Stellen wir uns vor, ein Wetterballon mit einem Volumen von 25,0 Litern, einem

Druck von 1,0 atm und einer Temperatur von 27° Celsius steigt in eine Höhe, in der der Druck

0,500 atm und die Temperatur -33° Celsius beträgt. Wie groß ist unter diesen Umständen das

Volumen des Ballons?

Bevor ich Ihnen zeige, wie man das Volumen berechnet, lassen Sie uns kurz nachdenken. Die

Temperatur fällt, also sollte auch das Volumen kleiner werden (Charles' Gesetz). Andererseits
fällt auch der Druck, was den Ballon dazu bewegen sollte, sich auszudehnen (Boyles Gesetz).

Diese beiden Faktoren wirken gegeneinander, und an diesem Punkt wissen wir noch nicht,
welcher sich durchsetzen wird.

Gesucht ist das neue Volumen (V2), also formen wir das kombinierte Gasgesetz so um (indem
wir beide Seiten mit T2 multiplizieren und durch P2 dividieren und so V2 automatisch auf einer

Seite isolieren), dass wir die folgende Gleichung erhalten:

(P1V1T2)1(P2T1) = V2

Als Nächstes versammeln wir unsere Werte:

P1 = 1,00 atm; V1 = 25,0 Liter; T1 = 27° C + 273 = 300 K

P2 = 0,500 atm; T2 = -33° C + 273 = 240 K

---• 227 -

---• Chemie für Dummies

Diese Werte setzen wir nun in die Gleichung ein und berechnen das Ergebnis:

[(1,00 atm) (25,0 Liter)(240 K)]/[(0,500 atm) (300 K)] == V2 == 40,0 Liter

Da das Volumen sich letztlich vergrößert hat, kann man sagen, dass hier Boyles Gesetz eine
größere Wirkung hatte als Charles' Gesetz.

Aflo9adros Gesetz

Die Gleichung des kombinierten Gasgesetzes erlaubt die Berechnung von Veränderungen bezüglich der Werte für den Druck, das Volumen und die Temperatur. Bleibt noch das Problem mit der Masse. Um hier weiterzukommen, brauchen wir noch ein weiteres Gesetz.

Amedeo Avogadro (derselbe Avogadro, der uns in Kapitel 10 schon mit der Anzahl der Gaspartikel per Mol beglückt hat) entdeckte bei seinen wissenschaftlichen Untersuchungen, dass gleiche Gasvolumina bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl von

Gaspartikeln aufweisen. Avogadros Gesetz besagt also, dass das Volumen eines Gases bei konstanter Temperatur und konstantem Druck proportional zur Mol-Anzahl des Gases (Anzahl der Gaspartikel) ist. Mathematisch formuliert sieht das so aus:

V == kn (bei konstanter Temperatur und konstantem Druck)

In dieser Gleichung ist k eine Konstante und n die Anzahl der Gasmole. Wenn man eine bestimmte Anzahl von Gasmolen (n1) und ein bestimmtes Volumen (V1) hat und die Mol-Anzahl sich infolge einer Reaktion verändert (n2), ändert sich auch das Volumen (V2), so dass die
folgende Gleichung entsteht:

V/n1 == Vzln2

Ich erspare mir (und Ihnen) an dieser Stelle ein praktisches Beispiel, weil es sich um dasselbe

Prinzip handelt wie bei den anderen hier vorgestellten Gasgesetzen.

Von großem Nutzen ist Avogadros Gesetz, wenn man das Volumen eines Gasmols
bei beliebigen Temperatur- und Druckwerten berechnen will. Wenn man das Volumen eines Mols Gas berechnen will, ist es wichtig zu wissen, dass ein Mol eines beliebigen Gases bei STP (Standardtemperatur und Standarddruck) ein Volumen
von 22,4 Litern einnimmt.

V Standarddruck: 1,00 atm (760 Torr oder mm Hg)

v Standardtemperatur: 273 K

Mit Hilfe dieser Beziehung zwischen Gasmolen und Litern kann man jedes Gas von einer Masse
in ein Volumen umrechnen. Wenn man beispielsweise 50,0 Gramm gasförmigen Sauerstoff
hat und dessen Volumen bei STP ermitteln will, kann man folgendermaßen vorgehen (die

Grundlagen über die Verwendung von Molen in chemischen Gleichungen erfahren Sie in den

Kapiteln 10 und 1 1):

1 mol l'% 22,4 L

5
x

== 3 , 0 L

1

32, 0 §:

1 mal CJ..s.

228 ---

13 >- Die wunderbare Weft der Gase ---

Wir wissen nun, dass die 50,0 Gramm Sauerstoff bei STP ein Volumen von 35,0 Litern haben.

Was aber, wenn diese Standardbedingungen nicht gegeben sind? Wie ist das Volumen von

50,0 Gramm Sauerstoff bei 2,00 atm und 27° Celsius? Im nächsten Abschnitt zeige ich Ihnen,
wie man dieses Problem ganz leicht lösen kann. Aber hier und jetzt kann man mit Hilfe des
kombinierten Gasgesetzes zum Ziel kommen, weil das Volumen bei STP bekannt ist:

P1V/T1 = P2V/T2

P1 = 1,00 atm; V1 = 35,0 Liter; T1 = 273 K

P2 = 2,00 atm; T2 = 300 K (27° C + 273)

Wenn man nun nach V2 auflöst, kommt folgende Rechnung dabei heraus:

[PlVlTz]I[PzTI] = Vz

[(1,00 atm) (35,0 Liter)(300 K)]/[(2,00 atm) (273 K)] = V2 = 19,2 Liter

Die GleichuntJ des »Idealen Gastjesetzes«

Wirft man die Gesetze von Boyle, Charles, Gay-Lussac und Avogadro in einen Mixer, lässt ihn
eine Minute lang auf höchster Stufe laufen und sieht sich das Ergebnis an, findet man die

Gleichung des »Idealen Gasgesetzes« vor - eine Möglichkeit, Volumen, Temperatur, Druck und

Masse gleichermaßen zu berücksichtigen. Die Gleichung sieht folgendermaßen aus:

PV = nRT

P steht für Druck in Atmosphären (atm), V für Volumen in Liter (L), n für die Mole des Gases,

T für die Temperatur in Kelvin (K) und das R für die ideale Gas-Konstante, die 0,0821 L·atrn/

Kmol beträgt.

Wenn man den Wert der ideale Gas-Konstante verwendet, müssen der Druck in atm und das

Volumen in Liter angegeben werden. Wer mit anderen Maßeinheiten arbeiten möchte, kann
entsprechende andere ideale Gas-Konstanten errechnen. Aber warum sollte man sich dieser

Mühe unterziehen, wenn es auch anders geht? Es ist doch einfacher, sich einen Wert für R zu
merken und dann daran zu denken, dass man für den Druck und das Volumen die richtigen Einheiten nimmt. Und natürlich ist es Ihnen mittlerweile in Fleisch und Blut übergegangen, dass man bei allem, was mit Gasgesetzen zu tun hat, die Temperatur immer in Kelvin ausdrückt.

Da das nun klar ist, möchte ich Ihnen jetzt darlegen, wie man auf einfache Weise aus der Masse
eines Gases sein Volumen errechnet, wenn das Gas nicht den STP unterliegt. Welches Volumen
haben also 50,0 Gramm Sauerstoff bei einem Druck von 2,00 atm und einer Temperatur von

27° Celsius?

Zunächst einmal müssen wir die 50,0 Gramm Sauerstoff in Mol umrechnen. Dazu nutzen wir
die molare Masse von 02•

(50,0 Gramm) (l mol/32,0 Gramm) = 1,562 mol

---· 229 -

---• Chemie für Dummies

Jetzt nehmen wir uns die Gleichung des Idealen Gasgesetzes vor und bauen sie so um, dass
wir nach V auflösen können:

PV = nRT

V = nRT/P

Abschließend müssen wir nur noch die konkreten Werte einsetzen und rechnen:

V = [(1,562 mol) (0,0821 L atm/Kmol) (300 K)]/2,00 atm = 19,2 L

Gas9esetze und Stöchiometrie

Die Gleichung des Idealen Gasgesetzes (und auch die des kombinierten Gasgesetzes) erlaubt
es Chemikern, Probleme der Stöchiometrie im Zusammenhang mit Gasen zu lösen. (Den

Schlüssel zur Welt der Stöchiometrie liefert Ihnen Kapitel 10.) In diesem Abschnitt werden Sie
anhand eines klassischen chemischen Experimentes sehen, wie man an ein solches Problem
herangeht. Es geht um den Zerfall von Kaliumchlorat in Kaliumchlorid und Sauerstoff beim

Erhitzen:

2 KC103(s) � 2 KCl(s) + 3 02(g)

Ihre Mission, sollten Sie sie übernehmen, ist die folgende: Berechnen Sie das Volumen des

Sauerstoffs, der beim Zerfall von 25,0 Gramm KC103 bei einem Druck von 700 Torr und einer

Temperatur von 27° Celsius freigesetzt wird. (Sollte bei der Berechnung etwas schief gehen
und Sie gefasst werden, streite ich jede Kenntnis in dieser Sache ab.)

Zunächst müssen Sie die Anzahl der Sauerstoff-Mole berechnen, die freigesetzt werden:

Anzahl der Sauerstoffatome in

Zahl der Sauerstoffatome im Molekül

25 g

3
x -

2 = 0, 3059 mal 02

122, 568g!mol

Als Nächstes rechnen Sie die Temperatur in Kelvin und den Druck in atm um:

27° C + 273°C = 300 K

700 Torr/760 Torr/atm = 0,92 1 1 atm

Jetzt können Sie alles in die Gleichung des Idealen Gasgesetzes einsetzen und das Volumen
ausrechnen:

PV = nRT

V = nRT/P

V = [ (0,3059 mol) (0,082 1 L·atm/Kmol) (300 K)]/0,921 1 atm = 8,18 L

Mission erfolgreich beendet.

- 230 ----

13 � Die wunderbare Weft der Gase ---

Die Gesetze tlon Da/ton und Graham

In diesem Abschnitt möchte ich Ihnen noch ein paar andere nützliche Gasgesetze vorstellen.

Eines bezieht sich auf Partialdrücke und das andere auf die Effusion und Diffusion von Gasen.

Da/tons Gesetz

Daltons Gesetz der Partialdrücke besagt, dass der Gesamtdruck eines Gasgemischs gleich der

Summe aller Partialdrücke der einzelnen Komponenten des Gemischs ist.

Wenn Sie ein Gemisch verschiedener Gase haben - Gas A, Gas B, Gas C und so weiter -, dann
können Sie einfach den jeweiligen Druck der einzelnen Gase addieren und kennen damit den

Druck des Gemischs. Mathematisch kann man das so ausdrücken:

p Total = p A + p B + p C + ...

Bei der Lösung stöchiometrischer Probleme, wie dem im vorangegangenen Abschnitt, wo
es um den Zerfall von Kaliumchlorat ging, wird der Sauerstoff in der Regel über Wasser aufgefangen und das Volumen dann gemessen. Auf dem Weg durch das Wasser lagert sich jedoch Wasserdampf an den Gasbläschen an. Um den Druck des Sauerstoffs zu messen, muss also der
durch den Wasserdampf erzeugte Druck abgezogen werden. Man muss das Gas gewissermaßen
mathematisch »trocknen«.

Nehmen wir einmal an, dass der Sauerstoff über Wasser bei einem Gesamtdruck von 755 Torr
und einer Temperatur von zoo Celsius aufgefangen wird. Und nehmen wir weiter an, Sie hätten
das Glück, den Druck dieses Sauerstoffs berechnen zu dürfen.

Bekannt ist der Gesamtdruck von 755 Torr. Der erste Schritt besteht also darin, in einer Tabelle
nachzusehen, die den Wasserdampfdruck des Wassers bei bestimmten Temperaturen angibt.

Ein Blick auf eine solche Tabelle zeigt, dass der Partialdruck von Wasser bei zoo Celsius

17,5 Torr beträgt. Mit diesem Wert können Sie nun den Druck des Sauerstoffs berechnen.

p Total = p Sauerstoff + p Wasserdampf

755 Torr = P Sauerstoff + 17,5 Torr

P Sauerstoff = 755 Torr - 17,5 Torr = 737,5 Torr

Die Kenntnis des Partialdruckes von Gasen ist zum Beispiel beim Tiefseetauchen und im Umgang mit Beatmungsgeräten von erheblicher Bedeutung.

Grahams Gesetz

Lassen Sie ein paar Tropfen Parfüm auf einen Tisch in einer Ecke eines Raumes fallen und es
dauert nicht lange, bis man den Duft am anderen Ende des Raumes riechen kann. Was da passiert,
nennt man Diffusion, die Vermischung von Gasen aufgrund ihrer molekularen Bewegung.

Gibt man dagegen ein paar Tropfen desselben Parfüms in einen normalen Luftballon und bläst
diesen dann auf, kann man das Parfüm bald auch außerhalb des Ballons riechen, weil es die mi-

==== 23 1 -

---• Chemie für Dummies
kroskopisch kleinen Poren des Gummis durchdringt. Diesen Vorgang nennt man Effusion, das

Entweichen von Gas durch winzige Öffnungen. Sie haben diesen Prozess vielleicht schon einmal mitverfolgt, wenn Sie einen mit Helium gefüllten Ballon geschenkt bekommen haben.

Thomas Graham entdeckte, dass die Diffusions- und Effusionsrate von Gasen sich umgekehrt
proportional zur Quadratwurzel ihres Mol- oder Atomgewichts verhält. Das ist Grahams Gesetz.

Auf eine allgemeine Formel gebracht, besagt es, dass leichte Gase schneller entweichen oder
sich im Raum verteilen als schwere Gase. Mathematisch sieht Grahams Gesetz so aus:

Wenn man zwei Luftballons der gleichen Größe jeweils mit Wasserstoff (H2) und mit Sauerstoff

(02) füllt, wird der Wasserstoff, da er leichter ist, schneller aus dem Ballon entweichen. Aber
wie viel schneller? Mit Hilfe von Grahams Gesetz kann man das ausrechnen:

VH, =

Vo2

MH2

VH,
g/mol

V02

2, 0 glmol

VH, = M
vo2

VH, = 4

Vo2

Der Wasserstoff entweicht also vier Mal schneller aus dem Ballon als der Sauerstoff.

232 ---

Teil J(/

Chemie im AlltafJ:

Nutzen und Probleme

The 5th Wave

By Rich Tennant
ln der SiniJie·Bar für echte Chemiker

ln diesem Teil . . .

Chemie findet nicht nur in den Labors der Universitäten oder
der Industrie statt und ist keinesfalls nur den Profis vorbehalten.

Auch Sie haben die Finger in der Chemie. Chemie ist ein Teil
unseres Alltagslebens.

Die Chemie nutzt uns aber nicht nur in vielfältiger Weise, sie
stellt uns mitunter auch vor große Probleme. Unsere moderne

Gesellschaft ist komplex. Viele Probleme, denen wir gegenüberstehen, verspricht die Chemie zu lösen, indem sie uns das Leben erleichtert und mit Sinn erfüllt.

In den Kapiteln dieses Teils führe ich Sie durch einige Anwendungsbereiche der Chemie. Zunächst geht es um die Kohlenstoffchemie, was sie mit dem Erdöl zu tun hat und wie man mit ihrer Hilfe Benzin herstellt. Danach zeige ich Ihnen, wie man
aus dem selben Erdöl Kunststoffe und synthetische Fasern
zaubert. Ein kurzer Abstecher zu Ihnen nach Hause wird Ihnen
näher bringen, welche chemischen Zusammenhänge sich hinter den Reinigern und Waschmitteln, Medikamenten und Kosmetika in Ihren Schränken verbergen. Und schließlich möchte ich auf einige Probleme aufmerksam machen, die unsere Gesellschaft, unsere Technologie und unsere Wissenschaft mit sich gebracht haben, nämlich die Versehrnutzung von Wasser
und Luft

Kohlenstoff: OrtJanische Chemie

Jn diesem Kapitel

Die Kohlenwasserstoffe unter die Lupe nehmen

Herausfinden, wie die Kohlenwasserstoffe zu ihren Namen
kommen

Sich einen Überblick über die verschiedenen funktionellen

Gruppen verschaffen

Etwas über den Stellenwert der organischen Chemie in der

Gesellschaft erfahren

D er nigrößte
sche
und am

Chemie
breitesten
oder auch
systematisch
die Kohlenstoff aufgefächerte

-Chemie. Von Bereich
den 1 1 der
bis 12 Chemie ist

Millionen die orgabekannten
chemischen Verbindungen gehören etwa 90 Prozent zu den organischen Verbindungen. Wir
verbrennen organische Verbindungen als Brennstoffe. Wir essen organische Verbindungen.

Wir tragen organische Verbindungen am Körper. Wir bestehen selbst aus organischen Verbindungen. Unsere ganze Welt ist aus organischen Verbindungen aufgebaut.

In diesem Kapitel möchte ich Sie kurz in die organische Chemie einführen. Ich zeige Ihnen die

Kohlenwasserstoffe, Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff, sowie einige andere organische Stoffklassen und gehe auf ihre Verwendung im Alltagsleben ein. Dieses Kapitel wird Ihnen einen Eindruck davon vermitteln, welche Bedeutung der Kohlenstoff für die Chemie ha.

OrtJanische Sljnthese: Wo affes anfintJ

In den Anfängen der Chemie herrschte die Ansicht vor, dass organische Verbindungen
nur von lebenden Organismen gebildet werden könnten. Man glaubte, dass die »Kraft des

Lebendigen« irgendwie beteiligt sein müsste. Im Jahre 1828 jedoch revolutionierte der
deutsche Wissenschaftler Friedrich Wöhler die Chemie, als er bei einem Versuch, eine anorganische Verbindung herzustellen, zufällig eine organische Verbindung schuf, und zwar Harnstoff. Damit stand die Tür zur modernen organischen Synthese plötzlich offen.

Kohlenwasserstoffe: Vom Einfachen zum Komplexen

Es liegt nahe zu fragen, warum es so viele Kohlenwasserstoffe gibt. Und in der Tat wird mir
diese Frage von Studenten oft gestellt. Die Antwort lautet: Kohlenstoff hat vier Valenzelektronen und kann deshalb vier kovalente Bindungen mit anderen Kohlenwasserstoffen oder Elementen eingehen. ( Chemiestudenten machen bei der organischen Chemie oft den Fehler, beim Zeichnen von Strukturformeln nicht alle vier Bindungen des Kohlenstoffs zu berücksichtigen.)

--==- 235 -

---· Chemie für Dummies

Diese Bindungen sind sehr stark. (Mehr über kovalente Bindungen erfahren Sie in Kapitel 7.)

Darüber hinaus können sich Kohlenstoff-Atome untereinander zu langen Ketten und Ringen
verbinden. Kohlenstoff kann Doppel- und Dreifachbindungen mit anderen Kohlenstoffen und

Elementen eingehen. Das kann, vielleicht abgesehen von Silicium, kein anderes Element.

(Wobei die Bindungen beim Silicium längst nicht so stabil sind wie beim Kohlenstoff.) Aufgrund dieser Eigenschaften kann Kohlenstoff die vielfältigen Verbindungen bilden, die notwendig sind, um eine Amöbe, einen Schmetterling oder ein Baby entstehen zu lassen.

Die einfachsten organischen Verbindungen nennt man Kohlenwasserstoffe. Sie setzen sich aus

Kohlenstoff und Wasserstoff zusammen. Aus ökonomischer Sicht sind die Kohlenwasserstoffe
sehr wichtig für uns, hauptsächlich als Brennstoffe. Benzin etwa ist eine Mischung von Kohlenwasserstoffen. Wir nutzen Methan (Erdgas), Propan und Butan, sämtlich Kohlenwasserstoffe, weil sie brennbar sind und große Mengen Energie freisetzen. Kohlenwasserstoffe können
einfache Bindungen eingehen (Alkane), aber auch doppelte (Alkene) und dreifache (Alkine).

Darüber hinaus können Sie unter Verwendung von einfachen und doppelten Bindungen ringförmige Strukturen bilden (Cycloalkane, Cycloalkene und Aromaten).

Selbst die Verbindungen, an denen nur Kohlenstoff und Wasserstoff beteiligt sind, sind sehr
vielfältiger Natur. Da kann man sich unschwer vorstellen, was alles möglich ist, wenn man
noch ein paar Elemente mehr mit hinzunimmt.

Vqm GastJritl zum Titjer im Tank: Alkane

Die einfachste Ausführung der Kohlenwasserstoffe sind die Alkane. Man nennt Alkane gesättigte Kohlenwasserstoffe - jedes Kohlenstoff-Atom ist mit vier anderen Atomen verbunden.

Kohlenstoff kann maximal vier kovalente Bindungen eingehen. Wenn diese vier kovalenten

Bindungen zu verschiedenen Atomen bestehen, sagt der Chemiker, dass der Kohlenstoff gesättigt ist. Alkane weisen keine Doppel- oder Dreifachbindungen auf.

Die allgemeine Formel für Alkane lautet CnH2n+2, wobei n eine ganze Zahl ist. Ist n = 1, dann
sind vier Wasserstoffatome vorhanden und das Ergebnis ist Methan oder CH4•

Tabelle 14.1 listet die ersten zehn normalen, gerade verketteten oder unverzweigten Alkane
auf. Die tatsächliche Gestalt dieser Alkane ist jedoch keineswegs gerade. Dennoch stelle ich
sie in Zeichnungen oft in einer geraden Linie dar. (Streng genommen haben die Bindungen
zwischen zwei C-Atomen jeweils einen Winkel von 109,5°, so dass sich eine Tetraederstruktur

(eine Art räumliche Zickzackanordnung) ergibt. Mehr über das, was man molekulare Geometrie
nennt, erfahren Sie in Kapitel 7.) Jedes Kohlenstoff-Atom, außer denen in den Endpositionen,
ist mit zwei weiteren Kohlenstoff-Atomen verbunden. Abbildung 14.1 zeigt Modelle der ersten
vier in der Tabelle aufgelisteten Alkane.

n

Formel

Name

1

CH4

Methan

2

C2H6

Ethan

3

C3Hs

Propan

- 236

1 4 >- Kohlenstoff: Or9anische Chemie ---
n

Formel

Name

4

C4H1o

Butan

5

CsH12

Pentan

6

C6Hl4

Hexan

7

C7Hl6

Heptan

8

CsH1s

Oktan

9

C9H2o

Nonan

10

C10H22

Dekan

Tabelle 14.1: Die zehn ersten normalen Alkane (Cjf 2n+)

Methan

Ethan

Propan

Butan

Abbildung 14.1: Die ersten vier Alkane

Summen- und Strukturformeln

Tabelle 14.1 zeigt die Summenformeln einiger Alkane. Eine solche Summenformel zeigt, welche

Atome an der Verbindung beteiligt sind und wie ihr Zahlenverhältnis aussieht. Die Alkane in
der Tabelle sind alle normale oder unverzweigte Kohlenwasserstoffe, aber dieses Verbindungsschema kann man besser mit einer Strukturformel darstellen. Eine Strukturformel zeigt, welche und wie viele Atome an einer Verbindung beteiligt sind und wie das Verbindungsschema aussieht oder »wer mit wem verbunden ist«.

Eine solche Strukturformel kann unterschiedlich aussehen. Da gibt es ausführliche Strukturformeln, die jede kovalente Bindung mit einem Strich darstellen. Bei organischen Verbindungen wie den Kohlenwasserstoffen kann man dabei auf die Abbildung der Wasserstoff-Atome verzichten, sofern man nur an der Darstellung der Verbindung der Kohlenstoff-Atome interessiert ist. Es gibt aber auch verdichtete Strukturformeln, die die Teile eines Moleküls gruppieren und dennoch das Verbindungsschema anzeigen. Solche verdichteten Darstellungen gibt es in
unterschiedlichen Ausführungen. Abbildung 14.2 zeigt mehrere ausführliche und verdichtete

Strukturformeln von Butan (C4H10).

---· 23 7 -

---• Chemie für Dummies

H H H H

H - C - C - C - C - H

- c - c - c - c -

I

I

I

I

1

I

I

H H H H
ausführlich
verdichtet
ausführlich
verdichtet
verdichtet

Abbildung 14.2: Strukturformeln von Butan

Das Kind muss einen Namen haben: ßenennunl)sprobleme

Es kommt vor, dass zwei an sich völlig verschiedene Verbindungen mit ebenso verschiedenen

Eigenschaften die gleiche molekulare Struktur haben. Die Unterschiede bestehen einzig in
der Verbindungsstruktur - also wer mit wem verbunden ist. Solche Verbindungen nennt man

Isomere, Verbindungen mit gleichen Summen-, aber verschiedenen Strukturformeln. Wenn
man sie unterscheiden will, reicht die Kenntnis der Summenformel allein nicht aus.

Ein Isomer von Butan etwa hat die gleiche Summenformel wie die unverzweigte Verbindung
in Abbildung 14.2, C4Hw aber eine ganz andere Verbindungsstruktur. Dieses Isomer wird im

Allgemeinen Isobutan genannt und gehört zu den so genannten verzweigten Kohlenwasserstoffen. Abbildung 14.3 zeigt Isobutan in verschiedenen Darstellungen.

H

H

H

H - C
c

C - H

I

H H - C - H H

I

H

Abbildung 14.3: Isobutan

Wie macht man nun deutlich, welches Butan man meint, wenn man die Summenformel C4H10
verwendet? Man verwendet einen eindeutigen Namen, der genau die gemeinte Verbindung
bezeichnet. Die gerade verkettete Verbindung etwa nennt man Butan oder Normal-Butan oder,
noch besser, n-Butan. Das n macht für einen Chemiker unmissverständlich deutlich, dass es
sich um das unverzweigte Isomer handelt.

Was ist aber mit dem anderen Isomer, dem Isobutan? Man kann den Namen Isobutan verwenden, aber er wird nicht überall anerkannt. Es ist aber unabdingbar, dass alle Chemiker weltweit 238 ---

1 4 > Kohlenstoff: OrtJtmische Chemie ---
sich über die Verwendung eines Namens einig sind, damit eine weltweite wissenschaftliche

Kommunikation möglich ist.

Es gibt zu diesem Zweck eine internationale Vereinigung von Chemikern, die unter anderem
auch Regeln für die Benennung von organischen Verbindungen aufstellt. Diese Vereinigung
heißt IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry - Internationale Union für
reine und angewandte Chemie) und wurde 1919 gegründet. Die Chemiker dort haben sehr
systematisch begründete Regeln für die Benennung von Verbindungen entwickelt und treffen
sich regelmäßig, um zu entscheiden, wie neu entdeckte natürliche oder synthetische Verbindungen benannt werden sollen.

Wollte ich Ihnen die Regeln für die Benennung der verschiedenen Klassen organischer Verbindungen näher bringen, würde das sicher ein ganzes Buch füllen - IUPAC-Nomenklatur für Dummies. Ich beschränke mich daher lieber auf die Regeln für die Benennung von Alkanen

(das kann schon kompliziert genug sein):

V Regel 1: Finden Sie die längste zusammenhängende Kohlenstoffkette des Alkans (die
längste bedeutet die größte Anzahl von Kohlenstoff-Atomen und zusammenhängend bedeutet, dass Sie an einem Ende anfangen und die Kohlenstoff-Atome mit einem Bleistiftstrich verbinden, ohne den Stift abzusetzen oder wieder in Gegenrichtung zu malen). Der unverzweigte Kohlenwasserstoff mit den meisten Kohlenstoff-Atomen stellt den Grundoder Stammnamen des Alkans zur Verfügung. Dieser Name endet mit dem Suffix an.

V Regel 2: Der Stammname wird nun durch die Namen der Substituenten modifiziert, die
als Verzweigungen an der Hauptverbindung hängen. Substituenten sind die Gruppen, die
anstelle der Wasserstoff-Atome mit dem Hauptalkan verbunden sind. Bei den Alkanen handelt es sich bei diesen Substituenten um Alkanverzweigungen, die sich an das Hauptalkan anhängen. Ihr Name ergibt sich, wenn man das Suffix an des Namens des Hauptalkans
durch das Suffix yl ersetzt. Aus Methan wird beispielsweise Methyl, aus Ethan Ethyl und
so weiter.

V Regel 3: Die Position des jeweiligen Substituenten an der Hauptkohlenstoffkette wird
durch Zahlen indiziert. Dazu werden die Kohlenstoff-Atome der Hauptkohlenstoffkette
so durchnummeriert, dass die Substituenten tragenden Atome möglichst niedrige Ziffern
erhalten. (Wenn Sie damit nichts anfangen können - und ich sehe schon den Qualm aus

Ihren Ohren steigen - sehen Sie sich den Abschnitt Wie heißt es denn, das Kleine? an. Die

Beispiele dort machen das Ganze anschaulich klar.) Die Zahl des Kohlenstoff-Atoms, mit
dem ein Substituent verbunden ist, wird dem Namen dieser Gruppe, durch einen Bindestrich getrennt, vorangestellt.

V Regel 4: Die Namen der Substituenten werden dem Namen des Hauptalkans in alphabetischer Reihenfolge vorangestellt. Bei mehreren gleich langen Substituenten wird deren Anzahl durch die Verwendung griechischer Zahlwörter, etwa di ... , tri ... , tetra ... , penta ... , angegeben. Diese Präfixe sind bei der Ermittlung der alphabetischen Reihenfolge neutral.

V Regel 5: Die letzte substituierende Alkylgruppe wird dem Hauptnamen als Präfix vorangestellt.

--- 239 -

---· Chemie für Dummies

Wie heißt es denn1 das Kleine?

Okay. Jetzt würden Sie das Buch sicher gerne an jemanden weiterverschenken, den Sie nicht
leiden können, oder? Ich weiß, die Benennungsregeln für Alkane klingen irgendwie abstrus,
aber eigentlich ist es viel einfacher, als es sich anhört. Sie werden es vielleicht nicht glauben,
aber für die meisten meiner Studenten gehört das Finden der Namen für organische Verbindungen zu den Aufgaben der organischen Chemie mit dem größten Spaßfaktor.

Um Ihnen zu zeigen, wie einfach es eigentlich ist, werde ich mit Ihnen zusammen den Namen
für die in Abbildung 14.4 dargestellte Verbindung suchen (und dabei auf die jeweils angewendete Regel verweisen).

C Hr CHz - CH - CH2 - CH - C H3

I

I

-------- Hexan

CH2 - CH - CH2 - CH -

CH2

CH3 �

Ethylgruppe -+- 1

M ethylgruppe

C H3

4-Ethyl-2-methylhexan

Abbildung 14.4: Die Benennung eines Alkans

Wenn wir uns die verdichtete Strukturformel ansehen, stellen wir fest, dass die längste Kohlenstoffkette aus sechs Kohlenstoff-Atomen besteht. Es gibt eigentlich drei verschiedene Ketten mit sechs Kohlenstoff-Atomen (aus denen sich letztlich derselbe Name ergibt), aber fangen Sie
mit der horizontal verlaufenden an. Die Kette besteht aus sechs Kohlenstoff-Atomen, also ist
der Stammname Hexan (Regel 1). Es gibt weiterhin zwei Substituenten, einen mit zwei Kohlenstoff-Atomen (Ethyl) und einen mit einem Kohlenstoff-Atom (Methyl) (Regel 2). Nummerieren Sie die Hauptkette von rechts nach links, so dass die Alkylgruppen an den Kohlenstoff-Atomen

2 und 4 sitzen (ergibt die Summe 6). Jetzt nummerieren Sie die Hauptkette von links nach
rechts, so dass die Alkylgruppen an den Kohlenstoff-Atomen 3 und 5 sitzen (ergibt die Summe

8). Vergleichen Sie die beiden Summen und entscheiden Sie sich für die kleinere. Es liegen
also ein 4-Ethyl und ein 2-Methyl vor (Regel 3). Wenn Sie die Substituenten nun alphabetisch
ordnen und die letzte Alkylgruppe dem Namen des Hauptalkans als Präfix voranstellen, ergibt
sich der Name 4-Ethyl-2-methylhexan (Regeln 4 und 5).

Alles klar?

Jetzt versuchen Sie es mal alleine: Benennen Sie das in Abbildung 14.5 gezeigte Alkan.

- 240 ----

1 4 >- Kohlenstoff: Organische Chemie ---

CH3

I

CH2

CH3

I

I

CH3 - CH2 - CH2- C - CH2 - C - CH2 - CH3

I

I

CH3

�Methyl

5-Ethyl-3,3-dimethyl-5-propyloktan

Abbildung 14.5: Benennung eines weiteren Alkans

Die längste Kohlenstoffkette hat acht Kohlenstoff-Atome. Der Hauptname ist also Oktan.

Darüber hinaus gibt es zwei Methylgruppen (Dimethyl), eine Ethylgruppe und eine Propylgruppe. Auch hier müssen Sie von rechts nach links (3+3+5+5=16) anstatt von links nach rechts (4+4+6+6=20) nummerieren, woraus sich 3,3-Dimethyl- (wie Sie sich vielleicht erinnern, muss man bei identischen Substituenten die Anzahl aller Kohlenstoff-Atome, mit denen diese Gruppen verbunden sind, durch Kommata voneinander getrennt angeben), 5-Ethylund 5-Propyl-Gruppen ergeben. Das Ganze wird jetzt noch alphabetisch sortiert (nicht vergessen, dass das Di- von Dirnethyl alphabetisch neutral behandelt wird) und fertig ist der Name: 5-Ethyl-3,3-dimethyl-5-propyloktan.

Das war doch gar nicht so schwer, wie Sie gedacht hatten, oder?

Man kann sich leicht vorstellen, dass es bei zunehmender Anzahl der Kohlenstoff-Atome
auch immer mehr Möglichkeiten der Bildung von Isomeren gibt. Bei einem Alkan mit der

Summenformel C20H42 sind immerhin über 300000 Isomere denkbar, bei C40H82 sogar rund

62 Milliarden!

---· 24 1 -

---• Chemie für Dummies

RintJe ohne Herr: Cucloalkane

Alkane können auch Ringsysteme bilden, die so genannten Cycloalkane. Bei der Benennung
geht man hier ähnlich vor wie bei den verzweigten Alkanen, nur dass man dem Stammnamen
das Präfix cyclo ... voranstellt. In der verdichteten Strukturformel wird ein Ring oft durch Linien
dargestellt, deren Schnittpunkte ein Kohlenstoff-Atom markieren, wobei man die Wasserstoff

Atome gar nicht erst einzeichnet. Abbildung 14.6 zeigt sowohl die verdichtete als auch die
ausführliche Strukturformel von 1,3-Dimethyl-cyclohexan.

Abbildung 14.6: 1,3-Dimethyl-cyclohexan

Unverzweigte Alkane und einige der Cycloalkane werden hauptsächlich als Brennstoffe verwendet. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und ist, wie die meisten Kohlenwasserstoffe, geruchlos. Die Gasversarger geben deshalb dem Gas eine nach faulen Eiern stinkende schwefelhaltige organische Verbindung bei, Merkaptan genannt, damit man auf eventuelle

Lecks in den Gasleitungen eher aufmerksam wird. Butan wird in Feuerzeugen gezündelt und

Propan in Gasgrills verbraten. Einige schwerere Kohlenwasserstoffe findet man in Erdöl. Die

Hauptreaktion der Alkane ist die Verbrennung.

Hallo� halotJenierte Kohlenwasserstoffe

Verwandt mit den Alkanen ist die Klasse der halogenierten Kohlenwasserstoffe. Dabei handelt
es sich um Kohlenwasserstoffe, darunter auch Alkane, bei denen ein oder mehrere Wasserstoff

Atome durch Halogene ersetzt werden - in der Regel Chlor oder Brom. Halogensubstituenten
sind an Präfixen wie Chlor ... , Brom ... und so weiter zu erkennen. Zu den Verbindungen dieser Klasse gehört etwa das Chloroform, das früher für die Anästhesie verwendet wurde, der Tetrachlorkohlenstoff, der früher als schnell trocknendes Lösungsmittel verwendet wurde,
und das Freon (Fluorchlorkohlenwasserstoffe, FCKW), das maßgeblich zur Zerstörung der

Ozonschicht beigetragen hat. Mehr über den Zusammenhang von FCKW und Ozon erfahren

Sie in Kapitel lS.

242 ---

1 11 >- Kohlenstoff: OrtJanische Chemie ---

UntJesättit}te Kohlenwasserstoffe: Alkene

Alkene sind Kohlenwasserstoffe, die wenigstens eine Doppelbindung zwischen zwei Kohlenstoff

Atomen eingehen (C=C). Alkene mit nur einer solchen Doppelbindung haben die allgemeine

Formel C0H20• Für jede weitere Doppelbindung muss man zwei Wasserstoff-Atome abziehen.

Verbindungen dieser Art nennt man ungesättigte Kohlenwasserstoffe, weil sich die Kohlenstoff-Atome nicht mit der höchstmöglichen Anzahl von Wasserstoff-Atomen verbinden. (Sicher haben Sie die Begriffegesättigt und ungesättigt schon im Zusammenhang mit Fetten und Ölen
gehört, wenn es um gesunde Ernährung geht. In unserem Zusammenhang ist die Bedeutung
im Prinzip dieselbe - gesättigte Fette und Öle haben keine Doppelbindungen zwischen Kohlenstoff-Atomen, während diese bei ungesättigten Fetten auftreten. Mehrfach ungesättigte Fette und Öle weisen dabei mehr als eine solche Kohlenstoff-Doppelbindung pro Molekül auf.)

Ihr Nameß bitte

Die Stammnamen der Alkene enden mit dem Suffix en. Man sucht auch hier die längste

Kohlenstoffkette mit einer Doppelbindung und nummeriert sie so, dass die Atome mit der

Doppelbindung eine möglichst niedrige Nummer haben.

H H" /H

C = C

H /

" H

Abbildung 14. 7: Ethen

Ethen (H2C=CH2 oder CH2=CH2) und Propen (CH3CH=CH2) sind die ersten beiden Mitglieder
der Alkenfamilie. Sie werden oft auch mit ihren umgangssprachlichen Namen, Ethylen und

Propylen, bezeichnet. Ethylen und Propylen sind zwei der wichtigsten Produkte der amerikanischen chemischen Industrie. Ethylen wird bei der Herstellung von Polyethylen (PE), einem der vielseitigsten Kunststoffe, sowie bei der Herstellung von Ethylenglykol verwendet, das
als Hauptbestandteil von Frostschutzmitteln eingesetzt wird. Propylen wird zur Herstellung
von Isopropylalkohol (Franzbranntwein und Reinigungsalkohol) und einigen Kunststoffen
verwendet. Abbildung 14.7 zeigt einige Darstellungsweisen der Summenformel von Ethen

(Ethylen).

Reaktionen der Alkene

Obwohl sich Alkene auch problemlos verbrennen lassen, ist eine Hauptreaktion doch die

Additionsreaktion. Eine Doppelbindung ist sehr reaktionsfreudig. Eine der Bindungen kann
leicht aufgebrochen werden, so dass die Kohlenstoff-Atome neue einfache Bindungen mit
anderen Atomen eingehen können. Eine der ökonomisch bedeutendsten Additionsreaktionen

--- 2113 -

---• Chemie für Dummies
ist der Prozess der Hydrierung, bei der die Doppelbindungen durch Zugabe von Wasserstoff
gesättigt werden. Die Hydrierung von Propen sieht folgendermaßen aus: CH3CH=CH2 + H2 ---7

CH3CH2CH3•

Diese Reaktion wird zum Beispiel in der Nahrungsmittelindustrie zur Härtung von ungesättigten Fetten und Ölen verwendet (etwa bei der Herstellung von Margarine aus Pflanzenölen) und setzt die Verwendung eines Nickel-Katalysators voraus.

Eine weitere wichtige Additionsreaktion der Alkene ist die Hydratation, die Addition eines Wassermoleküls an die Doppelbindung, bei der ein Alkohol gebildet wird. Die folgende Gleichung zeigt die Hydratation von Ethylen, bei der Ethylalkohol entsteht (ich stelle das Wassermolekül
hier in leicht veränderter Form dar, damit man deutlicher sehen kann, wo das -OH landet):

H2C=CH2 + H-OH ---7 H3C-CHpH

Der auf diese Weise produzierte Ethylalkohol ist mit dem in Gärungsprozessen entstehenden

Ethylalkohol zwar identisch, darf aber aus gesetzlichen Gründen nicht für den menschlichen

Konsum in alkoholhaltigen Getränken verwendet werden.

Die wichtigste Reaktion der Alkene ist jedoch zweifelsohne die Polymerisation, bei der die Ausgangsalkene miteinander reagieren und mit Hilfe der Doppelbindungen lange Ketten bilden.

Dieser Prozess wird zur Herstellung von Kunststoffen genutzt (siehe Kapitel l6).

Alkine braucht die Weft

Alkine sind Kohlenwasserstoffe, die mindestens eine Dreifachbindung zwischen Kohlenstoff

Atomen aufweisen. Man erkennt diese Verbindungen an dem Suffix in. Kohlenwasserstoffe
mit nur einer Dreifachbindung haben die allgemeine Formel C0H20.2• Das einfachste Alkin ist

Ethin, das umgangssprachlich Acetylen oder Azetylen genannt wird. Abbildung 14.8 zeigt die

Struktur von Acetylen.

H - c = c - H

Abbildung 14.8: Ethin (Acetylen)

Acetylen wird auf verschiedene Weise hergestellt. Ein Verfahren besteht darin, bei der Reaktion
von Kohle mit Kalziumoxid Kalziumkarbid (CaC2) zu gewinnen. Das Kalziumcarbid wird dann
mit Wasser zusammengebracht und bildet Acetylen. Früher machte man sich diese Reaktion
bei Grubenlampen zunutze. Man tropfte etwas Wasser auf Kalziumkarbid und das Acetylen
lieferte beim Verbrennen das nötige Licht. Heute wird der Großteil des produzierten Acetylens
für Schweißbrenner oder die Herstellung von Polymeren (Kunststoff) verwendet.

- 244 ---

1 4 > Kohlenstoff: OrtJanische Chemie ---

Aromatische VerbinduntJen:

Benzol und andere »anrüchit)e« VerbinduntJen

Aromatische Kohlenwasserstoffe sind Kohlenwasserstoffe, die ein Ringsystem in der Art eines

Cyclohexens aufweisen, das aus alternierenden Einfach- und Doppelbindungen besteht. Die
einfachste aromatische Verbindung ist Benzol (C6H6). Anders als man aufgrund der drei Doppelbindungen annehmen würde, ist Benzol ausgesprochen reaktionsträge. Dem aktuellen Benzolmodell zufolge werden sechs Elektronen, nämlich zwei von jeder der drei Doppelbindungen an eine Elektronenwolke abgegeben, die mit dem gesamten Benzolmolekül verbunden ist. Diese Elektronen befinden sind nicht einfach zwischen zwei Kohlenstoff-Atomen, sondern
sind über den gesamten Ring delokalisiert. Die Elektronenwolke befindet sich dabei ober- und
unterhalb der Ringebene. Abbildung 14.9 zeigt traditionelle Darstellungen eines Benzolmoleküls sowie eine Darstellung der delokalisierten Struktur.

0 H

H
traditionelle Strukturen
delokalisi e rte Strukturen

Abbildung 14.9: Benzol

An einen solchen Benzolring können sich verschiedene Gruppen anlagern und neue aromatische Verbindungen bilden. Zum Beispiel könnte ein -OH ein Wasserstoff-Atom ersetzen. Die daraus entstehende Verbindung nennt man Phenol. Phenol wird als Desinfektionsmittel und
bei der Herstellung von Kunststoffen, Medikamenten und Farben verwendet. Verbindet man
zwei Benzolringe, entsteht Naphthalin, das früher ein Hauptbestandteil von Mottenkugeln
war.

Benzol und die damit verwandten Verbindungen sind brennbar und geben bei der Verbrennung

Ruß ab. Es ist zu beachten, dass Benzol und verwandte Verbindungen teils unter dem Verdacht
stehen, Krebs zu erzeugen und teils nachgewiesenermaßen kanzerogen sind.

Funktionetle Gruppen

Der vorangegangene Abschnitt beschäftigt sich mit Kohlenwasserstoffen oder Verbindungen
von Kohlenstoff und Wasserstoff. Können Sie sich vorstellen, wie viele neue organische Verbindungen entstehen können, wenn jetzt noch ein Stickstoff-Atom, ein Halogen-Atom, ein Schwefel-Atom oder ein Atom eines anderen Elementes mit ins Spiel kommt?

c::::===....� 2 45

---• Chemie für Dummies

Werfen wir einmal einen Blick auf einige Alkohole: Ethylalkohol (trinkbarer Alkohol), Methylalkohol (Lösungs- und Verdünnungsmittel) und Isopropylalkohol (Franzbranntwein) weisen deutliche Unterscheide auf. Dennoch verhalten sie sich, was die chemischen Reaktionen betrifft, erstaunlich gleich. An den Reaktionen ist jeweils die -OH-Gruppe des Moleküls beteiligt, der Teil des Moleküls, der die Identität eines Alkohols bestimmt, so wie die Doppelbindung,
die Identität der Alkene bestimmt. In vielen Fällen ist es unerheblich, wie sich der Rest des

Moleküls verhält. Im Grunde reagieren alle Alkohole mehr oder weniger gleich.

Das Atom oder die Atomgruppe, die die Reaktion eines Moleküls bestimmt, nennt man die
funktionelle Gruppe. Bei den Alkoholen ist es die -OH-Gruppe, bei den Alkeneo die C=C-Gruppe
und so weiter. Mit Hilfe dieses Merkmals ist es viel einfacher, die Eigenschaften von Verbindungen zu untersuchen und zu klassifizieren. Man muss zum Beispiel nicht die Eigenschaften der einzelnen Alkohole lernen, sondern kann sich auf deren allgemeine Eigenschaften konzentrieren. Die Verwendung funktioneller Gruppen erleichtert das Studium der organischen Chemie erheblich.

Dieser Abschnitt gibt Einblicke in einige der funktionellen Gruppen. Was die Sache im Labor
wirklich verkomplizieren kann, ist die Tatsache, dass ein Molekül zwei, drei oder mehr funktionelle Gruppen haben kann, was vielfältige Reaktionsmöglichkeiten eröffnet. Aber das gehört zu den Aspekten der organischen Chemie, die herausfordern - und Spaß machen.

Alkohole (einreiben und einflerleiben) : R·OH

Alkohole sind eine Gruppe organischer Verbindungen, die mindestens eine Hydroxyl-Gruppe

(-OH) enthalten. In der Tat findet man für Alkohole oft die verallgemeinernde Darstellung

R-OH, wobei das R für den Rest des Moleküls steht. Für die Benennung von Alkoholen wird
anstelle des Suffix an des entsprechenden Alkans das Suffix ol verwendet.

Methanol oder Methylalkohol wird manchmal auch Holzalkohol oder Holzgeist genannt, weil
er früher hauptsächlich durch Erhitzen von Holz ohne Luftzufuhr synthetisch gewonnen wurde.

Heute wird Wasserstoff mit Hilfe von Katalysatoren bei hohen Temperaturen und hohem Druck
mit Kohlenstoffmonooxid direkt zu Methanol umgesetzt.

CO(g) + 2H2(g) -7 CH30H(l)

Gut die Hälfte des in den USA produzierten Methanols geht in die Produktion von Aldehyden,
die als Zusatzstoffe in Kosmetika und in der Kunststoffindustrie verwendet werden. Gelegentlich wird es auch Ethanol beigefügt, um dieses für den menschlichen Konsum unbrauchbar zu machen. Diesen Vorgang nennt man Denaturierung. Es sind auch Bestrebungen im Gange,

Benzin durch Methanol zu ersetzen, aber in diesem Bereich gilt es noch einige Probleme zu
überwinden. Es existiert auch ein Verfahren, bei dem aus Methanol Benzin gewonnen wird.

Neuseeland produziert etwa ein Drittel seines Benzins in einer entsprechenden Anlage.

Ethanol, Ethylalkohol oder einfach Alkohol oder Weingeist, wird hauptsächlich in zwei Verfahren produziert. Für den Gebrauch in alkoholhaltigen Getränken wird das Ethanol durch Vergärung von Kohlenhydraten und Zuckern durch Hefeenzyme hergestellt:

C6H12Ü6(aq) -7 2 CH3CH20H(l) + C02(g)

- 246 ---

7 4 � Kohlenstoff: Or9anische Chemie .:==::=::::�

Ich habe selber schon Bier und Met gebraut und kann nur bestätigen, dass diese kleinen Hefebiester wirklich wissen, wie man einen guten Alkohol macht!

Für den industriellen Gebrauch, etwa als Lösungsmittel in Parfüms und Medikamenten oder
als Benzinzusatz, wird Ethanol durch Hydratation von Ethylen mit Hilfe eines Katalysators
gewonnen:

Carbonsäuren (kleine Stinker ) : R#COOH

Abbildung 14. 10 zeigt die Struktur der funktionellen Gruppe der Carbonsäuren.

10\

IO\

I I

I I

R - C - O H

CH3 - C - O H

Essigsäure

Abbildung 14.10: Die funktionelle Gruppe der Garbonsäuren und die Essigsäure

Chemiker verwenden zur Darstellung dieser funktionellen Gruppe oft die Schreibweisen -COOH
oder C02H. Carbonsäuren lassen sich auch von den Alkanen ableiten und werden nach dem
jeweils verwandten Alkan und dem Suffix säure benannt. Die Essigsäure, deren Struktur in

Abbildung 14. 10 gezeigt wird, heißt auch Ethansäure.

Carbonsäuren lassen sich durch Oxidation von Alkohol gewinnen. Wenn man beispielsweise
eine Flasche Wein in Kontakt mit Luft oder einem anderen Oxidans kommen lässt, oxidiert
das Ethanol zu Essigsäure:

CH3CH20H(l) + 02(g) � CH3COOH(l) + H20(1)

Daran habe selbst ich als Chemiker keinen Spaß, besonders wenn ich für die Flasche ein Heidengeld ausgegeben habe.

Ameisensäure (Methansäure) kann man durch die Destillation von Ameisen isolieren. Ja ja,
diese kleinen Krabbler, die Ihr ganzes Haus und den Garten untergraben haben und im Sommer Straßen durch Ihr Wohnzimmer legen. Denn was nach einem Ameisenangriff so beißt, ist die Ameisensäure auf der Haut. Deshalb lässt sich der Schmerz durch das Auftragen einer

Base, etwa Backpulver, leicht lindern, weil dies die Säure neutralisiert. (Wenn Sie mehr über

Säuren und Basen wissen wollen, lesen Sie Kapitel 12.)

Viele dieser organischen Säuren haben einen recht deutlichen Geruch. Der Geruch von Essig
und Essigsäure ist Ihnen wahrscheinlich geläufig, aber auch andere Säuren haben ihr eigenes

Aroma, wie Tabelle 14.2 zeigt:

---- 24 7 -

---• Chemie für Dummies

CH/CH2)2COOH

Butansäure/Buttersäure
riecht nach ranziger Butter

CH3(CH2)3COOH

Pentansäure
riecht nach Mist

CH3(CH2)4COOH

Hexansäure
riecht nach Ziegen

Tabelle 14.2: Was riecht denn da so streng?

Ester (noch mehr Gerüche, aber diesmal WohliJerüche):

R�COOR'

Die funktionelle Gruppe der Ester unterscheidet sich von der Gruppe der Carbonsäuren lediglich dadurch, dass eine weitere -R-Gruppe das Wasserstoff-Atom ersetzt. Ester entstehen durch die Reaktion einer Carbonsäure mit Alkohol, wobei ein Ester und Wasser entstehen. Abbildung

14. 1 1 zeigt die Synthese eines Esters.

/Q\

/Q\

I I

I I

R - C

@FhfiD Q - R 1 ----+- R - C - Q - R1

-

-

+ HzO

Säure

Alkohol

Ester und Wasser

Abbildung 14.11: Synthese eines Esters

Obwohl viele Carbonsäuren, die man für die Herstellung von Estern verwendet, recht übel
riechend daherkommen, riechen viele Ester ausnehmend gut. Wintergrünöl etwa ist ein Ester.

Andere Ester riechen nach Bananen, Äpfeln, Rum, Rosen oder Pfirsichen. Wen wundert es, dass

Ester bei der Herstellung von Aromen und Parfüms Verwendung finden?

Aldeh1Jde und Ketone

Sowohl Aldehyde als auch Ketone fallen bei der Oxidation von Alkoolen an. Abbildung 14. 12
zeigt die beiden funktionellen Gruppen.

Puuh - was stinkt denn da so?

Als ich noch aufs
ging, war ich von der organischen Chemie begeistert, besonders
wenn es darum ging, im
aus

Molekülen
herzustellen.

Auf die Gerüche war ich allerdings weniger scharf. Es ist die

Chemie, der
ihr »anrüchiges« Image

- 24s ----

14 � Kohlenstoff: OrtJ.anische Chemie ---

/Q\

10\

I I

I I

R - C - H

R - C - R1

Aldehyde

Keto n e

Abbildung 14.12: Die funktionellen Gruppen der Aldehyde und der Ketone

Formaldehyd (HCHO) ist ein ökonomisch wichtiger Aldehyd. Er wird als Lösungsmittel und
für die Präparation biologischer Proben verwendet. Darüber hinaus wird er bei der Synthese
bestimmter Polymere gebraucht, etwa Bakelit. Andere Formaldehyde, insbesondere solche,
deren Struktur einen Benzolring enthält, sind sehr wohlriechend und werden für Aromen
und Parfüms genutzt.

Das einfachste Keton ist Aceton (CH3-CO-CH3). Es wird in vielfacher Weise als Lösungsmittel,
besonders für Farben verwendet. Bekannt ist auch der Nagellackentferner auf Acetonbasis. Und
die Modellflieger unter Ihnen kennen vielleicht Methylethylketon. Das ist das Lösungsmittel
im Klebstoff für den Modellflugzeugbau.

Ether (Gute Nacht): R�O�R

Ether oder Äther enthalten ein Sauerstoff-Atom, das an zwei Kohlenwasserstoff-Gruppen gebunden ist, R-0-R.

Diethylether wurde früher als Narkosemittel verwendet. Wegen seiner Feuergefährlichkeit
wurde er jedoch bald aus den Operationssälen verbannt. Das erinnert mich an folgenden Witz:

Ein Patient hat sich tief in den Finger geschnitten, und der Arzt will die Wunde mit ein paar

Stichen nähen. Ängstlich fragt der Patient die Schwester: »Werden Sie mir Äther geben?«

»Wohl kaum! Wenn wir Äther nehmen, dürfen wir beim Operieren nicht rauchen!« Weil Ether,
abgesehen von der leichten Entflammbarkeit, eher reaktionsträge sind, werden sie gemeinhin
als Lösungsmittel bei organischen Reaktionen verwendet. Ether reagieren allerdings, wenn
auch langsam, mit dem Sauerstoff unserer Atmosphäre und bilden explosive Verbindungen,
die man Peroxide nennt.

Man synthetisiert Ether durch eine Kondensationsreaktion zweier Alkohole, bei der Wasser
abgespaltet wird. Diethyläther kann aus der Reaktion von Ethanol mit Schwefelsäure gewonnen
werden:

2 CH3CHpH(l) � CH3CH2-0-CH2CH3(1) + Hp(l)

Verwendet man zwei verschiedene Alkohole, entsteht ein gemischter Ether, bei dem die beiden

R-Gruppen nicht identisch sind.

�== 249 -

---• Chemie für Dummies

Amine und Amide: OrtJtmische Basen

Amine und Amide werden von Ammoniak abgeleitet und enthalten Stickstoff in ihren funktionellen Gruppen. Abbildung 14. 13 zeigt die funktionellen Gruppen der Amine und der Amide.

/Q\

I I

R - N H2

R - C - N H2

Amine

Amide

Abbildung 14.13: Die funktionellen Gruppen der Amine und der Amide

Sehen Sie sich die Abbildung noch einmal an. Jedes Wasserstoff-Atom, das bei den Aminen
und den Amiden mit dem Stickstoff verbunden ist, kann durch eine andere R-Gruppe ersetzt
werden.

Amine und Amide sind, wie das Ammoniak, meist schwache Basen (siehe Kapitel 12). Amine
werden für die Synthese von Desinfektionsmitteln, Insektiziden und Farben verwendet. Sie
sind auch Bestandteil vieler Medikamente und NaturheilmitteL Alkaloide etwa sind natürliche,
in Pflanzen vorkommende Amine. Auch die meisten Amphetamine gehören zu den Aminen.

Erdöl: Chemikalien für
f/erbrennun9 und Gestaltun9
ln diesem Kapitel

Erfahren, wie Erdöl raffiniert wird

Benzin unter die Lupe nehmen

Erdöl ist die

Motoren Grundlage

Benzin oder unserer

Diesel modernen
kraftstoff,

Gesells
die aus chaft.

Erdöl Unsere Autos
gewonnen
verbrennen
werden, und
in
viele ihren

Häuser
werden mit Öl beheizt. Erdöl ist der Grundstoff der petrachemischen Industrie. Es fließt ein
in die Herstellung von Kunststoffen, Farben, Medikamenten, Textilien, Pflanzenschutzmitteln und Schädlingsbekämpfungsmitteln. Die Liste ließe sich endlos fortführen. Jeden Tag werden in den USA 19.650.000 Millionen Barrel Erdöl verbraucht, in Deutschland sind es

2.813.000 Millionen Barrel. Auf der Grundlage der Erdölförderung haben viele Staaten und

Nationen beträchtlichen Wohlstand erreicht. ·

In diesem Kapitel werde ich Ihnen näher bringen, wie Erdöl raffiniert und in nützliche Produkte verwandelt wird. Ein Schwerpunkt ist die Benzinproduktion, weil es sich dabei um den ökonomisch wichtigsten Anwendungsbereich des Erdöls handelt. Ich werde dabei auch auf
einige Probleme eingehen, die sich aus unserer breiten Nutzung der Technologie des Verbrennungsmotors ergeben haben.

Sei nicht so roh1 raffiniert kommt man weiter

Erdöl oder Rohöl (manchmal auch »Schwarzes Gold« oder »Texas-Tee« genannt) ist im Förderzustand eine komplexe Mixtur aus Kohlenwasserstoffen (siehe Kapitel 14) mit unterschiedlichen Mol-Gewichten. Bei den leichteren Kohlenwasserstoffen handelt es sich um Gase, bei den schwereren um Feststoffe, die sämtlich in dem flüssigen Gemisch gelöst sind. Dieses

Gemisch ist in Millionen von Jahren aus verrotteten in der Erdkruste abgelagerten Tieren und

Pflanzen entstanden (daher der Name fossiler Brennstoff) . Und weil die Entstehung von Erdöl
so lange dauert, spricht man von einer nicht erneuerbaren Ressource.

Um aus diesem Gemisch von Kohlenwasserstoffen etwas ökonomisch Wertvolles zu machen,
muss es raffiniert, das heißt von Verunreinigungen und Fremdstoffen befreit werden. Dabei
wird das Gemisch in verschiedene Kohlenwasserstoff-Gruppen getrennt. Zum Teil wird auch
die molekulare Struktur der Kohlenwasserstoffe verändert. All das passiert in einer industriellen Anlage, die man Raffinerie nennt: Die Raffinerie produziert nun die raffinierten Gemische und Einzelverbindungen, die für die Benzinherstellung und als Rohstoffe für die weit verzweigte petrachemische Industrie gebraucht werden. Dazu sind eine Reihe von Prozessen
erforderlich, angefangen bei der fraktionierten Destillation des Rohöls.

---• 25 1 -

---• Chemie für Dummies

TrennuntJ ohne Schmerz: Fraktionierte Destillation

Sie haben sicher schon öfter etwas auf dem Herd mit geschlossenem Deckel vor sich hin köcheln lassen. Dabei haben Sie sicher auch bemerkt, dass sich auf der Innenseite des Deckels Wassertropfen niederschlagen. Durch die Einwirkung der Hitze ist das Wasser aus der Kochflüssigkeit verdampft und an der kälteren Unterseite des Deckels wieder kondensiert. Das ist ein ganz einfaches Beispiel für den Prozess der Destillation.

Wenn man im Labor Flüssigkeiten mischt und vorsichtig erhitzt, wird die Flüssigkeit mit dem
niedrigsten Siedepunkt zuerst kochen. Den dabei entstehenden Dampf kann man kondensieren
und auffangen. Danach beginnt die Flüssigkeit mit dem nächsthöheren Siedepunkt zu kochen
und so weiter und so fort. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann man die Komponenten eines Gemischs trennen und reinigen. Die Destillation ist ein wichtiger Prozess der organischen Chemie und stellt den ersten Schritt der Raffinierung dar. Der in Raffinerien durchgeführte Destillationsprozess wird fraktionierte Destillation genannt. Hierbei wird das Erdölgemisch erhitzt und die verschiedenen Fraktionen (Gruppen von Kohlenwasserstoffen mit ähnlichen Siedepunkten) werden aufgefangen. Abbildung 15.1 zeigt die fraktionierte Destillation von Rohöl.

Gase - Methan, Ethan, Propan
r r r Rohbenzin

Fraktionier-
turm
r r r r Kerosin, Flugbenzin

1 1 1 1 r Heizöl, Dieselkraftstoff

1 1 � Schmieröle und Paraffine

Ofen
halbfeste Rückstände von Bitumen

Abbildung 15.1: Die fraktionierte Destillation von Erdöl

- 252 c...:===-

----- 15 � Erdöl: Chemikalien für Verbrennun9 und Gestaftun9 ---•

Das Rohöl wird über eine Pipeline in die Raffinerie gepumpt und dort zunächst durch starkes

Erhitzen zum Verdampfen gebracht. Die heißen Dämpfe steigen dann in eine riesige Destillationssäule, den so genannten Fraktionierturm. Der Fraktionierturm besteht aus vielen Etagen, die so genannte Glocken besitzen. Die Dämpfe steigen je nach dem Gewicht der einzelnen

Kohlenwasserstoffe unterschiedlich hoch und kondensieren beim Abkühlen an den einzelnen

Etagenglocken. So werden die verschiedenen Kohlenwasserstoffe nach dem Erreichen ihres
jeweiligen Siedepunktes nach und nach aufgefangen. Die Kohlenwasserstoffe einer Fraktion
haben eine ähnliche Größe und Komplexität und können daher in der chemischen Industrie
für die gleichen Zwecke eingesetzt werden. In der Regel werden sechs Fraktionen aufgefangen:

V Die erste Fraktion umfasst die leichtesten Kohlenwasserstoffe. Dabei handelt es sich um

Gase mit einem Siedepunkt von weniger als 40°Celsius. Einen großen Teil dieser Fraktion
macht Methan (CH4) aus, das auch Sumpfgas genannt wird, weil es zuerst in Sümpfen
entdeckt wurde. Unter dem Namen Erdgas wird Methan hauptsächlich als Brennstoff
verwendet, weil es sehr sauber verbrennt. Des Weiteren finden sich in dieser ersten Fraktion Propan (C3H8) und Butan (C4H10). Diese beiden Gase werden meist aufgefangen und unter Druck verflüssigt. Als Flüssiggase können sie dann mit LKWs transportiert und als

Brennstoffe verwendet werden. Aber auch als Rohstoffe für die Synthese von Kunststoffen
sind die Kohlenwasserstoffe dieser Fraktion gefragt.

V Die zweite Fraktion setzt sich aus den Kohlenwasserstoffen Pentan (C5H12) und Dodekan

(C12H26) zusammen, deren Siedepunkte unterhalb von 200° Celsius liegen. Man nennt
diese Fraktion auch Naphta oder Rohbenzin, weil es mit nur geringem weiterem Aufwand
in Verbrennungsmotoren verwendet werden kann. Aus einem Barrel Rohöl, der in den

Fraktionierturm gelangt, wird weniger als ein viertel Barrel Rohbenzin gewonnen.

V Die dritte Fraktion besteht aus Kohlenwasserstoffen mit 12 bis 16 Kohlenstoff-Atomen und

Siedepunkten zwischen 150ůnd 275° Celsius. Was hier aufgefangen wird, ist Kerosin oder

Flugbenzin. Im nächsten Abschnitt erläutere ich, wie man aus dieser Fraktion noch mehr

Benzin gewinnt.

v Bei der vierten Fraktion handelt es sich um Kohlenwasserstoffe mit 12 bis 20 Kohlenstoff-Atomen und Siedepunkten zwischen 250ůnd 400° Celsius. Diese Fraktion wird als Heiz- und Dieselöl verwendet. Aber auch daraus lässt sich alternativ weiteres Benzin
gewinnen.

V Die fünfte Fraktion umfasst Kohlenwasserstoffe mit 20 bis 36 Kohlenstoff-Atomen und

Siedepunkten zwischen 350ůnd 550° Celsius. Man gewinnt daraus Schmierstoffe und -öle
und Wachse auf Paraffinbasis.

V Die sechste Fraktion besteht aus halbfesten und festen Rückständen, die einen Siedepunkt
über 550° Celsius haben. Sie finden Verwendung als Bitumen oder Asphalt und auch als

Elektrodenkoks.

---• 253 -

---• Chemie für Dummies

AufbruchstimmuntJ: KatallJ.tisches Cracken

Ein Barrel Rohöl liefert uns also eine Reihe verschiedener Produkte, die jedoch nicht alle für
uns von gleichem Wert sind. Die höchste Nachfrage besteht nach Benzin. Der Anteil des Rohbenzins, der bei der Raffination gewonnen wird, kann die Nachfrage nach Benzin nicht decken.

Irgendwann hatte jemand eine Erleuchtung und kam darauf, dass man die schwereren Kohlenwasserstoffe doch in kleinere Ketten aufspalten könnte, die man dann wiederum für die Benzinherstellung nutzen kann. Das war die Geburtsstunde des katalytischen Crackens.

In einer katalytischen Cracking-Anlage (in Texas nennt man sie »Cat-Cracker«) werden die

Fraktionen mit 12 bis 20 Kohlenstoff-Atomen in Gegenwart eines Katalysators ohne Luft
erhitzt. Dadurch zerfallen die langen Alkane (Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff
mit Kohlenstoff-Doppelbindungen; siehe Kapitel 14) in kleinere Alkane und Alkene (Kohlenwasserstoffe mit wenigstens einer Kohlenstoff-Doppelbindung; siehe ebenso Kapitel 14).

Nehmen wir einmal an, Sie nehmen C20H42 und cracken es:

CH3-(CH2)18-CH3 ---7 CH3-(CH2)8-CH3 + CH2 = CH-(CH2)7-CH3

Bei diesem Prozess gewinnt man Kohlenwasserstoffe, die für die Produktion von Benzin geeignet sind. Ein positiver Nebeneffekt ist, dass die Doppelbindungen dem Benzin eine höhere Oktanzahl (Klopffestigkeit) verleihen (darauf komme ich noch im Abschnitt Die Geschichte
des Benzins weiter hinten im Kapitel).

Katalytisch gecrackt wird zunächst die Fraktion, die ansonsten für Kerosin verwendet wird.

Um aber noch mehr Benzin aus dem Rohöl herauszuholen, wird auch die Heizöl-Fraktion
nicht verschont. Das kann allerdings zu Versorgungsengpässen beim Heizöl führen, wenn ein
sehr harter Winter die Nachfrage in die Höhe treibt. Die Ölgesellschaften studieren deshalb
aufmerksam die Langzeit-Wetterprognosen. Wenn im Sommer die Nachfrage nach Benzin
hoch ist, werden die sonst für das Heizöl verwendeten Fraktionen gecrackt. Im Herbst wird der

Produktionsplan dann ein wenig umgestellt und der Anteil der Benzinproduktion zugunsten
des Heizöls zurückgeschraubt. Da die Raffinerien jedoch eine Überproduktion und daraus
resultierende große Lagerbestände vermeiden wollen, schielen sie immer mit einem Auge auf
das Wetter, um das Angebot möglichst nahe an der Nachfrage zu halten. Das ist ein ständiger

Balanceakt.

Schieb mir mal was rüber: Katallj.tisches Reformieren

Als der Verbrennungsmotor für die Fortbewegung entdeckt wurde und unaufhaltsam an Popularität gewann, fiel den Chemikern auf, dass aus unverzweigten Kohlenwasserstoffen gewonnenes Benzin nicht richtig verbrannte. Es verursachte in den Motoren klopfende und klingelnde Geräusche. Sie entdeckten bald, dass verzweigte Kohlenwasserstoffe besser verbrannten. Um nun die Menge der Verzweigungen in der Benzin-Fraktion des Rohöls zu steigern, wurde ein

Prozess mit dem Namen katalytisches Reformieren entwickelt. Im Verlauf dieses Prozesses
werden Kohlenwasserstoffdämpfe über einen Metallkatalysator (etwa Platin) geführt. Dabei

- 254 ----

----- 15 � Erdöl: Chemikalien für f/erbrennunfJ und GestaftunfJ ---
werden die Moleküle in eine verzweigte oder gar ringförmige Struktur überführt. Abbildung 15.2
zeigt das katalytische Reformieren von n-Hexan in 2-Methylpentan und Cyclohexan.

C H 3 - C H - CH2 - CH2- CH3

Katalysator

I CH3

/H2"'-..

H2C

CH2

I

I + H2

Katalysator

H2C�

CH2

Abbildung 15.2: Katalytisches Reformieren von n-Hexan

Derselbe Prozess wird intensiv für die Produktion von Benzol und anderen Aromaten genutzt,
die für die Herstellung von Kunststoffen, Medikamenten und synthetischen Materialien verwendet werden. (Mehr über Aromaten sowie verzweigte und ringförmige Strukturen erfahren Sie in Kapitel l4. Ein echte Fundgrube, dieses Kapitel.)

Die Geschichte des Benzins

Damit Sie den Tiger in Ihrem Tank besser kennen lernen, möchte ich Ihnen ein wenig darüber
erzählen, was mit dem Benzin in einem Verbrennungsmotor passiert. Das Benzin wird zunächst mit Luft (einem Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff und so weiter) vermischt und in den Zylinder eingespritzt, wenn die Kolben auf dem Weg nach unten sind. Indem sich die Kolben
wieder nach oben bewegen, verdichten sie das Benzin-Luft-Gemisch. Im richtigen Moment,
dem Zündzeitpunkt, wird das Gemisch durch einen Funken der Zündkerze entzündet. Bei der
nun folgenden Reaktion der Kohlenwasserstoffe mit dem Sauerstoff im Zylinder entstehen Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und, unglücklicherweise, große Mengen Kohlenstoffmonooxid.

Diese Reaktion ist ein Beispiel für die Konvertierung des in den Kohlenstoffbindungen schlummernden Energiepotenzials in die kinetische Energie der heißen Gasmoleküle. Der plötzliche Zuwachs an Gasmolekülen erhört den Druck gewaltig und schiebt den Kolben nach oben. Diese
lineare Bewegung wird dann über eine Welle in eine Kreisbewegung umgesetzt, die die Räder
antreibt. Und los geht's!

Das Benzin-Luft-Gemisch muss genau zum richtigen Zeitpunkt gezündet werden, damit der

Motor richtig (rund) läuft. Der ganze Vorgang ist weniger eine Eigenschaft des Motors als
des Benzins (vorausgesetzt, dass die Zündung richtig eingestellt ist und Zündkerzen und

Kompressionswerte in Ordnung sind). Wichtig ist die Flüchtigkeit des Kohlenwasserstoff-

---• 255 -

---• Chemie für Dummies

Brennstoffes, also die Geschwindigkeit, mit der er verdampft. Die Flüchtigkeit hängt wiederum
mit dem Siedepunkt des Kohlenwasserstoffs zusammen. Es ist in der Tat so, dass manche

Benzinhersteller ihr Benzin verschneiden (die Kohlenwasserstoffzusammensetzung anpassen),
um es besser an die herrschenden klimatischen Bedingungen anzupassen. (In dem Teil von

Texas, aus dem ich stamme, machen sie das natürlich nicht, denn da ist fast das ganze Jahr
über Sommer.) Benzin in Winterqualität ist flüchtiger als Benzin in Sommerqualität Manche

Treibstoffe neigen dazu, in Motoren Klopfgeräusche oder Klingeln zu verursachen. Das kann
daran liegen, dass aufgrund eines verstellten Zündzeitpunkts die Zündung zu früh erfolgt
oder dass die Verbrennung an mehreren Stellen gleichzeitig einsetzt anstatt in der Umgebung
der Zündkerzenelektrode. Aber auch das ist eine Eigenschaft des Benzins und nicht eine des

Motors. Entscheidend ist neben dem Energiegehalt des Treibstoffs auch die Effizienz seiner

Verbrennung. Um Aussagen über die Verbrennungseigenschaften von Benzin zu machen, hat
man die Oktanskala entwickelt.

Wie t}.Ut ist Ihr Benzin: Oktanzahlen

In den Anfängen der Entwicklung des Verbrennungsmotors fanden Wissenschaftler und Ingenieure heraus, dass bestimmte Kohlenwasserstoffe besonders gut in Verbrennungsmotoren verbrennen. Sie stellten ebenfalls fest, dass andere Kohlenwasserstoffe nicht so gut in Motoren
verbrennen. Zu letzteren gehörte n-Heptan (unverzweigtes Heptan). 2,2,4-Trimethylpentan

(auch Isooktan genannt) dagegen wies exzellente Verbrennungseigenschaften auf. Diese beiden

Verbindungen bildeten von nun an die Endpunkte der Oktanskala. Dem Kohlenwasserstoff
n-Heptan wurde die Oktanzahl 0 und dem Kohlenwasserstoff Isooktan die Oktanzahl 100
zugewiesen. Man konnte fortan Benzinmischungen in einem standardisierten Motor verbrennen und ihre Oktanzahl ermitteln. Wenn also ein bestimmtes Benzin die Eigenschaften von Isooktan zu 90 Prozent erreicht, erhält es die Oktanzahl 90. Abbildung 15.3 zeigt die Oktanskala
und die Oktanzahlen einiger reiner Verbindungen.

Sehen Sie sich Abbildung 15.3 genau an. Was die Oktanzahl und die chemische Struktur
betrifft, finden Sie darin einige nützliche Informationen. Das n-Penten hat die Oktanzahl 62.

Dieser Wert kann auf 91 gesteigert werden, wenn man ihm eine Doppelbindung verpasst (es
wird zu 1-Penten) und eine ungesättigte Verbindung daraus macht. Eine einzige Doppelbindung also steigert die Oktanzahl um fast 30 Prozent.

Katalytisches Reformieren bringt Ketten und katalytisches Cracken bringt Doppelbindungen.

Diese beiden Prozesse steigern nicht nur die Produktionsmenge, sondern verbessern auch die

Verbrennungseigenschaften des Benzins. Wie Sie sehen können, hat Benzol die Oktanzahll06.

Es verbrennt besser als lsooktan. Andere substituierte Verbindungen haben Oktanzahlen,
die an 120 heranreichen. Allerdings sind Benzol und damit verwandte Verbindungen gesundheitsgefährdend und werden deshalb nicht als Treibstoffe verwendet.

Die Oktanzahl, die Sie an der Zapfsäule lesen können, ist ein Durchschnittswert. Die wissenschaftliche Oktanzahl (W) bezieht sich auf die Verbrennung in einem kalten Motor. Die fahrpraktische Oktanzahl (F) bezieht sich auf die Verbrennungseigenschaften eines Treibstoffs
in einem betriebswarmen Motor (etwa wenn Sie auf der Al im Stau stehen) . Wenn Sie aus

- 256 ----

----- 15 >- Erdöl: Chemikalien für Verbrennun9 und GestaltuntJ ---
diesen beiden Werten den Durchschnitt bilden - (W+F)/2 - erhalten Sie die Oktanzahl auf der

Zapfsäule.

(108 Oktan) Ethanol

( 1 07 Oktan) Methanol

CH3

( 1 06 Oktan) Benzol

1

-----+-100

( 1 00 Oktan) Isooktan

� CH3 - C - CHz - CH - CH3

I

I

(91 Oktan) 1-Penten

90

CH3

CH3

BO

HzC = CH - CHz - CHz- CH3

70
n-Penten

CH3 - (CHzb - CHJ

50 40 30 20 0

(0 Oktan) n-Heptan -----+-

� CH3 - (CHz)s - CH3

Abbildung 15.3: Die Oktanskala

Additifle: Blei rein, Blei raus

Die ersten Benzinmotoren waren längst nicht so hoch verdichtet, wie wir das von unseren
heutigen Autos gewohnt sind. Deshalb kam es auf hohe Oktanzahlen nicht so sehr an. Je leistungsfähiger die Motoren jedoch wurden, desto höhere Oktanzahlen wurden erforderlich_ Das katalytische Cracken und Reformieren trieb die Kosten der Benzinherstellung in die Höhe.

Man suchte also nach billigeren Lösungen, wie man Benzin klopffester machen konnte. Und
mit der Substanz Bleitetraethyl (= Tetraethylblei) wurde man auch fündig.

In den frühen 20er Jahren fanden Wissenschafter heraus, dass man durch die Zugabe kleinster Mengen Bleitetraethyl (1 Milliliter pro Liter Benzin) die Oktanzahl um 10 bis 15 Punkte steigern konnte.

Bleitetraethyl besteht aus einem Blei-Atom und vier Ethylgruppen. Abbildung 15.4 zeigt die
entsprechende Strukturformel.

Mit Bleitetraethyl ließ sich die Oktanzahl wirkungsvoll erhöhen und die Klopffestigkeit des

Treibstoffs verbessern. Viele Jahre lang brummten die Benzinmotoren ohne Klopfen und Klin-

---• 257 -

---· Chemie für Dummies
geln vor sich hin. Mit der Verabschiedung des Clean Air Act in den USA im Jahre 1970 waren
die Tage des verbleiten Benzins allerdings gezählt.

CH3

I CH2

I

CH3 - CH2 - Pb - CH2 - CH3 or Pb(C2H5)4

I CH2

I CH3

Abbildung 15.4: Die Zusammensetzung von Bleitetraethyl

Huch! Wir flerschmutzen die Luft

Kohlenwasserstoff-Treibstoffe verbrennen in den Zylindern von Verbrennungsmotoren. Dabei
werden nicht alle Kohlenwasserstoff-Moleküle in Wasser und CO/C02 umgewandelt. Vor dem

Inkrafttreten des Clean Air Act 1970 entwichen aus den Auspuffanlagen der Autos unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Schwefel- und Stickoxide in die Atmosphäre (zusätzlich zu dem Blei des Bleitetraethyls, das später als äußerst giftig nachgewiesen wurde). Diese schmutzigen

Abgase verschlimmerten das Ausmaß und die Auswirkungen der Luftverschmutzung und
gefährdeten, etwa durch das Auftreten des photochemischen Smogs, unsere Gesundheit. (Um

Luftverschmutzung geht es im Einzelnen in Kapitel lS.)

Her mit dem KatallJ.sator

In den USA verlangte der Clean Air Act eine Verringerung der Schadstoffemissionen bei Kraftfahrzeugen. Dieses Ziel ließ sich am effektivsten durch die Verwendung von Katalysatoren erreichen. Ein solcher Katalysator sieht aus wie ein Schalldämpfer und wird in das Abgassystem
des Autos integriert. In seinem Innern befindet sich eine mit einem katalytisch wirkenden

Metall, entweder Palladium oder Platin, ausgekleidete Trägerstruktur. Wenn nun die Abgase
durch die Trägerstruktur geführt werden, befördert die katalytische Wirkung der Metalle die
vollständige Oxidation der Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonooxide zu Kohlenstoffdioxid
und Wasser (deshalb tropft es manchmal aus dem Auspuff). Anders ausgedrückt: Der Katalysator macht aus schädlichen Abgasen überwiegend harmlose Abfallprodukte.

In Deutschland brachten erst die zunehmenden Waldschäden die Diskussion um die Luftverschmutzung wieder in Schwung. Mit Blick auf die 1974 eingeführten strengen Abgasgrenzwerte in Japan und den USA wollte man auch in Deutschland (im Einvernehmen mit den europäischen Partner Iändern) eine drastische Absenkung des Schadstoffausstoßes durchsetzen.

Heraus kam zunächst nur ein Kompromiss. Man beschloss Abgasgrenzwerte, die denen der

USA und Japans lange Zeit hinterherhinkten. Erst 1990 wurde eine gemeinsame verbindliche

Regelung getroffen, die alle Anforderungen an die Schadstoffemissionen bei Pkw regelt und für

- 2ss ----

----- 15 � Erdöl: Chemikalien für Verbrennun9 und Gestaftun9 ---
alle Pkw unabhängig von der Größe die gleichen Grenzwerte festlegt. Diese Grenzwerte verlangten den Einsatz geregelter Drei-Wege-Katalysatoren und wurden seither in Abstimmung mit dem herrschenden Stand der Technik kontinuierlich verschärft.

WetJ mit dem Blei

Der Katalysator verrichtete seine Arbeit bei der Verringerung des Schadstoffausstoßes so lange
gut, wie das im Motor verbrannte Benzin kein Blei enthielt. Bekam der Motor jedoch verbleites

Benzin zu schlucken, lagerten sich die bleihaltigen Abgasdämpfe an den Wänden des Katalysators ab und machten ihn nutzlos. Die Regierung und die Umweltorganisationen setzten also alle Hebel in Bewegung, das Blei wieder aus dem Benzin zu verbannen. In den USA findet man
mittlerweile kaum noch verbleites Benzin an den Tankstellen. In Europa ist der Marktanteil
von verbleitem Benzin nur noch gering.

Als Bleitetraethyl nicht mehr als Benzinzusatz in Frage kam, suchten die Chemiker natürlich
eine Verbindung, die Ähnliches leisten konnte. Aromaten waren zwar ein effektives Mittel, die

Oktanzahlen zu erhöhen, aber sie waren nachweislich äußerst gesundheitsschädlich. Man fand
und verwendete stattdessen Methylalkohol, Tertiärbutylalkohol und Methyltertiärbutylether

(MTBE).

Von MTBE (siehe Abbildung 15.5) versprach man sich recht viel, denn er erhöhte nicht nur die

Oktanzahl, sondern verbesserte, da er Sauerstoff enthält, auch die Verbrennungseigenschaften
des Benzins. Allerdings häuften sich bald Hinweise auf Zusammenhänge mit Atemwegserkrankungen und Krebserkrankungen und MTBE verschwand wieder aus dem Benzin. Die anderen genannten Verbindungen sind zwar nicht so effektiv wie Bleitetraethyl, aber dank der ständigen Weiterentwicklung der Motoren lassen sich jetzt auch Treibstoffe mit etwas niedrigeren Oktanzahlen verwenden.

CH3

I

CH3 - 0 - C - CH3
or

I

CH3

Abbildung 15.5: Methyltertiärbutylether (MTBE)

---· 259 -

PoiiJmere: Gleich und Gleich
tJesellt sich 9ern

Jn diesem Kapitel

Die Polymerisation begreifen

Zwischen verschiedenen Kunststoffen unterscheiden

Lernen, wie das mit dem Kunststoffrecycling geht

Sie kennen
kopiere vielle
nur
icht
die
die

Natur. Auffassung,

Wenn ich
der
mir Mensch
so ansehe, erfinde
was in eigentlich
letzter
ni

Zeit chts
alles Neues, sondern
erfunden worden
ist, habe ich da so meine Zweifel. Was die Polymere betrifft, kann ich allerdings nur zustimmen.

Polymere kommen in der Natur schon immer vor. Proteine, Baumwolle, Wolle und Zellulose
sind zum Beispiel Polymere. Sie gehören alle zu einer Verbindungsklasse, die man Makromoleküle nennt - sehr große Moleküle. Der Mensch hat gelernt, Makromoleküle im Labor zu produzieren, und hat damit unsere Gesellschaft für alle Zeiten verändert.

Als ich noch klein war, zog mein Vater, ein eingefleischter Traditionalist, metallene Gerätschaften und Gegenstände jedem »billigen, importierten Plastikkram« eindeutig vor. Wenn er noch lebte, wäre er sicher schockiert. Ich bin umgeben von synthetischen Textilien (Kleidung,

Teppiche und so weiter). Ich fahre in Autos durch die Gegend, die einem Kunststoffkokon
gleichen. Mein Zuhause ist voller Plastikbehältnisse aller möglichen Formen, Größen und

Beschaffenheiten. Einige meiner Freunde haben Körperteile (etwa ein Knie) durch solche
aus Polymeren ersetzen oder mit Polymeren verstärken lassen müssen. Ich haue mir meine

Spiegeleier in eine beschichtete Bratpfanne und hantiere mit einem Kunststoffpfannenwender
darin herum. Ich sitze vor einem Fernseher mit Plastikgehäuse und bette mein Haupt nachts
auf einem Schaumstoffkissen. Wir leben im Kunststoffzeitalter.

In diesem Kapitel bringe ich Ihnen den Prozess der Polymerisation näher und erläutere Ihnen,
wie die Chemiker Polymere im Hinblick auf bestimmte Eigenschaften konstruieren. Ich stelle

Ihnen ein paar Polymere vor und zeige Ihnen, wie sie hergestellt werden. Und schließlich
komme ich darauf, wie man Kunststoffe wieder los wird, bevor man vor einem schier unüberwindlichen Berg von Milchflaschen, Joghurtbechern und Einwegwindeln steht. Willkommen in der wunderbaren Welt der Polymere!

Natürliche Monomere und PollJmere

Die Natur arbeitet schon sehr lange mit Polymeren. Zellulose (Holz) und Stärke sind die wichtigsten Beispiele für natürlich vorkommende Polymere. Abbildung 16.1 zeigt die Strukturen von Zellulose und Stärke.

---• 26 1 -

---· Chemie für Dummies

H

Zellulose

H
o�

H20H O

H

H

H

HO

OH

0-

H

H

H

H H

Monomer

0

Stärke

Abbildung 16.1: Zellulose und Stärke

Fallen Ihnen bei den Strukturen Ähnlichkeiten auf? Sie bestehen aus sich wiederholenden

Einheiten. Bei den sich hier wiederholenden Einheiten handelt es sich um Glukose. Zellulose
und Stärke sind zum einen natürliche Makromoleküle (große Moleküle), zum anderen aber
auch Beispiele für natürlich vorkommende Polymere, also Makromoleküle, in denen sich Einheiten, genannt Monomere, wiederholen (Polymere heißt nichts anderes als »viele Mere«. Mere sind diesbezüglich Monomere.) Bei Zellulose und Stärke ist das betreffende Monomer eine

Glukoseeinheit Man kann die Struktur eines Polymers in etwa mit einer Hand voll Büroklammern (Monomere) vergleichen, die man zu einer langen Kette (Polymer) aneinander hakt.

Und noch etwas fällt bei Zellulose und Stärke ins Auge: Der einzige Unterschied zwischen den
beiden Verbindungen besteht darin, wie die Glukoseeinheiten miteinander verbunden sind.

Und diese Kleinigkeit macht den Unterschied zwischen einer Kartoffel und einem Baum aus.

(Na gut, ganz so einfach ist es auch nicht.) Der Mensch kann zwar Stärke verdauen, aber keine

Zellulose. Für den Verdauungstrakt einer Termite ist dagegen Zellulose genau das Richtige. Bei
natürlich vorkommenden Polymeren, und auch bei den synthetischen, schlägt sich eine kleine

Änderung manchmal sehr umfassend in den Eigenschaften des Polymers nieder.

- 262 ----

------- 1 6 >- PoltJmere: Gleich und Gleich tJ.esellt sich 9ern ---

Wie man SIJnthetische Monomere und

PoiiJmere klassifiziert

Die Chemiker haben die Idee des Zusammensetzens kleiner Einheiten zu größeren von der

Natur abgeschaut und Verfahrensweisen entwickelt, wie man das Ganze auch unter Laborbedingungen machen kann. Es gibt heute eine große Vielfalt synthetischer Polymere. In diesem Abschnitt möchte ich Ihnen einige davon vorstellen und auf ihre Strukturen, Eigenschaften
und Verwendungen eingehen.

Weil Chemiker nun mal gar nicht anders können, als alles Mögliche in Gruppen zusammenzufassen, haben sie das auch mit den Polymeren so gemacht. Das klappt auch ganz gut. Die Chemiker haben etwas zu tun und die Normalos draußen im richtigen Leben haben es leichter,
die verschiedenartigen Polymere kennen zu lernen.

Brauchen wir nicht afle Strukturen?

Ein Ansatz für die Polymer-Klassifizierung ist die Orientierung an der Struktur der Polymerkette. Manche Polymere sind linear aufgebaut. Sie bestehen aus vielen langen Fäden, die wie zu einem Seil zusammengefasst werden. Verzweigte Polymere sind dadurch gekennzeichnet,
dass kurze Fäden von dem Haupt-Polymerfaden abzweigen. Man kann sich das wie ein langes

Seil vorstellen, an das man in bestimmten Abständen über die gesamte Länge immer wieder
kurze Seile anknüpft. Bei querverbundenen Polymeren sind einzelne Polymerfäden durch
seitliche Ketten miteinander verbunden. Eine solche Struktur erinnert am ehesten an eine

Hängematte.

Und wenn's mal heiß wird]

Ein anderer Ansatz für die Polymer-Klassifizierung ist ihr Verhalten bei Hitzeeinwirkung.

Thermoplastische Polymere werden bei Hitze weich. Solche Polymere bestehen aus langen
linearen oder verzweigten Fäden aus Monomer-Einheiten. Wenn Sie schon einmal eine Kunststoffsonnenbrille oder ein Kinderspielzeug aus Kunststoff im Auto der Sommersonne überlassen haben, werden Sie festgestellt haben, dass der Kunststoff weich wird. Solche Kunststoffe können eingeschmolzen und immer wieder verwendet werden und sind deshalb auch leichter
zu recyceln. Der überwiegende Anteil der in den USA produzierten Kunststoffe besteht aus
thermoplastischen Polymeren.

Duroplastische Polymere werden dagegen bei Hitzeeinwirkung nicht weich und können auch
nicht wieder in anderer Formgebung wiederverwendet werden. Bei der Produktion dieser

Polymere werden durch Erhitzen Querverbindungen (Brücken zwischen den Polymerfäden)

erzeugt. Ein solches duraplastisches Polymer ist zum Beispiel Bakelit. Es ist sehr hart und
leitet nicht. Diese Eigenschaften machen Bakelit zu einem idealen Isoliermaterial oder zu
einem geeigneten Material für die Griffe an Pfannen und Toastern.

====- 263 -

---· Chemie für Dummies

Was mache ich denn damit!

Eine dritte Art der Polymer-Klassifizierung orientiert sich an der Verwendung durch den

Konsumenten.

Der Name Plastik bezieht sich auf die Tatsache, dass man Polymere in eine gewünschte Form
bringen kann. Egal ob thermoplastisch oder duroplastisch, diese Polymere erhalten bei der

Herstellung des Endprodukts ihre charakteristische Form. Das können Geschirr, Schüsseln
und Töpfe, Kinderspielzeug oder etwas Ähnliches sein. Sie kennen sich da aus.

Fasern sind lineare Fäden, die durch die intermolekularen Kräfte zwischen den Polymerfäden,
etwa die Wasserstoffbindungen, zusammengehalten werden. Man nennt solche Polymere in der

Regel Textilien. Sie werden etwa zu Kleidung und Teppichen verarbeitet.

Elastomere, manchmal auch Gummi genannt, sind thermoplastische Materialien, die im Verlaufe ihrer Herstellung leicht querverbunden werden. Aufgrund dieser Querverbindungen lassen sie sich auseinander ziehen und prallen ab. Zu den Elastomeren gehört, neben anderen
synthetischen Verbindungen, auch der Naturgummi (Latex). Aus diesen Polymeren macht man
zum Beispiel Latexhandschuhe, Einmachgummis oder Bälle.

Wie uJird's tJemachtJ

Einer der besten Ansatzpunkte für die Klassifizierung von Polymeren ist der jeweils für die

Herstellung verwendete chemische Prozess. Normalerweise kommen dafür zwei Prozesse in

Frage:

V Additionspolymerisation oder Polyaddition

V Kondensationspolymerisation oder Polykondensation

HiintJ. dich dran: Poll)addition

Viele der bekannten Polymere, mit denen man im Alltag zu tun hat, sind so genannte Additionspolymere oder Polyaddukte - Polymere, die im Verlauf einer Reaktion entstehen, die man Additionspolymerisation oder Polyaddition nennt. Bei einer solchen Reaktion werden alle anfänglich in der Struktur eines Monomers vorhandenen Atome in einer Polymerkette verknüpft.

In der Regel verfügen die bei dieser Art der Polymerisation verwendeten Monomere über eine

Kohlenstoff-Doppelbindung, die im Verlauf der Polymerisation zum Teil aufgebrochen wird.

Diese aufgebrochene Verbindung bildet ein Radikal - so nennt man ein hochreaktives Atom,
das ein einzelnes Elektron aufweist. Das Radikal versorgt sich dann mit einem Elektron, indem
es sich mit einem anderen Molekül verbindet. Es entsteht eine Kettenreaktion, an deren Ende
ein Polymer steht. Sie kratzen sich ratlos am Kopf? Dann sehen Sie sich die folgenden Beispiele
an, die Ihnen das Verständnis der Additionspolymerisation erleichtern sollen.

- 264 ---

------- 1 6 � PoltJmere: Gleich und Gleich 9esetft sich 9ern ---•

Pol1Jeth1Jlen: Klarsichtfolie und Mifch9ießer

Polyethylen ist das einfachste Additionspolymer und eines der ökonomisch wichtigsten. Ethan
wird in Anwesenheit eines Katalysators, etwa Palladium, hoch erhitzt. Es verliert dabei zwei

Wasserstoff-Atome (die zu gasförmigem Wasserstoff werden) und bildet eine Doppelbindung:

CH3-CH3(g) + Hitze und Katalysator � CH2=CH2(g) + H2(g)

Das so produzierte Ethylen (Ethen) ist das Monomer für die Produktion von Polyethylen. Das

Ethylen wird dann in Anwesenheit eines Katalysators ohne Luftzufuhr stark erhitzt. Die hohe

Temperatur und die katalytische Wirkung verursachen ein Aufbrechen der Kohlenstoff-Doppelbindung, wobei je ein Kohlenstoff-Atom ein Elektron behält. Beide Kohlenstoff-Atome werden also zu Radikalen. Radikale sind sehr reaktionsfreudig und versuchen sofort, von anderswo ein

Elektron als Bindungspartner zu gewinnen. Bei dieser Polymerisationsreaktion etwa können
die Radikale mit einem anderen Radikal eine kovalente Bindung eingehen. Dies vollzieht sich
an beiden Enden des Moleküls und lässt die Kette wachsen. Auf diese Weise lassen sich Polyethylenmoleküle bis zu einem Molekulargewicht von 1 Million Gramm pro Mol herstellen (siehe Abbildung 16.2).

Durch den Einsatz verschiedener Katalysatoren und Veränderungen des Drucks lässt sich die

Struktur des Endproduktes steuern. Bei der Polymerisation von Ethylen entstehen so drei
verschiedene Endprodukte:

V Polyethylen-Niedrige Dichte (PE-ND)

t/ Polyethylen-Hohe Dichte (PE-HD)

t/ Vernetztes Polyethylen (VPE)

Polyethylen-Niedrige Dichte (PE-ND) weist an der Kohlenstoffkette einige Verzweigungen auf
und hat deshalb eine geringere Dichte als das lineare Polymer. So entsteht ein verwickeltes Netz
verzweigter Polymerfäden. Dieses Polyethylenprodukt ist weich und flexibel. Es kann folglich
für Frischhaltefolien, Gefrierbeutel, Einkaufstaschen und Mülltüten verwendet werden. Wie
alle anderen Erscheinungsformen von Polyethylen ist es chemikalienresistent

Polyethylen-Hohe Dichte (PE-HD) setzt sich aus eng gepackten linearen Fäden zusammen.

Dieses Polyethylenprodukt ist fest, hart und robust. Man macht daraus zum Beispiel Plastikschüsseln, Spielzeug und Fernseher-Gehäuse. Eines der ersten Produkte aus PE-HD war der Hula-Hoop-Reifen.

Vernetztes Polyethylen (VPE) ist durch Vernetzungen zwischen den linearen Fäden miteinander verbundener Monomere gekennzeichnet und weist daher eine außergewöhnliche Stabilität auf. Wenn Sie einen Kunststoff-Milchgießer zu Hause haben, ist der Deckel wahrscheinlich aus

VPE. Auch die Deckel von PET-Flaschen sind aus VPE gemacht. Die Flaschen selbst bestehen
aus einem anderen Polymer, auf das ich weiter hinten im Kapitel eingehen werde. Hochgradig
vernetztes Polyethylen findet Anwendung in der Fertigung von Prothesen, etwa für Knie- oder

Hüftgelenke.

---• 265 -

�::::===- Chemie für Dummies

"

H

H

I

I

. c
c .

H kein Sauerstoff (,,sehr � reak �tions)

Ethylen

,,,,, ,
freudig

Radika l

Radikal

H H

H H

I

I

I

I

\

-- ·�c-�c:�c-�c /

. c - c . + · C - C ·

·

I

I

I

I

I

I

I

I

H H

H H

H H H H

Vereinigung zwei er Radikale als Anfangspunkt der Kette

Teil der Polyethylen-Polymerkette

Abbildung 16.2: Die Additionspolymerisation von Polyethylen

Poi1Jprop1Jien: Kunststoffseife

Wenn man beim Ethylen ein weiteres Wasserstoff-Atom durch ein anderes Atom ersetzt, kann
man ein völlig anderes Polymer mit anderen Eigenschaften erzeugen. Ersetzt man beispielsweise
ein Wasserstoff-Atom durch eine Methylgruppe, erhält man Propylen. Propylen verfugt, wie Ethylen, über eine Kohlenstoff-Doppelbindung und kann deshalb die gleiche Additionspolymerisation durchlaufen wie Ethylen. Das Ergebnis ist Polypropylen (siehe Abbildung 16.3).

Das kleine n in Abbildung 16.3 steht für die Anzahl der Wiederholungen der dargestellten

Einheit. Wie man sieht, ist eine Verzweigung dieses Polymers eine Methylgruppe. Mit jeder

Änderung der Molekülstruktur ändern sich auch die Eigenschaften des Moleküls. Durch eine
behutsame Anpassung der Reaktionsbedingungen gelingt es den Chemikern, Polymere herzustellen, gleichseitige, alternierende oder zufällig verteilte Verzweigungen zu erzeugen. Je nachdem, wo die Verzweigungen ansetzen, ergeben sich Polymere mit etwas anderen Eigen-266 ---

------- 1 6 � PoltJmere: Gleich und Gleich tJesellt sich 9ern ---
schaften. Polypropylen ist deshalb für vielfältige Zwecke geeignet, etwa Bodenbeläge für den

Außenbereich, Batteriegehäuse, Seile, Flaschen oder Autoverkleidungen.

I

- c jn

H

H

"

/

C = C

Addition

/

"

Polymerisation t� H

H

CH3

I
n

CH3

Propylen

Polypropylen

Abbildung 16.3: Propylen und Polypropylen

Poi1JSt1Jrol: St1Jroporbecher

Ersetzt man eines der Wasserstoff-Atome von Ethylen durch einen Benzolring, entsteht Styrol.

Durch eine Additionspolymerisation wird aus Styrol Polystyrol oder Styropor (siehe Abbildung 16.4).

Addition

Polymerisation

Styrol

Polystyrol

Abbildung 16.4: Stryrol und Polystyrol

Polystyrol oder Styropor ist ein festes Polymer, aus dem man isolierende Trinkbecher, Eierkartons, transparente Trinkbecher und Isolier- und Verpackungsmaterial herstellt. Polystyrol steht in der Kritik von Umweltschützern, weil es weit schwieriger zu recyceln ist und dennoch
so breite Verwendung findet.

Poi1Jr!in1Jichlorid: Rohre und Lederimitat

Ersetzt man ein Wasserstoff-Atom von Ethylen durch ein Chlor-Atom, erhält man ein Chlorethenmonomer (= Vinii-Chlorid), aus dem im Verlauf der Polymerisation Polyvinylchlorid (PVC) entsteht (siehe Abbildung 16.5).

PVC ist ein recht widerstandsfähiges Polymer und wird sehr gern für Rohre aller Art, Bodenbeläge, Gartenschläuche und Spielzeug verwendet. Da dünne PVC-Schichten, die man für Lederimitate verwendet, leicht rissig werden, mischt man dem PVC einen Weichmacher bei

==:....:::� 26 7

---· Chemie für Dummies

(eine Flüssigkeit, die den Kunststoff weicher und lederähnlicher macht). Nach einigen Jahren
können die Weichmacher allerdings aus dem PVC verdunsten, so dass es schließlich brüchig
wird.

H

H

H

H

"

/

C = C

Addition

/

"

Polymerisation

-E?H -?-3n

H

Cl

Cl

Vinylchlorid

Polyvinylchlorid

Abbildung 16.5: Vinylchlorid und Polyvinylchlorid

PoftJtetra(fuorethtJfen: Eine schfüp(ritJe AntJefetJenheit

Ersetzt man alle Wasserstoff-Atome des Ethylen durch Fluor-Atome, erhält man Tetrafluorethylen. Das Tetrafluorethylen kann man dann zu Polytetrafluorethylen polymerisieren, wie Abbildung 16.6 zeigt.

F

F

F

F

"

/

C = C

Addition

/

"

Polymerisation

-E?F -?�

F

F

F

Tetrafluorethylen

Polytetrafluorethyle n

Abbildung 16.6: Tetrafluorethylen und Polytetrafluorethylen

Polytetrafluorethylen ist ein hartes, hitzebeständiges und äußerst glattes Material. Man verwendet es für Lager, Ventilsitze und, was mir persönlich am wichtigsten ist, als Beschichtung für beschichtete Pfannen und Töpfe.

Weitere Additionspolymere finden Sie in Tabelle 16.1 aufgelistet.

Monomer

Polymer

Verwendung

Perücken, Teppiche, Garn

Acrylnitril

Polyacrylnitril

- 26s ..----

------- 1 6 > PollJ.mere: Gleich und Gleich 9esetft sich 9ern ---

Monomer

Polymer

Verwendung

H"-

/ H

C = C

/

"

H

O - C - CH3

Klebstoffe, Latex, Farbe, Kaugummimasse,

II

Textilbeschichtungen

0

II

0

Vinylacetat

Polyvinylacetat

H

Kontaktlinsen, Bowlingkugeln, Plexiglas

II

0

Methylmehacrylat

Polymethylmethacrylat

HzC = CCiz

Lebensmittelverpackungsfolie

Vinylidenchlorid

Polyvinylidenchlorid

Tabelle 16.1: Additionspolymere

Wer wilf, kann ja tJehen: KondensationspoiiJ.merisation

Eine Reaktion, in deren Verlauf sich zwei chemische Komponenten miteinander verbinden
und dabei ein kleines Molekül verdrängen, nennt man Kondensationspolymerisation. Die auf
diese Weise hergestellten Polymere nennt man Kondensationspolymere. Anders als bei der

Additionspolymerisation ist hier eine Doppelbindung nicht notwendig.

Ein kleines Molekül, in der Regel Wasser, wird dabei verdrängt. Meist handelt es sich bei den
beteiligten Molekülen um eine organische Säure und einen Alkohol. Diese beiden Moleküle
reagieren, spalten Wasser ab und bilden eine organische Verbindung, die man Ester nennt.

Wenn die Polymerkette wächst, bildet sie einen Polyester.

Im Folgenden stelle ich Ihnen einige Kondensationspolymere vor. Das geht natürlich nicht,
ohne einige Fachtermini bezüglich funktioneller Gruppen in der organischen Chemie in den

Mund zu nehmen, darunter einige komplexe Namen organischer Verbindungen. Sollten Sie
mit funktionellen Gruppen oder den Benennungsgepflogenheiten der organischen Chemie
nicht so vertraut sein, können Sie die Einzelheiten in Kapitel 14 nachlesen.

---• 269 -

---• Chemie für Dummies

Poi1Jester: FreizeitkleiduntJ und Plastikflaschen

Wenn man Ethylenglykol (mit Alkoholen als funktionelle Gruppen an beiden Kohlenstoff

Atomen) mit Terephthalsäure (mit zwei organischen Säuren als funktionelle Gruppen) reagieren lässt, wird Wasser abgespalten und es entsteht das Kondensationspolymer Polyethylenterephthalat (PET), ein Polyester. Abbildung 16.7 zeigt die Synthese von PET.

0

0

0

0

II

I I

I I

I I

HO - CHzCHz -

+

C

C - OH � tO - CH2CH2 - 0 - C

Ctn + H20

Ethylenglykol

Terephthalsäure

Polyethylenterephthalat

Abbildung 16.7: Die Synthese von PET

Diesen Polyester verwendet man für Textilien (Mann, das erinnert mich an diesen klasse
babyblauen Freizeitanzug, den mir meine Eltern förmlich vom Leib reißen mussten, um ihn
zwischendurch mal zu waschen!), Reifencord zur Verstärkung von Autoreifen, künstliche

Blutgefäße und Kunststoffflaschen.

PollJamide: Hauchzart für Frauenbeine, undurchdrintJiich für Polizisten

Lässt man eine organische Säure mit einem Amin reagieren, wird dabei Wasser abgespalten
und es entsteht ein Amid. Verwendet man dabei eine organische Säure mit zwei Säuren an den

Enden und ein Amin mit zwei Amin-Enden (ein Diamin), dann kann man daraus ein Polyamid
polymerisieren. Polyamid wird auch als Nylon bezeichnet. Abbildung 16.8 zeigt die Reaktion
von 1,6-Hexandiamin und Adipinsäure, bei der Nylon 66 entsteht. (Die Zahl 66 drückt aus, dass
sowohl das Amin als auch die organische Säure über 6 Kohlenstoff-Atome verfügen.)

Die Synthese von Nylon im Jahre 1935 schlug in der Textilindustrie große Wellen. Die ersten

Nylonstrümpfe kamen 1939 auf den Markt. Und während des 2. Weltkriegs wurde jede Menge

Nylon zu Fallschirmen verarbeitet. Wenn man bei nur einem Kohlenstoff-Atom eine Kleinigkeit
ersetzt, wird daraus ein Material, das stabil genug ist für schusssichere Westen.

H

H

0

0

I

H - N CHzCHzCHzCHzCHzCHzN

C(CHz)4C - O H -

1 ,6·Hexandiamin

Adipinsäure

H

H

0

0

I

I

I I

I I
f NCHzCHzCHzCHzCHzCHzN - CCHzCHzCHzCHzC tn + HzO

Nylon 66

Abbildung 16.8: Die Synthese von Nylon 66

- 2 7o ----

------- 1 6 > PoflJmere: Gfeich und Gfeich tJese{{t sich 9ern ---

Sifikone: Größer und besser

Weil Silicium zur gleichen Familie gehört wie Kohlenstoff, können die Chemiker eine Klasse
von Polymeren herstellen, deren Struktur Silicium enthält. Diese Polymere nennt man Silikone. Abbildung 16.9 zeigt die Synthese eines typischen Silikons.

CH3

CH3

CH3

CH3

"- /

"- /

Polymerisation

� Si � � Si � + HzO

HO

0

OH
ein Siliko n

Abbildung 16.9: Die Synthese eines Silikons

Die Silikonpolymere werden von einer starken Silicium-Sauerstoff-Bindung zusammengehalten und können Molekulargewichte erreichen, die in die Millionen gehen. Man verwendet sie als abdichtende und versiegelnde Komponenten und findet sie deshalb in Wachsen, Polituren
und chirurgischen Implantaten. Das meiste Aufsehen in der Presse hat dabei die Verwendung
in der kosmetischen Chirurgie erregt (ich kann mir gar nicht erklären, warum).

Implantate und Prothesen auf Silikonbasis werden schon seit Jahren in der medizinischen

Praxis verwendet. Man greift bei Ohrprothesen, Fingergelenken, Shunts (Prothesen im Bereich
des Kreislaufsystems) und Brustimplantaten darauf zurück. Die Implantate selbst sind mit

Silikonöl gefüllt. Es kommt immer mal wieder vor, dass ein Implantat undicht wird und Silikonöl in das Körperinnere austritt. Im Jahre 1992 fanden sich Hinweise darauf, dass Silikonöl autoimmune Reaktionen im Körper auslösen kann. Obwohl ein Kausalzusammenhang durch
andere Studien nicht nachgewiesen werden konnte, wurden viele Implantate wieder entfernt
und Silikonöl (zumindest in den USA) nicht weiter verwendet.

Polymere haben nicht nur unser äußeres Erscheinungsbild, sondern auch das unserer Gesellschaft verändert. Sie sind vielfältig einsetzbar, relativ kostengünstig herzustellen und haltbar.

Auf der anderen Seite wirft gerade diese Haltbarkeit große Probleme bei der Entsorgung auf.

---· 2 7 1 -

---· Chemie für Dummies

Kunststoffe reduzieren, wiederflerwenden, reclJcefn

Kunststoffe sind im Prinzip unbegrenzt haltbar. Es gibt in der Natur nichts, was eine nennenswerte Verrottung bewirken könnte. Wenn Sie einen Plastikteller, einen Styroporbecher oder eine Einwegwindel verbuddeln und zehn Jahre später wieder ausbuddeln, wird sich so gut wie
nichts verändert haben (außer dass von der Windel nur noch die äußere Hülle übrig sein wird).

Dasselbe Ergebnis werden Sie auch nach hundert Jahren vorfinden. Unsere Kunststoffabfälle
werden uns noch sehr lange erhalten bleiben.

Einige Kunststoffe können als Brennstoffe verbrannt werden. Sie geben dabei viel Wärmeenergie, aber oft auch giftige oder ätzende Gase ab. Bis zu einem gewissen Grad können wir Menschen die Verwendung von Kunststoffen auch einschränken. Viele Styroporverpackungen
kann man durch Verpackungen aus Karton und Zellstoff ersetzen. Die besten Lösungen indes
sind bisher auf dem Gebiet des Recyclings gefunden worden.

Thermoplastische Polymere können eingeschmolzen und neu »in Form gebracht« werden. Dazu
müssen die Kunststoffe allerdings in ihre einzelnen Komponenten zerlegt werden. Die meisten

Plastikbehälter sind auf der Unterseite mit einem Symbol versehen, das den Kunststoff angibt,
aus dem sie bestehen. Anhand dieser Symbole kann das recycelnde Unternehmen die Kunststoffe sortenrein trennen und für die Wiederverwertung vorbereiten. Abbildung 16.10 zeigt die Recycling-Symbole für Kunststoffe und schlüsselt auf, für welche Kunststoffe sie stehen.

PET-Flaschen und Milchflaschen aus PE-HD gehören wohl zu den Kunststoffverpackungen
mit der höchsten Recyclingrate. Das Hauptproblem liegt jedoch nicht bei den für das Recycling
erforderlichen chemischen Verfahren. Viel entscheidender ist es, den Einzelnen, die Familien
und die Industrie zum Recycling zu animieren und einfache Systeme bereitzustellen, über
die Kunststoffabfälle gesammelt und sortiert werden können. Vielerorts geschieht dies in

Deutschland schon mit der Bereitstellung der verschiedenen Müllbehälter (zum Beispiel mit
den sog. gelben Säcken). Denn diese Polymere sind eigentlich zu wertvoll, um sie irgendwo in
der Landschaft verschwinden zu lassen.

ß), PET Polyethylen-Terephthalat

8), PP Polypropylen

8), PE-HO Polyethylen-Hohe Dichte
ß� PS Polystyrol

8� PVC Polyvinylchlorid

8� Andere
t� PE-ND Polyethylen-Niedrige Dichte

Abbildung 16.10: Recyclingcodes für Kunststoffe

- 2 72 ----

Chemie im Haushalt
ln diesem Kapitel

Chemikalien in Reinigern und Waschmitteln finden

Etwas über Chemie in der Kosmetik erfahren

Die Chemie von Drogen und Medikamenten kennen lernen

Wahrscheinlich gibt es keinen Ort, an dem man mit mehr Chemikalien und chemischen

Zusammenhängen konfrontiert wird als zu Hause. In der Küche finden wir Reiniger,

Seifen und waschaktive Substanzen, die meisten davon in Plastikflaschen. Im Bad gesellen sich

Kosmetika, Seifen, Zahnpasta und Medikamente dazu. Meine Frau ist froh, dass sie ihren Privatchemiker zu Hause hat, besonders wenn es darum geht, das Silber zu putzen oder irgendeinen Kleberrest abzulösen. Und dabei habe ich noch gar nicht von den wundersamen chemischen

Reaktionen gesprochen, die sich beim Kochen vollziehen. Es nimmt also nicht Wunder, wenn
man die Konsumchemie auch »Küchenchemie« nennt.

In diesem Kapitel betrachte ich einige Konsumprodukte aus chemischer Sicht. Dabei geht es
um die Chemie der Seifen, Wasch- und Reinigungsmittel, um Einblicke in die Welt der Medikamente und Drogerieartikel und nicht zuletzt auch um solch persönliche Dinge wie Pflegeprodukte, Dauerwellen, Bräuner oder Parfüms. Ich hege dabei die Hoffnung, dass Sie schätzen lernen, was die Chemie zur Vereinfachung und Verbesserung unseres Lebens täglich beiträgt.

(Wie Sie sehen werden, gehören viele Chemikalien des alltäglichen Gebrauchs zu den Säuren
und Basen. Ich lege Ihnen deshalb als ergänzende Lektüre Kapitel 12 ans Herz, wo Säuren und

Basen im Mittelpunkt der Betrachtung stehen.)

Chemie in der Waschküche

Haben Sie auch schon mal vergessen, vor einem Waschgang Waschmittel in die Waschmaschine zu geben? Oder sind Sie einem wortreichen Verkäufer auf den Leim gegangen, der Ihnen versprochen hatte, dass Sie mit dem von ihm verkauften Teil auch ohne Waschmittel saubere

Wäsche haben können? So richtig sauber werden die Sachen nicht geworden sein, oder? Vielleicht hat sich oberflächlich ein wenig Schmutz gelöst, aber Fett- oder Ölflecken sind genau da geblieben, wo sie sich festgesetzt hatten. Das liegt daran, dass nur »Gleiches Gleiches löst«.

Fett und Öl sind unpolare Substanzen, Wasser dagegen ist eine polare Substanz. Deshalb kann

Wasser Fett und Öl nicht lösen. (Wenn Sie daran interessiert sind: Die Frage der Polarität wird
in Kapitel 7 ausführlicher behandelt.) Man könnte theoretisch etwas Benzin (unpolar) in die

Waschmaschine füllen, aber das ist auch nicht das Gelbe vom Ei. Wäre es nicht toll, wenn es
etwas gäbe, mit dem man die Kluft zwischen dem unpolaren Fett und Öl und dem polaren

Wasser überbrücken könnte? Es gibt so etwas: Man nennt es ein Tensid.

--- 2 73 -

---• Chemie für Dummies

Tenside, die man auch oberflächenaktive Waschsubstanzen nennt, reduzieren die Oberflächenspannung des Wassers und ermöglichen so, dass auch unpolare Substanzen wie Fette und Öle

»eingeweicht« werden. Tenside können dies deshalb leisten, weil sie sowohl ein polares als
auch ein unpolares Ende haben.

Das unpolare Ende nennt man auch das hydrophobe Ende. Es besteht in der Regel aus einer
langen Kohlenstoffkette. (Wenn Sie wissensdurstig sind, finden Sie in Kapitel 14 mehr über

Kohlenstoffe, als Sie möglicherweise wissen wollen.) Dieses unpolare Ende löst das unpolare

Fett oder Öl.

Den anderen Teil des Tensidmoleküls, das polare Ende, nennt man auch das hydrophile Ende.

Dieses Ende ist meist ein ionisches Ende und trägt eine negative (anionisches Tensid), eine
positive (kationisches Tensid) oder beide Ladungen (amphoteres Tensid). Es gibt sogar Tenside,
die keine Ladung tragen, die so genannten nichtionischen Tenside. (Alles über Ionen, Anionen,

Kationen und so weiter finden Sie in Kapitel 6.)

Bei den Tensiden, die sich auf dem Weltmarkt tummeln, handelt es sich überwiegend um
anionische Tenside, weil diese am kostengünstigsten herzustellen sind. Abbildung 17.1 zeigt
ein typisches anionisches Tensid.

hyd rophobes Ende
hydrophiles Ende

( un polar)

(polar)

n /n "n /C. t

"n /r.. "n /r.. "n /n "n/n "n /'0 "-n/'0 "n / n" t

:c

:c

:c

:c

:c

:c

:c

:c

,f-0

N a+

:c

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:c

:c

:c

:c

:c

:c

:c

0

W

N

N

N

N

N

N

N

N
l
löst sich in Fett und Ö l
löst sich in Wasser

Abbildung 17.1: Ein typisches anionisches Tensid

Wenn man ein Tensid ins Waschwasser gibt, löst sich das hydrophobe Ende in Öl und Fett auf,
während das hydrophile Ende von den polaren Wassermolekülen angezogen wird. Fett und Öl
werden in kleine Tröpfchen, die so genannten Micelien zerlegt, wobei das hydrophobe Ende

(Kohlenstoff) des Tensids in das Tröpfchen und das hydrophile Ende in das Wasser hineinragt. Dadurch erhält das Tröpfchen eine Ladung (bei einem anionischen Tensid eine negative Ladung). Die so aufgeladenen Tröpfchen stoßen sich gegenseitig ab und können sich nicht
wieder vereinigen. Die Micelien bleiben im Wasser verteilt und werden mit dem Waschwasser
ausgespült.

Die hauptsächlich für das Waschen von Textilien verwendeten Tenside sind Seifen und Waschmittel (Detergenzien).

- 2 74 ----

1 7 > Chemie im Haushalt ---

Alles im Reinen: Seife

Seifen sind die wohl ältesten und bekanntesten Tenside. Man hat Seifen schon vor etwa 5000 Jahren verwendet. Die bei der Herstellung von Seifen genutzte organische Reaktion ist die Hydrolyse von Fetten oder Ölen in einer basischen Lösung. Man nennt diese Reaktion auch hydrolytische Spaltung von Fetten oder Verseifung. Die Produkte dieser Reaktion sind Glycerol und das Salz der Fettsäure. Abbildung 17.2 zeigt die Hydrolyse von Tristearin zu Natriumstearat,
einer Seife. (Das ist die gleiche Seife wie die in Abbildung 17.1 dargestellte.)

CH3(CHzhsCOO - CHz

H O - CHz

I

I

3 NaOH + CH3(CHzhsCOO- CH � 3 CH3(CHzhsCOO- Na+ + H O - CH

I

I

CH3(CHzhsCOO - CHz

H O - CHz

Tristearin

Natriumstearat

Glycerol

(eine Seife)

Abbildung 17.2: Die Herstellung einer Seife durch Verseifung

Unsere Omas machten noch Seifen aus Tierfett, das sie in Wasser und Lauge (Natriumhydroxid, NaOH) in einem großen Kessel aufkochten. Die Lauge wurde aus Holzasche gewonnen.

Nachdem das Ganze ein paar Stunden gesiedet hatte, kam die Seife an die Oberfläche. Man
musste sie nur noch abschöpfen und in Stücke pressen. Mit der Reaktions-Stöchiometrie
hatten unsere Omas allerdings nicht so viel am Hut. So kam es, dass die Seife meist einen zu
hohen Laugenanteil hatte und sehr alkalisch war.

Heute stellt man Seifen etwas anders her. Die Hydrolyse läuft in der Regel ohne Lauge ab.

Neben tierischen Fetten greift man auch auf Kokosöl, Palmöl und Baumwollsamenöl zurück.

Seifenstücken mischt man außerdem gelegentlich ein Scheuermittel bei (etwa Bimsstein),
damit sich hartnäckiger Schmutz wie Fett und Öl besser von der Haut entfernen lassen. Des

Weiteren kann man Duftstoffe zugeben und Luft beimischen, damit die Seife schwimmt.

Allerdings haben Seifen ein paar schwerwiegende Nachteile. Verwendet man Seifen mit saurem

Wasser, werden sie in Fettsäuren umgewandelt und verlieren ihre Reinigungswirkung. Zusammen mit hartem Wasser (Wasser, das Kalzium-, Magnesium- oder Eisen-Ionen enthält), bildet sich ein schmieriges, unlösliches Fällungsprodukt (Ablagerung). Sie kennen das wahrscheinlich als Schmutzring in der Badewanne nach dem Baden. Das ist natürlich Mist! Denn diese Ausfällungen setzen sich nicht nur in der Badewanne, sondern auch in Kleidern, auf Geschirr
und allem anderen ab, was man mit Seifen wäscht. Nun kann man einiges tun, um solche Ablagerungen zu vermeiden. Sie können Ihr Brauchwasser durch eine Wasserenthärtungsanlage jagen (siehe Ach, ist das weich: Wasserenthärtung weiter hinten in diesem Kapitel) oder Sie
können eine synthetische Seife kaufen, die bei hartem Wasser keine Ablagerungen verursacht.

Synthetische Seifen nennt man auch Detergenzien. Kauft man sie am Stück, spricht man von

Syndets.

---• 2 75 -

---• Chemie für Dummies

WelJ mit dem Rand in der Wanne: DeterlJ.enzien

Detergenzien haben dieselbe Grundstruktur wie die Seife in Abbildung 17.1. Ihr hydrophobes

Ende, bestehend aus einer langen unpolaren Kohlenstoffkette, die sich in Fett und Öl löst, ist
das gleiche, etwas anders sieht dagegen das hydrophile Ende aus. Anstelle einer Carboxylatgruppe (-COO·) kann das hydrophile Ende auch aus einer Sulfat- (-O-S03-), einer Hydroxyl

(OH-) oder einer anderen polaren Gruppe bestehen, die zusammen mit hartem Wasser keine

Ausfällungen bildet.

Detergenzien, die für Textilwaschmittel verwendet werden, enthalten zusätzlich zu der waschaktiven Substanz (dem synthetischen Tensid) oft eine ganze Reihe anderer Verbindungen. Dazu gehören die folgenden:

V Wasserenthärter/Gerüststoffe: Diese Verbindungen verstärken die Waschwirkung der

Tenside, indem sie das Wasser weicher (sie entfernen die Ionen des harten Wassers) und
alkalisch machen. Bis in die 70er Jahre wurde in deutschen Waschmitteln Pentanatriumtriphosphat (PNT) verwendet, weil es billig und sicher war. Allerdings war es auch ein guter Nährstoff für Wasserpflanzen und führte nach der Einleitung der Abwässer in die

Flüsse und Seen zu einem übermäßigen Algenwachstum (Eutrophierung), das wiederum
das Leben von Fischen und anderen im Wasser lebenden Organismen bedrohte und zerstörte. Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, verbannte man Phosphate aus Waschmitteln. An ihrer Stelle verwendete man Zeolithe (komplexe Aluminiumsilikate

Verbindungen aus Aluminium, Sauerstoff und Silicium) und Soda, obwohl diese auch
nicht ideale Ergebnisse liefern. Es ist bisher kein effektiver, billiger und unschädlicher

Ersatz für die Phosphate gefunden worden, aber die Forschung auf diesem Gebiet wird
nach wie vor vorangetrieben.

V Füllstoffe/Stellmittel: Verbindungen wie Natriumsulfat (Na2S04) werden dem Detergens
beigegeben, um dem Waschmittel Gewicht, Volumen und Rieselfähigkeit zu geben. Füllstoffe führen jedoch zu einer hohen Belastung der Gewässer mit Salzen. Mit der Einführung von Waschmittelkonzentraten hat man deshalb Alternativen angeboten, die heute auch überwiegend genutzt werden.

V Enzyme: Solche biologische Katalysatoren werden beigegeben, um eiweißbedingte Flecken

(etwas Blut oder Gras) besser entfernen zu können.

V Natriumperborat: Na2B2 H408 wird als Bleichmittel zur Fleckentfernung eingesetzt. Es wirkt,
indem es im Wasser Wasserstoffperoxid erzeugt, das für Textilien wesentlich schonender ist
als Chlorbleiche. Allerdings entfaltet Natriumperborat seine volle Wirkung erst ab einer Wassertemperaturvon 60° Celsius und ist deshalb keine Hilfe für alle, die ihre Wäsche bevorzugt bei niedrigeren Temperaturen waschen.

V Vergrauungsinhibitoren: Diese Verbindungen sorgen dafür, dass der Schmutz im Wasser
gelöst bleibt und sich nicht an einer anderen Stelle der gewaschenen Kleidungsstücke als
berüchtigter »Grauschleier« neu niederlässt.

V Korrosionsschutzmittel: Solche Verbindungen schützen Waschmaschinenteile vor Rost.

- 2 76 ---·

1 7 > Chemie im Haushaft ---

V Optische Aufheller: Mit Hilfe dieser Verbindungen sollen weiße Textilien noch weißer
wirken. (Sie kennen das aus den Werbespots, die man sich besser mit einer Sonnenbrille
ansieht.) Es handelt sich hierbei um sehr komplexe organische Verbindungen, mit denen
die Textilien hauchdünn überzogen werden. Sie absorbieren ultraviolettes Licht und geben es als blaues Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums wieder ab. Abbildung 17.3
illustriert diesen Vorgang.

/

Optischer Aufheller

O ptischer Aufheller

G ewebe

Abbildung 17.3: Optische Aufheller

Um das Ganze zu komplettieren, kommen auch noch Verfärbungsinhibitoren und Duftstoffe
hinzu, damit es nicht zu Verfärbungen kommt und die Wäsche angenehm riecht. Ich wette,

Sie hätten nicht gedacht, dass Wäschewaschen ein so komplexer Vorgang ist.

Ach1 ist das weich: WasserenthärtuntJ

Die Verwendung synthetischer Detergenzien ist eine Möglichkeit, hartem Wasser und dem

Schmutzrand in der Badewanne entgegenzuwirken. Eine andere Möglichkeit besteht darin,
die für die Härte des Wassers verantwortlichen Kationen zu entfernen, bevor Sie in das Leitungssystems Ihres Hauses gelangen. Dazu braucht man eine Wasserenthärtungsanlage (siehe Abbildung 17.4).

Eine Wasserenthärtungsanlage besteht aus einem großen Behälter, der mit einem nicht löslichen Ionenaustauschharz gefüllt ist. Das Harz wird aufgeladen, indem man eine konzentrierte Natriumchloridlösung hindurchlaufen lässt. Die Natrium-Ionen werden dabei von den Polymeren des Harzes festgehalten. Fließt nun das harte Wasser durch die Polymere, werden die wassersteinbildenden Kalzium- und Magnesium-Ionen gegen die Natrium-Ionen des Harzes
ausgetauscht. Dieser chemophysikalische Vorgang ist als Ionenaustausch bekannt. Das enthärtete Wasser enthält nun die Natrium-Ionen, während die Kalzium- und Magnesium-Ionen im Harz festgehalten werden. Nach einer gewissen Zeit ist das Ionenaustauschharz erschöpft und
muss mit Hilfe der Natriumchlorid-Lösung im Reservoir »regeneriert« werden. Die Salzlösung
für die Regeneration kommt nicht mit dem Trinkwasser in Berührung, sondern wird durch

--- 277

--- Chemie für Dummies
mehrere Waschgänge zusammen mit dem Calcium und Magnesium aus dem Austauschharz
in das Abwasser ausgeschwemmt.

H a rtes Wasser

( e nthält

Ca2+, Mg2+,

Fe2+) __..

I onen

Reservoir mit
a usta uschkonzentrierter
granu l at

N atriumc hloridlösung
für die Wiederaufladung

Weiches Wasser

( e nthält N a+) für
den H a usgebra u c h

Drain

Abbildung 17.4: Eine Haushaltswasserenthärtungsanlage

Wenn Sie aus gesundheitlichen Gründen, etwa wegen Bluthochdrucks, eine salzarme Diät einhalten müssen, sollten Sie kein enthärtetes Wasser trinken, weil es eine hohe Konzentation von Natrium-Ionen enthält.

Warum schäumt denn der See?

Die ersten synthetischen Detergenzien konnten nicht von Bakterien oder anderen Organismen der Natur zersetzt werden. Anders ausgedrückt: Sie waren nicht biologisch abhaubar. Diese Detergenzien sammelten sich in Seen und Flüssen und bildeten dort dicke Schaumschichten. Durch Veränderungen der Formeln konnte man diese Schaumbildung
jedoch verhindern.

Weißer als weiß: Bleichmittel

Bleichmittel nutzen Redox-Reaktionen, um Farben aus einem Material zu entfernen. (Mehr
über Redox-Reaktionen erfahren Sie in Kapitel 9.) Die meisten Bleichmittel sind Oxidationsmittel. Das am häufigsten in Haushalten verwendete Bleichmittel ist eine 5-prozentige Natriumhypochlorit-Lösung (Bleichlauge).

- 2 7s ----

1 7 > Chemie im Haushaft ---

Eine solche Bleichlauge wird hergestellt, indem man Chlorgas durch eine Natriumhydroxid

Lösung leitet:

2NaOH(aq) + Cl2(g) --t NaOCl (aq) + NaCl(aq) + H20(1)

Das von Bleichlaugen freigesetzte Chlor kann Textilien beschädigen. Darüber hinaus ist eine

Wirkung bei Textilien aus Polyester kaum noch festzustellen.

Man hat daher Bleichmittel auf der Basis von Natriumperborat auf den Markt gebracht, die
etwas pfleglicher mit Textilien umgehen. Diese Bleichmittel erzeugen Wasserstoffperoxid, das
wiederum beim Kontakt mit Sauerstoff in Wasser und Sauerstoff zerfällt:

Küchenchemie

Wenn Sie einen Blick in den Unterschrank Ihrer Spüle werfen, werden Sie wahrscheinlich
eine Menge Produkte finden, die Chemikalien enthalten (abgesehen davon befinden sie sich in

Plastikflaschen, die auf chemischem Wege hergestellt wurden).

Alles sauber: Allzu!eckreinitJer

Die meisten Allzweckreiniger bestehen aus Tensiden und Desinfektionsmitteln. Sehr gebräuchlich ist zum Beispiel Ammoniak, weil es mit Fett reagiert und keine Rückstände hinterlässt.

Auch Orangen- oder Zitronenöl-Lösungen von Verbindungen, die man Terpene nennt - werden
wegen ihres angenehmen Geruchs, ihrer Fettlösekraft und ihrer antibakteriellen Wirkung
gerne verwendet.

Am besten mischen Sie Haushaltsreiniger nicht miteinander. Besondere Vorsicht
ist bei Bleichmitteln mit Ammoniak oder Salzsäure (HCl) geboten. Es können dabei
giftige Gase entstehen, die sehr gefährlich sind.

Spüli und Konsorten: Spülmittel

Spülmittel sind wesentlich einfacher gestrickt als Waschmittel. Sie enthalten ein Tensid (normalerweise ein nichtionisches), ein wenig Farbstoff und einen Wirkstoff, der die Hände pflegt.

Die Detergenzien in Spülmitteln sind bei weitem nicht so alkalisch wie die in Waschmitteln.

Anders ist das bei Spülmaschinentabs oder -pulver. Die hier verwendeten Detergenzien sind
hochalkalisch und enthalten nur wenig Tenside. Der hohe pH-Wert ist für die Verseifung der

Fette erforderlich (ähnlich wie bei der Seifenherstellung), und der Reinigungseffekt wird durch
die hohe Temperatur und die Bewegung des Wassers erreicht. Dabei setzen sie sich hauptsächlich aus dem alkalischen Natrium-Metasilikat (HNa2H2Si04), dem reinigenden Pentanatriumtriphosphat NasPP10 und ein wenig Chlorbleiche zusammen.

--- 2 79

---• Chemie für Dummies

Chemie im Badezimmer

Auch im Badezimmer ist chemisch gesehen ganz schön was los. All die Pflegeprodukte für Haut
und Haare, Cremes und Lotionen, damit man gut aussieht und riecht und sogar schmeckt.

Auch im Rachen lässt sich u/as machen: Zahnpasta

Wenn man an den Regalen für die Mundhygiene vorbeiflaniert, kann man eine erstaunliche

Vielfalt an Zahnpasten in verschiedensten Farben und Geschmacksrichtungen bestaunen. Bei
aller Verschiedenheit der äußeren Erscheinung sind die grundlegenden Inhaltstoffe jedoch
gleich. Die Hauptbestandteile jeder Zahnpasta sind ein Tensid (Detergens) und ein ScheuermitteL Letzteres hat die Aufgabe, den Schmutzfilm von den Zähnen zu rubbeln, ohne die Zähne zu beschädigen. Dafür nimmt man in der Regel Kreide (CaC03), Titandioxid (Ti02) und

Calciumhydrogenphosphat (CaHP04). Alles, was sonst noch dazu kommt, ist für die Farbe,
den Geschmack und andere Eigenschaften zuständig. Tabelle 17.1 führt Ihnen die allgemeine

Zusammensetzung von Zahnpasta vor Augen. Dabei können die prozentualen Anteile und die
spezifischen chemischen Verbindungen von Zahnpasta zu Zahnpasta variieren.

Funktion

Möglicher Inhaltsstoff

Prozentualer Anteil

Lösungs- und Füllstoff

Wasser

30-40%

Detergens

Natriumlaurylsulfat, Seife

4%

Putz- oder Reibekörper

Calciumkarbonat (Kreide), Calciumhydrogen30-50%
phosphat, Titandioxid, Natriummetaphosphat,

Silicat (Kieselerde), Aluminium

Süßstoff

Glycerin, Saccharin, Sorbitol

15-20%

Verdickungsmittel

Carrageen, Zellulosederivate

1%

Fluorid

Zinn- oder Natriumfluorid

1%

Geschmack

Wintergrünöl, Pfefferminze, Erdbeere, Limette

1%
und so weiter

Tabelle 17.1: Typische Zahnpastarezepturen

Die Zugabe von Zinn- oder Natriumfluorid hat sich als effektive Maßnahme im Rahmen der

Kariesvorsorge erwiesen, weil das Fluorid-Ion zu einem Bestandteil des Zahnschmelzes wird
und diesen härter und widerstandsfähiger gegen Säuren macht.

Puh! Deodorants und Antitranspirants

Unser Körper kann durch das Schwitzen seine Temperatur regulieren. Der dabei ausgeschiedene Schweiß enthält neben Natriumchlorid und anderen nicht organischen Verbindungen auch Amine, leichte Fettsäuren und Eiweiße. Einige dieser organischen Verbindungen riechen
recht unangenehm. Und durch die Einwirkung von Bakterien wird der Geruch sicher nicht besser. Mit Hilfe von Deodorants und Antitranspirants kann man den »peinlichen Schwitzfleck«

- 2so ----

1 7 >- Chemie im Haushalt ---
und den daraus resultierenden gesellschaftlich unerwünschten Geruch in Grenzen halten. (Das
ist eine echt professionelle Annäherung an das Thema Körpergeruch, was?)

Deodorants enthalten Duftstoffe, die den Körpergeruch überdecken, und einen antibakteriellen Wirkstoff, der die Geruch verursachenden Bakterien zerstört. Darüber hinaus können sie auch Substanzen wie Zinkperoxid enthalten, die die Amine und Fettsäuren zu weniger stark
riechenden Verbindungen oxidieren.

Antitranspirants hemmen oder stoppen die Transpiration. Sie wirken adstringierend, das heißt,
sie verengen die Kanäle der Schweißdrüsen. Die am häufigsten verwendeten Antitranspirants
sind Aluminiumverbindungen - Aluminiumchlorhydrate Al2(0H)5Cl, Al2(0H)4Cl2 und so weiter, hydratisiertes Aluminiumchlorid (A1Cl3 *6H20) und andere.

Weich und schön: Die Chemie der HautpfletJ.e

Bienenwachs, Walrat (Walöl), Borax. Sie werden überrascht sein, was in dem Zeug alles drin
ist, das wir an unsere Haut lassen (außer Wasser und ... Sie wissen schon).

Cremes und Lotionen

Unsere Haut ist ein komplexes Organ, das hauptsächlich aus Eiweiß und natürlichen Makromolekülen (Polymeren, siehe Kapitel l6) besteht. Gesunde Haut enthält etwa 10 Prozent Flüssigkeit. Cremes und Lotionen sollen die Haut geschmeidig und feucht halten.

Weichmacher machen die Haut weich. Vaseline (ein Gemisch aus Alkanen mit 20 und mehr

Kohlenstoffatomen, die aus Rohöl gewonnen werden), Lanolin (ein Gemisch aus Estern, die
aus Schafwollfett gewonnen werden) und Kakaobutter (ein Gemisch aus Estern, die aus Kakaobohnen gewonnen werden) sind exzellente Weichmacher.

Hautcremes werden normalerweise auf der Basis von Öl-in-Wasser- oder Wasser-in-Öl-Emulsionen hergestellt. Eine Emulsion nennt man eine kolloide (kaum noch zu erkennende) Verteilung einer Flüssigkeit in einer anderen (um Kolloide geht es in Kapitel ll). Eine solche Emulsion soll die Haut gleichzeitig weich machen und befeuchten. Fette oder halbfette Feuchtigkeitscremes werden für die Entfernung von Make-up und zum Fetten der Haut verwendet, während schnell einziehende Feuchtigkeitscremes die Haut glatter aussehen lassen, indem sie
die Fältchen füllen. Typische Zusammensetzungen von Fettcremes und schnell einziehenden

Cremes sind:

Fettcreme

Schnell einziehende Creme

20-50% Wasser

70% Wasser

30-60% Mineralöl

10% Glyzerin

12-15% Bienenwachs

20% Stearinsäure/Natriumstearat

5-15% Lanolin oder Walöl

1% Borax

Spuren von Duftstoffen

--- 28 1

---· Chemie für Dummies

Körper- und Gesichtspuder

Körper- und Gesichtspuder sollen die Haut trocken und weich machen. Hauptbestandteil
beider Puder ist Talkum (Mg3(Si205)2(0H)2), ein Mineral, das sowohl Öl als auch Wasser absorbiert. Meist werden noch schweißhemmende Adstringenzien und Bindemittel zugesetzt, damit der Puder besser auf der Haut haftet. Tabelle 17.2 zeigt eine typische Zusammensetzung von

Körperpuder, Tabelle 17.3 eine typische Zusammensetzung von Gesichtspuder.

Inhaltsstoff

Funktion

Prozentualer Anteil

Talkum (Speckstein)

Absorbans, Grundstoff

50-60%

Kreide (CaC03)

Absorbans

10-15%

Zinkoxid (ZnO)

Adstringens

15-25%

Zinkstearat

Bindemittel

5-10%

Parfüm, Farbstoffe

Geruch, Farbe

Spuren

Tabelle 17.2: Typische Zusammensetzung von Körperpuder

Inhaltsstoff

Funktion

Prozentualer Anteil

Talkum (Speckstein)

Absorbans, Grundstoff

60-70%

Zinkoxid

Adstringens

10-15%

Kaolin (Al2Si05)

(hochreine Tonerde)

Absorbans

10-15%

Magnesium- und Zinkstearate

5-15%

Cethylalkohol

Bindemittel

1%

Mineralöl

Weichmacher

2%

Lanolin, Parfüm, Farbstoffe

Weichmacher, Geruch, Farbe

2%

Tabelle 17.3: Typische Zusammensetzung von Gesichtspuder

Schau mir in die Au9en

Lidschatten und Maskara setzen sich hauptsächlich aus Weichmachern, Lanolin, Bienenwachs
und Farbstoffen zusammen. Maskara färbt die Wimpern dunkel und lässt sie länger erscheinen.

Die typischen Zusammensetzungen von Lidschatten und Maskara sehen so aus:

Lidschatten

Maskara

55-60% Vaseline

45-50% Seife

5-15% Fette und Wachse

35-40% Wachs und Paraffin

5-10% Lanolin

5-10% Lanolin

15-25% Zinkoxid

1-5% Farbstoffe

1-5% Farbstoffe

- 282 ----

1 7 >- Chemie im Haushalt ---

Rote Lippen soll man küssen: Lippenstift

Lippenstifte halten die Lippen geschmeidig und schützen sie vor dem Austrocknen. Ach ja,
attraktive Farben haben sie natürlich auch (hätte ich fast vergessen). Sie bestehen hauptsächlich aus Wachsen und Ölen. Eine wohlausgewogene Zusammensetzung ist sehr wichtig, damit sich der Lippenstift leicht auftragen und auch leicht - aber nicht zu leicht - wieder entfernen
lässt, wenn er nicht mehr erwünscht ist. Für die Farbe sorgt in der Regel ein Fällungsprodukt

(Feststoff) eines Metall-Ions und eines organischen Farbstoffs. Tabelle 17.4 zeigt eine typische

Zusammensetzung eines Lippenstifts.

Inhaltsstoff

Funktion

Prozentualer Anteil

Rizinusöl (Castoröl), Mineralöl, Fette

Farblösungsmittel

40-50%

Lanolin

Weichmacher

20-30%

Karnaubawachs, Bienenwachs

Versteifung

15-25%

Farbstoffe

Farbe

5-10%

Parfüm und Aromastoffe

Geruch und Geschmack

Spuren

Tabelle 17.4: Typische Zusammensetzung eines Lippenstifts

Zei9en Sie die Krallen: Na9ellack

Nagellack ist ein synthetischer Lack, der seine Flexibilität einem Polymer und einem Weichmacher (eine mit Plastik gemischte Flüssigkeit) verdankt. Bei dem Polymer handelt es sich in der Regel um Nitrozellulose. Als Lösungsmittel werden Aceton und Ethylacetat verwendet, die
man auch in den Nagellackentfernern vorfindet.

Welch ein Duft! Parfüms, Gesichtswasser und Aftersharles

Der Hauptunterschied zwischen einem Parfüm, einem Gesichtswasser und einem Aftershave
liegt in der Menge der verwendeten Duftstoffe. An der Spitze liegt hier das Parfüm mit 10 bis

25 Prozent, gefolgt vom Gesichtswasser mit 1 bis 3 Prozent und dem Aftershave mit weniger als

1 Prozent. Als Duftstoffe werden gewöhnlich organische Ester, Alkohole, Ketone und Aldehyde
verwendet. Parfüme enthalten zudem Fixiermittel. Das sind Verbindungen, die dafür sorgen,
dass die Duftstoffe nicht zu schnell verfliegen.

Skurrilerweise kann man über den Geruch und die Herkunft einiger Fixiermittel nur wenig

Erfreuliches berichten. Zibeton wird aus den Afterdrüsen der Zibetkatze (eine Skunk-ähnliche
chinesische Schleichkatze) gewonnen, Ambergris aus den Eingeweiden des Pottwals und Indole
aus Fäkalien. Ich möchte das jetzt nicht weiter ausführen.

Parfüme werden aus verschiedenen Duftnoten komponiert. So nennt man Duftstoffe mit ähnlichen Aromen, aber unterschiedlichen Flüchtigkeiten (die Leichtigkeit, mit der sich eine Substanz in ein Gas verflüchtigt). Der flüchtigste Duft bildet die Top- oder Kopfnote, die aus

Ölen mit kurzlebigem Duft oder geringer Duftintensität besteht. Dieser folgt die Mittelnote mit
mittelstarken und mittelschnell verfliegenden Düften. Sie verbindet die Topnote mit der Basis-

---• 283 -

---• Chemie für Dummies
note, den langsam verfliegenden, schweren Düften, die am längsten wahrgenommen werden.

Abbildung 17.5 zeigt die chemische Struktur einiger in Parfümen verwendeten Duftstoffe.

Ist es nicht wahnsinnig praktisch, dass man sich Düfte auch ansehen kann?

0

0

II
o-

II
o-CH

CH,CH � CHCH,CH,

CH3

Zitrus

Jasmo

Phenylacetaldehyd

(Zitrone)

(Jasminl

(Hyazinthen/Flieder)

OH

II
c

/ '-

CH3 CH3
l rone

2-Phenylethanol

Linaloöl

(Veilchen I

(Rosenl

(Lavendell

Ziveton

(Moschus)

Abbildung 17.5: Parfüm-Duftstoffe

Sonnenöl und Sonnencreme: Schön braun

Mit der Hautbräune schützt sich unser Körper auf natürliche Weise vor der schädlichen OV

Strahlung des Sonnenlichts. Das OV-Spektrum besteht aus zwei Bereichen: dem OV-A-Bereich
und dem OV-B-Bereich. Der OV-A-Bereich ist langwelliger und führt eher zur Bräunung als zum

Sonnenbrand. Dieser wird von der Strahlung des OV-B-Bereichs verursacht. Wenn man sich
allzu häufig schädlicher OV-Strahlung aussetzt, erhöht man damit möglicherweise die Gefahr,
irgendwann an Hautkrebs zu erkranken, der sich etwa in Gestalt von Melanomen zeigt.

Sonnenöle und Sonnencremes schützen die Haut, indem sie die OV-Strahlung des Sonnenlichts teilweise oder ganz abblocken und damit einen längeren Aufenthalt in der Sonne gestat-2 84 ......:::::==

1 7 >- Chemie im Haushalt ---
ten, ohne dass die Haut verbrennt. Manche Sonnenöle und -cremes filtern sowohl den UV-A- als
auch den UV-B-Bereich aus dem Sonnenlicht heraus. Andere wiederum konzentrieren sich
auf den UV-B-Bereich und lassen die UV-A-Strahlung passieren, damit der Körper Melanin
produzieren kann, ein dunkles Pigment, das dem Körper die erwünschte Bräune und einen
natürlichen Schutz gegen UV-Strahlen verleiht.

Sonnenschutz-Produkte werden nach ihrem Lichtschutzfaktor (LSF) klassifiziert. Die Zahl
des Lichtschutzfaktors gibt an, wie viel länger man sich mit der Sonnencreme ungefährdet
in der Sonne aufhalten kann als ohne diesen Schutz. Wenn Sie also eine Sonnencreme mit

Lichtschutzfaktor 10 auftragen, können Sie etwa zehnmal länger ohne Sonnenbrand in der

Sonne liegen als ohne Sonnencreme.

Es wird momentan darüber gestritten, ob Sonnenschutzmittel mit einem LSF über 15 stärker
schützen als der Wert 15, denn nur wenige Sonnenschutzmittel blocken die UV-A-Strahlung
wirklich ab. Die Untersuchungen der FDA (Food and Drug Administration) laufen aber noch.

Es gibt eine ganze Reihe chemischer Substanzen, die UV-Strahlung wirksam abblocken. Eine
deckende Cremeschicht aus Zinkoxid und Titandioxid ist der wirksamste Sonnenschutz. Darüber hinaus werden auch para-Aminobenzoesäure, Benzophenon und Cinnamat als UV-Filter verwendet. In letzter Zeit hat man sich mit der Verwendung von para-Aminobenzoesäure allerdings zurückgehalten, weil es toxisch ist und vielfach Allergien hervorgerufen hatte.

Abbildung 17.6 zeigt die chemischen Strukturen einiger Verbindungen, die in Sonnenschutzprodukten zu finden sind. Das dort abgebildete Dihydroxyaceton erzeugt Hautbräune ohne das Einwirken von Sonnenlicht, indem es mit der Haut reagiert und dabei braune Pigmente
erzeugt.

0

II

C - OH

0

II

0'0 0 II

H OCH2 - C - CH20H
pa ra-Aminobenzoesäure

Benzophenon

Dihydroxyaceton

(PAB)

0

-o- �

CH30

C = C H - O H

M ethoxyc in n a matsä u re

M ethoxyc i nna matsä u re-De rivat

Abbildung 17. 6: Bräunungs- und Sonnenschutzprodukte

---• 285 -

---· Chemie für Dummies

Waschen1 färben1 letJen: Die Chemie der Haarpfletje

Unsere Haare bestehen aus einem Eiweiß mit dem Namen Keratin. Die Eiweißketten eines

Haares sind durch so genannte Disulfid-Bindungen miteinander verbunden, eine Schwefel

Schwefel-Verbindung zwischen dem Cystin (einer Aminosäure-Komponente des Haars) einer

Eiweißkette mit dem Cystin einer anderen Eiweißkette.

Abbildung 17.7 zeigt einen Teil eines Haares und die Disulfid-Bindungen, die zwei Eiweißketten miteinander verbinden. Diese Querverbindungen geben dem Haar seine Stärke. (Mehr über die Disulfid-Bindungen erfahren Sie im Abschnitt Es dauert die Welle ... weiter hinten
in diesem Kapitel.)

NH

NH

I

I

C = O

C = O

I

I

CHCHzS - SCHzCH

I

I

NH

NH

I

I

C = O

C = O

I

I

CHCHzS - SCHzCH

I

I

NH

NH

I

I

C= O

C = O

I

I

RCH

RCH

I

Disulfid

Querverbindung

Abbildung 17. 7: Disulfid-Bindungen bei Haaren

Shampoos: DetertJenzien, die Sie sich in die Haare schmieren können

Unsere heutigen Shampoos sind einfache Tenside wie Natriumlaurylsulfat und Natriumdodecylsulfat. Darüber hinaus enthalten Shampoos jedoch noch andere Inhaltstoffe, die mit den Metall-Ionen in hartem Wasser reagieren, damit sich keine Ausfällungen bilden. (Man könnte
auch sagen, sie verhindern den »Badewannenrand« in Ihren Haaren.)

Weitere Inhaltsstoffe sorgen für einen angenehmen Duft, wirken rückfettend (Spülungen,

Conditioner) und regeln den pH-Wert des Haares. (Haut und Haare sind leicht alkalisch. Ein
stark alkalisches oder basisches Shampoo schadet dem Haar, also wird der pH-Wert im Bereich
zwischen 5 und 8 angesetzt. Ein höherer pH-Wert führt auch dazu, dass sich die Schuppen
auf der Haaroberfläche auffächern und das Licht nicht mehr so gut reflektieren. Das Haar
wirkt dann stumpf.) Manchen Shampoos wird noch ein Eiweiß beigegeben, das gespaltene

Haarspitzen (Haarspliss) wieder zusammenkleben soll. Farb- und Konservierungsstoffe runden
das Ganze ab.

286 ---

1 7 > Chemie im Haushalt ---

Farbe ins Haar!

Haare haben zwei Pigmente: Melanin und Phaeomelanin. Melanin ist dunkelbraun und Phaeomelanin rötlich-braun. Die natürliche Farbe des Haares wird durch die Anteile dieser beiden Pigmente bestimmt. Rotschöpfe haben viel weniger Melanin, Brünette haben viel mehr Melanin. Blonde haben von beidem sehr wenig. (Nein, ich erzähle jetzt keinen Blondinenwitz!) Man kann Haare bleichen, indem man mit Hilfe von Wasserstoffperoxid die gefärbten Pigmente
bis zur Farblosigkeit oxidiert. Allerdings wird das Haar dadurch schwächer und spröde, weil das

Haareiweiß in Verbindungen mit geringerem Molekulargewicht aufgebrochen wird. Manchmal
werden auch (teurere) Perborat-Verbindungen oder chlorbasierte Bleichen zum Bleichen von

Haaren verwendet.

Sie können Ihre Haarfarbe auch vorübergehend ändern, indem Sie einfach Farbstoffe nehmen,
die Ihre Haare nur überziehen. Solche Verbindungen bestehen aus komplexen organischen

Molekülen, die zu groß sind, um in das Haar einzudringen, und sich deshalb an der Oberfläche
anlagern. Ein Zwischending sind Haarfarben, deren kleinere Moleküle in das Haar eindringen
können. Sie enthalten häufig Chrom- oder Kobaltkomplexe. Die Farbstoffe halten ein paar

Haarwäschen stand. Da die Farbmoleküle jedoch klein genug waren, in das Haar einzudringen,
können sie das Haar natürlich auf demselben Weg auch wieder verlassen.

Dauerhafte Färbungen werden praktisch im Haar selbst vorgenommen. Dazu bringt man
zunächst kleine Farbmoleküle in das Haar hinein und oxidiert diese dann (meist mit Wasserstoffperoxid) bis zu einer Größe, die ein Ausschwemmen unmöglich macht. In dem so behandelten Teil des Haares verbleibt die Farbe dauerhaft. Das nachwachsende Haar muss natürlich irgendwann in der Farbe angepasst werden. Ärgern Sie sich nicht. Sie tun damit viel für die

Erhaltung von Arbeitsplätzen in der Haare schneidenden Zunft!

Bei einem anderen Haarfärbeverfahren vollzieht sich die Veränderung der Haarfarbe langsam
über einen Zeitraum von einigen Wochen hinweg, so dass die Farbveränderung nicht so auffällt

(zumindest, wenn man nur mit sehr oberflächlichen Leuten zu tun hat). Dazu gibt man eine

Lösung mit Bleiacetat auf die Haare. Die Blei-Ionen reagieren mit den Schwefel-Atomen in
den Haareiweißen und bilden Bleisulfid (PbS), das schwarz und unlöslich ist. Anstatt die Farbe
durch das Einwirken von Sonnenlicht zu verlieren, wie das bei anderen Farbstoffen der Fall
ist, wird das mit PbS behandelte Haar tatsächlich dunkler.

Zum Haare ausraufen: Enthaaruntj.scremes

Enthaarungscremes entfernen Haare mit Hilfe einer chemischen Reaktion. Der darin enthaltene Wirkstoff, in der Regel Natriumsulfid, Calciumsulfid oder Calciumthioglycolat bricht die Disulfid-Bindungen im Haar auf und löst dieses auf. Meist enthalten die Zusammensetzungen
eine Grundlage wie Calciumhydroxid, das den pH-Wert anhebt und die Wirkung des Enthaarungswirkstoffs verstärkt. Ein Detergens und ein Hautpflegezusatz wie Mineralöl runden die Enthaarungscreme ab.

---• 287 -

---• Chemie für Dummies

Es dauert die Welle ...

Es sind die Disulfid-Bindungen, die für die Form Ihres Haares verantwortlich sind, seien sie
nun gelockt oder kerzengerade. Wenn Sie diese natürliche Form ändern wollen, müssen Sie die

Disulfid-Bindungen aufbrechen und neu ausrichten. Nehmen wir an, Sie möchten aus Ihrem
geraden, langen Haar eine gelockte Mähne machen und gehen zum Friseur Ihres Vertrauens, um
sich eine Dauerwelle machen zu lassen. Ihr Friseur behandelt Ihre Haare zunächst mit einem

Reduktionsmittel, das die Disulfid-Bindungen aufbricht. Dazu wird meist Thioglykolsäure

(HS-CH2-COOH) verwendet. Anschließend werden die Eiweißketten Ihrer Haare mittels Lockenwicklern neu ausgerichtet. Abschließend kommt ein Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid zum Einsatz, das die Disulfid-Bindungen in der neuen Ausrichtung wieder herstellt. Die jeweils verwendeten Lösungen werden mit wasserlöslichen Polymeren verdickt, eine Zugabe
von Ammoniak regelt den pH-Wert auf einen basischen Wert und ein Schuss Pflegemittel kann
auch nicht schaden. Abbildung 17.8 veranschaulicht den ganzen Vorgang.

Red uktion durch

Thioglykolsäure
s s s s

(»Wellen«)

SH SH SH SH

I

I

I

I
s s s s

SH SH SH SH
ursprüngliches Haar

Disulfid-Bindungen

� J

'h'"

� Oxidation
s s
s
s s
durch H202
c:,Y.. Srl SH SH Sf.t

\

\

I

I 1

(»Fixieren»)

s s s s s

�

�
neue Disulfid-Bindungen

Verschiebung der Eiweißketten
werden gebildet
durch Lockenwickler

Abbildung 1 7.8: Wir machen eine Dauerwelle.

Will man gelockte Haare glatt ziehen, geschieht das auf dieselbe Weise, nur dass die Haare nicht
auf Wickler gerollt, sondern gerade gezogen werden. Natürlich muss man die ganze Prozedur
wiederholen, wenn die Haare eine Zeit lang gewachsen sind.

Meiner Meinung nach heißt die Dauerwelle ja Dauerwelle, weil es zur lebenslangen Aufgabe
wird, seine Haare auf diese Weise in Form zu halten.

Medizinschränkchen .. Chemie

Ein kurzer Blick in Ihr Medizinschränkchen zeigt mir, dass Sie eine nicht unbeträchtliche

Menge Medikamente dort aufbewahren. Nun könnte ich mich hier seitenweise über die Chemie
der Wirkungen und Wechselwirkungen der dort vereinten Wirk- und Hilfsstoffe auslassen. Ich

- 2ss ----

1 7 >- Chemie im Haushaft ---
halte es jedoch für besser (mein Verleger nickt eifrig), hier nur das eine oder andere Wort über
ein paar Medikamente zu verlieren.

Die Geschichte des Aspirins

Schon im 5. Jahrhundert vor Christus wusste man, dass man durch das Kauen von Weidenrinde Schmerzen lindern kann. Aber erst im Jahre 1860 konnte man die chemische Verbindung nachweisen, die für diese analgetische Wirkung verantwortlich ist: die Salicylsäure. Sie schmeckte sehr sauer und brachte den Magen in Aufruhr. Im Jahre 1875 erschufen die Chemiker
das Natriumsalicylat. Es war auch nicht sehr magenfreundlich, schmeckte aber dafür weniger
bitter als die Salicylsäure. Im Jahre 1899 schließlich brachte die Bayer AG unter dem Namen

Aspirin die Acetylsalicylsäure auf den Markt, die durch die Reaktion von Salicylsäure mit Essigsäureanhydrid gewonnen wurde. Abbildung 17.9 zeichnet die Geschichte des Aspirins nach.

--

---

Weidenrinde

S. Jh. v. Chr.

�

0

II

OC-OH OH

Salicylsäure

1860 isoliert

0

/
o::ow + CH3- -fo c-o- -fo

II
c - CH3

Essigsäureanhydrid

Natriumsalicylat

1875

0

II

OCO-OCH -CH3

II

0

Essigsä ure

Acetylsalicylsäure

(Aspirin)

1899

Abbildung 17.9: Die Geschichte des Aspirins

---• 289 -

---• Chemie für Dummies

Aspirin ist das meistverwendete Medikament der Welt. In den USA werden jedes Jahr über

55 Milliarden Aspirintabletten verkauft.

Minoxidil und ViaiJra

Wissenschaftliche Fortschritte erfordern harte Arbeit, eine gute Ausbildung, Intuition, Vorahnungen und natürlich Glück. Dieses Glück nennt man gelegentlich auch unerwartete Entdeckungen. Oder man sagt, wie ich das gerne formuliere, »man findet etwas, was man gar nicht gesucht hat«. Kapitel 20 erzählt die Geschichten zehn zufälliger Entdeckungen. Aber da wir
gerade das Medizinschränkchen auf haben, möchte ich schnell noch ein paar andere zufällige

Entdeckungen erwähnen.

Von kahlen Stellen auf dem Kopf sind weltweit Millionen Männer und auch Frauen betroffen.

Minoxidil, ein das Haarwachstum fördernder Wirkstoff, der in Deutschland für Männer seit 2001,
für Frauen seit März 2004 zugelassen ist, wurde per Zufall entdeckt. Im Verlauf der Anwendung
als oral verabreichtes Medikament gegen Bluthochdruck berichteten Patienten von außerordentlichem Haarwachstum Also wandte man es fortan lieber lokal und äußerlich an als oral.

Die viel gepriesenen Eigenschaften von Viagra verdanken ihre Entdeckung einem ähnlichen

Zufall. Auch Viagra wurde in der Bluthochdruck-Therapie eingesetzt, bis man immer wieder
von (nicht nur) Aufsehen erregenden Nebenwirkungen hörte. Wie man hört, sollen an Versuchsreihen beteiligte männliche Testpersonen sich geweigert haben, ihre nicht verwendeten Viagra-Dosen zurückzugeben.

Die erwähnten zufälligen Entdeckungen haben millionenschwere Industrien hervorgebracht
und zahllosen Männern und Frauen zu Glück verholfen.

- 29o ----

Hust! Hust! Keuch! Keuch!

Lu(tflerschmutzun9

Jn diesem Kapitel

Die Teile der Atmosphäre kennen lernen, die bei der

Luftverschmutzung eine Rolle spielen

Sich das Ozonloch und den Treibhauseffekt näher ansehen

Die Ursachen des photochemischen Smog und des sauren Regens untersuchen

I m Mittelpunkt
persönlich
dieses
halte ja Kapitels
die
steht

Parfümab die globale
teilungen

Problem
großer
atik

Kaufhäu der
ser Luft
in verschmutzung.

der

(Ich

Vorweihnachtszeit
für die übelste Form der Luftverschmutzung, aber davon will ich hier nicht weiter reden.) Ich
werde mich dem Problem aus der chemischen Perspektive nähern und erklären, inwiefern
die Luftverschmutzung mit der durch einen hohen Energiebedarf und unsere persönlichen

Mobilitätsbedürfnisse und -erfordernisse gekennzeichneten modernen Gesellschaft zusammenhängt.

Zitlilisation und Atmosphäre

(oder: Wo der 9anze Schlamassel anfäntj.t)

Ohne die unseren Planeten umgebende Luft - die Atmosphäre - ist Leben auf der Erde nicht
möglich. Die Atmosphäre liefert Sauerstoff (02) zum Atmen und Kohlenstoffdioxid (C02) für
die Photosynthese, den Prozess, mit dessen Hilfe Organismen (in der Hauptsache Pflanzen)

Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Darüber hinaus regelt sie die Temperatur auf
der Erde und spielt eine aktive Rolle in vielerlei Zyklen, die das Leben auf der Erde erhalten.

Sie wird dabei von vielen auf der Erde ablaufenden chemischen Reaktionen beeinflusst.

Als es nur wenige Menschen auf der Erde gab, war deren Einfluss auf die Atmosphäre eine
zu vernachlässigende Größe. Mit steigenden Bevölkerungszahlen schlug sich die Zivilisation
jedoch zunehmend in der Atmosphäre nieder. Die seit dem Zeitalter der Industriellen Revolution
aus dem Boden gestampften riesigen Industrieanlagen trugen das Ihre dazu bei. Die zunehmende Verbrennung fossiler Brennstoffe - organischer Substanzen wie Kohle und Öl, die in riesigen unterirdischen Vorkommen gefunden und für die Versorgung mit Energie ausgebeutet
wurden - ließ den Ausstoß von Kohlenstoffdioxid (C02) und Partikeln (kleine Feststoffpartikel,
die sich in der Luft verteilen) in die Atmosphäre beträchtlich anwachsen. Zudem begannen die

Menschen mit fortschreitender Industrialisierung Produkte wie Haarsprays und Klimaanlagen
zu entwickeln und zu verwenden, die unsere Luft mit weiteren chemischen Verbindungen
verschmutzten.

---• 29 1 -

---• Chemie für Dummies

Die zunehmende C02- und Partikelbelastung hat zusammen mit der Zunahme anderer Schadstoffe zu Störungen in den Gleichgewichten der Atmosphäre geführt. Hohe Schadstoffkonzentrationen in der Atmosphäre verursachen zahlreiche Probleme. Ich denke da etwa an den sauren Regen, der organisches Leben und Gebäude angreift und zerstört, und den photochemischen

Smog, diesen braunen, wabernden Dunst, der oft wie eine Glocke über großen Städten liegt.

Atmen oder nicht atmen: Unsere Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht aus mehreren Schichten: der Troposphäre, der Stratosphäre, der

Mesosphäre und der Thermosphäre. Ich möchte mich hier auf die der Erde am nächsten liegenden Schichten, die Troposphäre und die Stratosphäre, konzentrieren, weil diese zuallererst von den Einwirkungen des Menschen betroffen sind.

V Die Troposphäre ist der Erdoberfläche am nächsten und enthält die Gase, die wir atmen
und für unser Überleben brauchen.

V Die Stratosphäre enthält die Ozonschicht, die uns vor der ultravioletten Strahlung der

Sonne schützt.

Die Troposphäre: Hier bin ich Mensch� hier atme ich ein

Die Troposphäre besteht zu etwa 78, 1% aus Stickstoff (N2), zu 20,9% aus Sauerstoff (02), zu

0,9% aus Argon (Ar), zu 0,03% aus Kohlenstoffdioxid (C02) und aus kleineren Mengenanteilen verschiedener anderer Gase. Dazu kommen wechselnde Anteile an Wasserdampf. Diese Gase werden durch die Schwerkraft in Erdnähe gehalten. Wenn ein Ballonfahrer hoch in die

Troposphäre aufsteigen würde, könnte er feststellen, dass die Dichte der atmosphärischen

Gase dort oben aufgrund der abnehmenden Wirkung der Schwerkraft viel geringer ist (die

Luft ist »dünner«). Daran sieht man deutlich, dass die dichte Gasschicht in Erdnähe von den

Verschmutzungen umso mehr betroffen ist.

Die Troposphäre ist auch die Schicht der Atmosphäre, in der sich das Wetter abspielt. Darüber
hinaus ergibt sich aus der Nähe zur Erde, dass die Troposphäre die Hauptlast der natürlichen
und menschlichen Versehrnutzung zu tragen hat.

Auch die Natur verschmutzt die Erde in einem gewissen Ausmaß - mit schädlichem Schwefelwasserstoff (H2S), Aschepartikeln aus Vulkanen und der Abgabe organischer Verbindungen durch Pflanzen wie Kiefern. Diese Versehrnutzung wirkt sich jedoch kaum auf die Troposphäre
aus. Der Mensch hingegen kleckert nicht. Er klotzt und lädt Massen von Schadstoffen aus

Autos, Kraftwerken und Industrieanlagen in der Troposphäre ab. Saurer Regen und photochemischer Smog gehören zu den Folgeerscheinungen menschlicher Schadstoffproduktion.

- 292 ----

------• 1 8 > Hust! Hust! Keuch! Keuch! Lu(tflerschmutzuniJ ---·

Die Stratosphäre: Schutzschild Ozonschicht

Über der Troposphäre liegt die Stratosphäre, in der sich Flugzeuge und Hochleistungsballons
tummeln. In dieser Schicht ist die Atmosphäre aufgrund der abnehmenden Schwerkraft viel
dünner. Bis hierher dringen nur wenige der schwereren Schadstoffe vor, weil sie von der

Schwerkraft nahe an der Erdoberfläche gehalten werden. In der Stratosphäre befindet sich die

Ozonschicht. Dieser Schutzschild absorbiert große Mengen der schädlichen ultravioletten (UV)

Strahlung der Sonne und hält sie uns weitgehend vom Leib.

Auch wenn die schweren Schadstoffe nicht bis in die Stratosphäre vordringen, bedeutet das
nicht, dass diese Schicht gegen das Treiben der Menschen immun wäre. Leichte, industriell
hergestellte Gase schaffen es bis ganz nach oben, greifen dort die Ozonschicht an und zerstören
sie. Diese Zerstörung kann für jeden einzelnen von uns weitreichende Folgen haben, denn die

UV-Strahlung ist die Hauptursache für Hautkrebs.

Chemische Substanzen sind nicht an sich gut oder schlecht. Es kommt immer
darauf an, wo sich ihre Wirkung entfaltet und wie hoch die Konzentration der

Substanz ist. So kann auch Wasser schaden, wenn man zu viel davon trinkt oder
der Keller voll läuft. Dasselbe gilt für das Ozon in der Stratosphäre. Auf der einen

Seite schützt es uns vor der schädlichen UV-Strahlung. Auf der anderen Seite aber
kann es auch reizen und Produkte aus Gummi zerstören. (Mehr dazu im Abschnitt

Braune Luft? (Photochemischer Smog) weiter hinten in diesem Kapitel.)

Hände UlefJ tlon meinem Ozon:

HaarspraiJ., FCKWs und das Ozonloch

Die Ozonschicht absorbiert etwa 99% der ultravioletten Sonnenstrahlung, die die Erde erreicht.

Sie schützt uns damit vor einer Überdosis ultravioletter Strahlung, die sonst zu Sonnenbränden,

Hautkrebs, grauem Star und vorzeitiger Hautalterung führen würde. Ohne die Ozonschicht
wäre es uns kaum möglich, unsere Freizeit in der freien Natur ohne einen Ganzkörperschutz
zu genießen.

Wie wird Ozon (03) gebildet? Nun, in der Mesosphäre - dem Teil der Erdatmosphäre, der
zwischen der Stratosphäre und der Thermosphäre liegt - wird Sauerstoff durch ultraviolette

Strahlung in hochreaktive Sauerstoffatome gespalten. Diese Sauerstoffatome verbinden sich
dann mit Sauerstoffmolekülen in der Stratosphäre zu Ozon.

02(g) + ultraviolette Strahlung � 2 O(g)

02(g) + O(g) � 03(g)

Unsere menschlichen Gesellschaften blasen viele gasförmige Chemikalien in die Atmosphäre.

Viele dieser Chemikalien zerfallen, indem sie miteinander reagieren, oder sie reagieren mit
dem Wasserdampf in der Atmosphäre und bilden dabei Verbindungen wie Säuren, die dann
mit Regen wieder auf die Erde fallen (siehe den Abschnitt »!eh zerrfliiiiiiiiiiiiiieße!« - Saurer

Regen weiter hinten in diesem Kapitel).

---· 293 -

---• Chemie für Dummies

Aber diese Reaktionen vollziehen sich ziemlich schnell, und wir können auf verschiedene Arten
mit ihnen fertig werden, indem wir zum Beispiel die Reaktionskette bis zur Entstehung der

Schadstoffe unterbrechen und durch Filter verhindern, dass die betreffenden Chemikalien erst
in die Luft gelangen.

Einige Klassen gasförmiger chemischer Verbindungen sind allerdings eher träge (nicht reaktionsfreudig) und bleiben uns daher länger erhalten. Wie das so ist, wirken sie sich natürlich negativ auf die Atmosphäre aus. Eine dieser Klassen sind die Fluorchlorkohlenwasserstoffe,
gasförmige Verbindungen aus Chlor, Fluor, Wasserstoff und Kohlenstoff. Man nennt diese

Verbindungen auch kurz FCKWs.

Weil die FCKWs so träge sind, hat man sie lange Zeit großzügig als Kühlmittel in Kühlschränken und Auto-Klimaanlagen (Freon-12), als Schaumbildner für Kunststoffe wie Styropor oder als Treibmittel in den Sprühdosen für Deos und Haarsprays verwendet. So kam es, dass FCKWs
in großen Mengen in die Atmosphäre gelangten. Über die Jahre haben sich die FCKWs in der

Stratosphäre verteilt und richten dort jetzt Schäden an.

Wie schiidi9en FCKWs die Ozonschicht?

Obwohl die FCKWs in Erdnähe kaum zu Reaktion neigen - sie sind ziemlich träge -, sind sich
die meisten Wissenschaftler einig, dass sie mit dem Ozon in der Atmosphäre reagieren und
dann die Ozonschicht in der Stratosphäre beschädigen.

Diese Reaktion läuft folgendermaßen ab:

1 . Ein typischer Fluorchlorkohlenwasserstoff, CF2Cl2, reagiert mit der ultravioletten Strahlung. Es bildet sich ein hochreaktives Chlor-Atom.

CF2Cl2(g) + UV-Licht � CF2Cl(g) + Cl(g)

2. Das reaktionsfreudige Chlor-Atom reagiert mit dem Ozon in der Stratosphäre und es entstehen Sauerstoff und Chloroxid.

Cl(g) + 03(g) � 02(g) + ClO(g)

Dies ist die Reaktion, die die Ozonschicht zerstört. Würde das Ganze hier aufhören, wären
unsere Probleme heute eher klein.

3. Das Chloroxid (ClO) kann nun mit einem anderen Sauerstoff-Atom in der Stratosphäre
reagieren und dabei ein Sauerstoffmolekül und ein Chlor-Atom bilden. Dieses steht nun
erneut für den Ozon schädigenden Prozess zur Verfügung.

ClO(g) + O(g) � 02(g) + Cl(g)

Ein einziges FCKW-Molekül kann also einen Prozess einleiten, der viele Ozonmoleküle
zerstört.

- 294 ---·

------- 18 � Hust! Hust! Keuch! Keuch! Lu{tflerschmutzuntJ ---•

Werden FCKWs immer noch produziertJ

Das Ozonloch wurde in den 70er Jahren entdeckt. Als die Zusammenhänge erkannt waren,
verlangten viele Regierungen in den Industrienationen eine drastische Verringerung der Einbringung von FCKWs und Halonen in die Atmosphäre. (Halone enthalten neben Fluor und Chlor auch Brom und wurden oft als Feuerlöschmittel verwendet, besonders in Feuerlöschern
in der Umgebung von Computeranlagen.)

FCKWs wurden in vielen Ländern als Treibmittel aus den Spraydosen verbannt, und die für
die Herstellung von Kunststoffen und Schaumstoffen verwendeten FCKWs fing man im Produktionsprozess wieder auf, anstatt sie in die Atmosphäre entweichen zu lassen. Neue Gesetze stellten sicher, dass die als Kühlmittel verwendeten FCKWs und Halone, die beim Neubefüllen
und bei Reparaturen von Produkten anfielen, ebenfalls aufgefangen wurden. Im Jahre 1991
produzierte die Firma DuPont Kühlmittel, die für die Ozonschicht unschädlich waren. In

Deutschland wurden Produktion und Gebrauch mit der FCKW-Halon-Verbotsverordnung
im Jahr 1991 festgelegt. 1992 stellte Deutschland die Produktion von Halonen und 1995 die

Produktion von FCKW nahezu vollständig ein. 1996 folgten dem auch die USA, zusammen mit

140 anderen Ländern.

Unglücklicherweise sind diese Verbindungen sehr stabil. Sie werden noch viele Jahre in unserer

Atmosphäre verbleiben. Sollte der Schaden, den wir an der Ozonschicht angerichtet haben,
nicht zu groß sein, kann sie sich vielleicht erholen (ähnlich wie bei einem Sonnenbrand eine
neue Hautschicht die verbrannte ersetzt). Aber es wird viele Jahre dauern, bis die Ozonschicht
ihre frühere Form wieder erreicht haben wird.

Ist Ihnen auch so heißl (Der Treibhauseffekt)

Die meisten Leute verbinden mit dem Phänomen Luftverschmutzung solche Chemikalien wie

Kohlenstoffmonooxid, Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffe. Aber auch das

Kohlenstoffdioxid, das wir und alle Tiere ausatmen und das die Pflanzen für die Photosynthese
brauchen, muss in der enormen Menge, in der es schon seit einiger Zeit in die Atmosphäre
abgegeben wird, als Schadstoff angesehen werden. 23% der weltweiten Kohlenstoffdioxid

Emission werden von den USA verursacht, gefolgt von China (12%), der GUS (9%), Japan (5%)

und Deutschland (4%) .

I n den späten 70er und frühen 80er Jahren stellten Wissenschaftler eine Erhöhung der Durchschnittstemperatur auf der Erde fest. Sie ermittelten die vermehrten Emissionen von Kohlenstoffdioxid (C02) und einigen anderen Gasen, darunter FCKWs, Methan (CH4, ein Kohlenwasserstoff) und Wasserdampf (H20) als für die leichte Erhöhung der Temperatur verantwortliche Umweltfaktoren und gaben dem Prozess als Ganzem den Namen Treibhauseffekt (weil die Gase
im Prinzip denselben Effekt haben wie die Glaskonstruktion eines Treibhauses - die Gase selbst
nennt man auch Treibhausgase).

Und so entsteht dieser Treibhauseffekt: Die Sonnenstrahlen durchdringen die Erdatmosphäre,
treffen auf die Erde auf und erwärmen Land- und Wasserflächen. Ein Teil der solaren Energie
wird als Wärme in die Atmosphäre reflektiert (infrarote Strahlung) und dort von bestimmten

===--- 295

---· Chemie für Dummies

Gasen (C02, CH4, H20 und FCKW) absorbiert. Diese Gase erwärmen wiederum die Atmosphäre.

Mit Hilfe dieses Prozesses wird die Temperatur auf der Erde und in der Atmosphäre relativ
konstant in einem gemäßigten Bereich gehalten. Dramatische, von einem Tag auf den anderen
erfolgende Temperaturveränderungen bleiben uns deshalb erspart. Generell ist der Treibhauseffekt also eine durchaus gute Sache.

Wenn allerdings die Menge an Kohlenstoffdioxid und anderen Treibhausgasen in der Atmosphäre sehr stark zunimmt, wird dort zu viel Wärme festgehalten. Die Atmosphäre erwärmt sich, und in der Folge werden viele der empfindlichen Gleichgewichte auf der Erde aus dem

Lot gebracht. Dieser Prozess, den man gemeinhin globale Erwärmung nennt, vollzieht sich
zurzeit in der Erdatmosphäre.

Wir sind im Bereich der Energieerzeugung auf fossile Brennstoffe (Kohle, Erdgas, Erdöl) angewiesen. Wir verfeuern weltweit Kohle und Erdgas in Kraftwerken und verbrennen weltweit Benzin in den Motoren unserer Autos und Nutzfahrzeuge. Darüber hinaus sind viele Industriezweige weltweit in ihren Produktionsabläufen auf große Hitze angewiesen, die wiederum durch Verbrennung von Brennstoffen entsteht. So ist es kein Wunder, dass die Kohlenstoffdioxid

Emission von 318 Millionen ppm (parts per million) im Jahre 1960 auf 362 Millionen ppm im

Jahre 1998 angestiegen ist. (Einzelheiten über die Konzentrationseinheit ppm finden Sie in

Kapitel l ! .) Der Überschuss an Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre hat zu einem Anstieg der

Durchschnittstemperatur der Atmosphäre um ein halbes Grad Celsius geführt.

Ein halbes Grad Celsius hört sich vielleicht nicht nach viel an, aber dieser Trend zur globalen

Erwärmung kann sich dramatisch auf die ökologischen Systeme der Erde auswirken:

V Die steigenden Temperaturen der Atmosphäre können dazu führen, dass ein Teil der polaren Eismassen abschmilzt und der Meeresspiegel weltweit ansteigt. Dadurch würde ein großer Teil der Küsten verloren gehen (Houston in Texas würde zu einer Küstenstadt) und
viel mehr Menschen als bisher wären der Gefahr von Sturmfluten ausgesetzt.

V Die steigenden Temperaturen können sich auf die Wachstumskurven der Pflanzen auswirken.

V Die tropischen Regionen breiten sich möglicherweise aus, was auch zu einer Ausbreitung
von Tropenkrankheiten führen kann.

Braune Luft) ( Photochemischer SmolJ)

Smog ist eine Wortschöpfung, mit der man versucht hat, die Kombination von Rauch (smoke)

und Nebel (fog) treffend zu benennen. Es gibt zwei Arten von Smog:

V Landon-Smog

V Photochemischer Smog

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------· 1 8 >- Hust! Hust! Keuch! Keuch! Lu(trlerschmutzunfJ ---
london�Smo9

Landon-Smog ist ein atmosphärisches Gasgemisch aus Nebel, Ruß, Asche, Schwefelsäure

(H2S04, Batteriesäure) und Schwefeldioxid (S02). Der Name geht auf die spezielle Art der

Luftverschmutzung zurück, unter der London im frühen 20. Jahrhundert zu leiden hatte. Sie
rührte von den Fabriken und den Kohleöfen der bevölkerungsreichen Stadt her, mit denen
die Bürger ihre Häuser beheizten. Am schlimmsten war der Smog in den austauscharmen

Wetterlagen im Winter. Im Jahre 1952 starben mehr als 8000 Menschen an dem gefährlichen

Gemisch aus Gasen und Ruß, das aus den Öfen und Fabrikschloten waberte.

Elektrostatische Filter und Entschwefelungsanlagen (siehe die Abschnitte Aufladen und raus
damit: Elektrostatische Filter und Spülwasser: Nasse Entschwefelung weiter hinten in diesem

Kapitel) konnten, zusammen mit anderen Filtern, die Emissionen von Ruß, Asche und Schwefeldioxid reduzieren und damit die Häufigkeit des London-Smogs eindämmen.

Photochemischer Smo9

Dagegen plagt der photochemische Smog, den man auch unter dem Namen Sommersmog
kennt, die Ballungsgebiete der westlichen Welt recht häufig. Er entsteht, wenn die Sonne auf
unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide (gewöhnlich mit NOx abgekürzt, was für ein

Gemisch aus NO und N02 steht) einwirkt und dabei bestimmte chemische Reaktionen auslöst. Diese beiden Verbindungen werden zum Beispiel aus laufenden Verbrennungsmotoren ausgestoßen.

Photochemischer Smog ist als braune Dunstglocke zu erkennen, die sich über große Städte
legt und sie praktisch im Nebel verschwinden lässt. Städte wie Los Angeles, Salt Lake City,

Denver, Phoenix und Athen sind besonders anfällig für den photochemischen Smog, weil dort
zum einen Massen von Autos die schädlichen chemischen Verbindungen liefern und andererseits rundherum Bergketten die Städte geografisch einkesseln. Diese Berge schaffen bei westlichen Windströmungen ideale Bedingungen für die so genannten Inversionswetterlagen, so dass die Schadstoffe über der Stadt festgehalten werden. (Inversionswetterlagen sind dadurch
gekennzeichnet, dass sich eine warme Luftschicht über eine kalte Luftschicht schiebt und
diese samt der darin enthaltenen Schadstoffe nicht nach oben entweichen lässt. Die Schadstoffe
bleiben also in Bodennähe und verursachen vielen Menschen gesundheitliche Probleme. Man
kann das etwa mit einer Bettdecke vergleichen, die ebenfalls gewisse unangenehme Gase im

Bett festhält.)

Die chemischen Abläufe beim photochemischen Smog sind noch nicht völlig klar (das Wortspiel ist beabsichtigt). Bekannt sind nur die Grundvoraussetzungen, die zur Entstehung des Smogs beitragen. Stickstoff aus der Atmosphäre wird in Verbrennungsmotoren zu Stickstoffmonooxid oxidiert, das wiederum den Motor über den Auspuff verlässt und in die Atmosphäre entweicht:

--- 297 -

.:=:==== Chemie für Dummies

Das Stickstoffmonooxid wird beim Kontakt mit dem Sauerstoff der Atmosphäre zu Stickstoffdioxid oxidiert: 2 NO(g) + 02(g) � 2 N02(g)

Stickstoffdioxid ist ein bräunliches Gas, das die Augen und die Lunge reizt. Es absorbiert Sonnenlicht und zerfällt in Stickstoffmonooxid und hochreaktive Sauerstoff-Atome: N02 (g) + Sonnenlicht � NO(g) + O(g)

Die hochreaktiven Sauerstoff-Atome reagieren schnell mit zweiatomigen Sauerstoffmolekülen
in der Luft und produzieren dabei Ozon (03):

O(g) + 02(g) � 03(g)

Es handelt sich dabei um dasselbe Ozon, das in der Stratosphäre als Schutzschild gegen die
ultraviolette Strahlung der Sonne dient. In Erdnähe führt es zu erheblichen Reizungen der

Augen und der Atemwege. Ozon greift Gummi an und lässt ihn verhärten. Das verkürzt zum

Beispiel die Lebensdauer von Autoreifen und Dichtungen. Auch manche Pflanzen, etwa Tomaten und Tabak, werden von Ozon angegriffen.

Unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die den Auspuffanlagen entströmen, reagieren ebenfalls
mit Sauerstoff-Atomen und Ozon und bilden dabei eine Vielzahl verschiedener organischer

Aldehyde, die ebenfalls aggressiv wirken. Bei der Reaktion mit zweiatomigem Sauerstoff und

Stickstoffdioxid bilden Kohlenwasserstoffe Peroxyacetylnitrat (PAN), eine ebenfalls hochreaktive Verbindung: Kohlenwasserstoffe(g) + 02(g) + N02(g) � PANs

Auch diese PANs reizen Augen und Atemwege und schädigen lebende Organismen.

Das braune Stickstoffdioxid, das Ozon und die PANs bilden zusammen den photochemischen

Smog. Er mindert die Sicht und verursacht zahlreiche Atemprobleme. Unglücklicherweise
lässt er sich bisher nur schwer eindämmen.

Die Fahrzeugemissionen werden streng überwacht, damit so wenig wie möglich unverbrannte

Kohlenwasserstoffe in die Atmosphäre gelangen. Gesetze wurden verabschiedet, um den Kohlenwasserstoffausstoß von Fahrzeugen zu reduzieren. Katalysatoren wurden entwickelt, um aus gefährlichen Kohlenwasserstoffen ungefährlicheres Kohlenstoffdioxid und Wasser zu machen.

(Nebenbei wurde dabei auch das Blei aus dem Benzin verbannt, weil es die Katalytschicht in
den Katalysatoren unbrauchbar machte. Die Kampagne gegen das Blei im Benzin hat eine der

Hauptquellen der Schwermetallbelastung unserer Umwelt beseitigt.)

All diese Maßnahmen haben ihre Wirkung gezeigt, aber sie konnten den photochemischen

Smog dennoch nicht aus der Welt schaffen. Solange der Mensch keinen adäquaten Ersatz für
den Verbrennungsmotor findet oder sich mehr auf öffentliche Verkehrsmittel besinnt, werden
wir auch in den kommenden Jahren mit dem photochemischen Smog leben müssen.

298 ---

------• 1 8 > Hust! Hust! Keuch! Keuch! Lu(trlerschmutzuniJ. ---•

»Ich zerrfliiiiiiiiiiiiiieße!« - Saurer Re9en

Die böse Hexe des Westens in »Der Zauberer von Oz« löst sich in Wasser auf. So geht es auch
so manchem Gebäude infolge der Einwirkung des sauren Regens auf Kalkstein und Marmor.

Regenwasser ist von Natur aus sauer (der pH-Wert liegt unterhalb von 7), weil sich Kohlenstoffdioxid in der Feuchtigkeit der Atmosphäre löst und sich Kohlenstoffsäure bildet. (Mehr über Kohlenstoffsäure und die pH-Skala erfahren Sie in Kapitel 12.) Dieses Zusammenspiel
führt dazu, dass der pH-Wert von Regenwasser bei etwa 5,6 liegt. Von saurem Regen spricht
man erst bei einem weit niedrigeren (saureren) pH-Wert, der sich auch nicht mehr nur auf das
gelöste Kohlenstoffdioxid zurückführen lässt. Vielmehr bildet sich saurer Regen, wenn sich
bestimmte Schadstoffe in der Atmosphäre, hauptsächlich Stickstoff- und Schwefeloxide, im

Wasserdampf der Atmosphäre lösen und den pH-Wert so weit drücken, dass man von saurem

Regen sprechen muss.

Stickstoffoxide (NO, N02 und so weiter) entstehen auf natürlichem Weg, wenn sich Blitze in
der Atmosphäre entladen. Die Natur bindet so gewissermaßen auf natürlichem Weg Stickstoff
und stellt ihn den Pflanzen in einer nutzbaren Form zur Verfügung. Ein erheblicher Teil der
in der Atmosphäre vorhandenen Stickstoffoxide geht jedoch auf unser Konto. In den Verbrennungsmotoren unserer Autos reagieren die Kohlenwasserstoffe des Benzins mit dem Sauerstoff der Luft und produzieren Kohlenstoffdioxid (und Kohlenstoffmonooxid) und Wasser. Allerdings
kann bei den hohen Temperaturen in den Motoren auch der in der Luft vorhandene Stickstoff
mit dem Sauerstoff reagieren. Dabei kann Stickstoffmonooxid entstehen, das dann durch den

Auspuff gepustet wird:

N2(g) + 02(g) --7 2NO(g)

Beim Austritt in die Atmosphäre reagiert das NO mit Sauerstoff und bildet Stickstoffdioxid

(N02):

2 NO(g) + 02(g) --7 2 N02(g)

Dieses Stickstoffdioxid wiederum reagiert mit dem Wasserdampf in der Atmosphäre und bildet

Salpetersäure und salpetrige Säure:

2 N02(g) + H20(g) --7 HN03(aq) + HN02(aq)

Diese schwach sauren Lösungen fallen dann als saurer Regen auf die Erde - der pH-Wert liegt
dabei meist zwischen 4 und 4,5, es wurden aber auch schon Werte um 1,5 gemessen.

Ein großer Teil des sauren Regens im Osten der USA ist durch Stickstoffoxide bedingt, während
im Mittelwesten und Westen Schwefeloxide, die in Kraftwerken und bei der Verbrennung von

Kohle und Öl entstehen, für den niedrigen pH-Wert des Regens verantwortlich sind. Schwefelhaltige Verbindungen finden sich als Verunreinigungen in Kohle und Öl, manchmal bis zu einem Gewichtsanteil von 4%. Bei der Verbrennung wird daraus Schwefeldioxid-Gas (S02).

Kraftwerke emittieren jährlich viele Millionen Tonnen Schwefeldioxid in die Atmosphäre.

====-....:� 299 -

---• Chemie für Dummies

Dieses Schwefeldioxid reagiert dort zum einen mit dem Wasserdampf und bildet schweflige

Säure (H2S03), zum anderen mit dem Sauerstoff und bildet Schwefeltrioxid (S03):

S02(g) + H20(g) � H2S03(aq)

2S02(g) + 02(g) -7 2S03(g)

Dieses Schwefeltrioxid reagiert dann mit der Feuchte in der Atmosphäre und bildet Schwefelsäure (Hß04), eine Säure, die man auch in Autobatterien findet: S03(g) + H20(g) � Hß04(aq)

Die schweflige Säure und die Schwefelsäure lösen sich im Regenwasser auf und machen den

Regen so richtig schön sauer. Na, kann ich Sie vielleicht für ein Bad in Batteriesäure begeistern?

Die in der Atmosphäre entstehenden Säuren können Hunderte von Kilometern wandern, bevor
sie als saurer Regen vom Himmel fallen und ihre schädlichen Auswirkungen entfalten. Sie reagieren mit dem Eisen in Bauwerken und Autos und verursachen Rost. Sie zerstören die feinen Details von Skulpturen und Zeugnissen alter Baukunst, indem sie mit Marmor und Kalkstein
reagieren und lösliche Verbindungen bilden, die dann ausgewaschen werden. (Wenn Sie diesen

Vorgang im Modell betrachten wollen, müssen Sie nur einen Tropfen Essig, eine Säure, auf
ein Stück Marmor tropfen. Sie können zusehen, wie sich Bläschen bilden, während die Säure
den Marmor auflöst. Aber nehmen Sie nichts Wertvolles dafür - vielleicht diesen hässlichen

Käseschneider, den Tante Renate Ihnen letztes Jahr zu Weihnachten geschenkt hat.)

Es überrascht nicht, dass sich der saure Regen auch auf die Vegetation schädlich auswirkt. Er
ist die Hauptursache für das Waldsterben, das viele Bäume und ganze Wälder vernichtet hat.

Und selbst wenn die Bäume nicht gleich zugrunde gehen, hemmt der saure Regen in jedem

Fall ihr Wachstum. Durch die Versauerung der Böden werden die Feinwurzeln der Bäume
beschädigt. Die Versorgung des Baumes mit Wasser und Mineralstoffen wird beeinträchtigt.

Zusätzlich werden vermehrt giftige Metall-Ionen von Schwermetallen und Aluminium im

Boden freigesetzt, die die Aufnahme von Nährstoffen beeinträchtigen. Auch auf die im Boden
lebenden Bakterien und Pilzgeflechte, die mit den Bäumen symbiotisch verbunden sind, wirkt
sich der saure Regen schädlich aus.

Darüber hinaus hat saurer Regen auch die Ökosysteme vieler Seen verändert. Es wurde von

Fischsterben berichtet, die in einigen Seen ganze Fischarten ausgerottet haben. Das Ökosystem
anderer Seen wurde völlig zerstört. Nur lebloses Wasser blieb zurück.

Man hat Maßnahmen ergriffen, die den sauren Regen und seine Auswirkungen eindämmen
sollen. Verbesserungen der Motoreneffizienz und der Einsatz der Katalysatortechnik sind

Beiträge zur Senkung der Stickstoffoxid-Emissionen in die Atmosphäre. Die Hauptbelastung
kommt indes aus den Kraftwerken, die fossile Energieträger in Strom umsetzen. Hier hat man
eine Reihe von technischen Möglichkeiten, den Schadstoffausstoß zu mindern, etwa elektrostatische Filter und Entschwefelungsanlagen, auf die ich im folgenden Abschnitt eingehen möchte. Auch wenn sich dadurch die Emissionen Säure bildender Verbindungen in die Atmosphäre verringern lassen, bleibt immer noch sehr viel zu tun, bis wir davon sprechen können, das Problem des sauren Regens im Griff zu haben.

300 =---

------· 18 � Hust! Hust! Keuch! Keuch! Lu{tr!erschmutzuntJ. ---

Wie steiles denn mit der Lu(tt{uafitätJ

Sicher hat sich die Luftqualität in vielen Städten in den letzten 15 Jahren verbessert. Gesetzgeberische Maßnahmen, gefolgt von ihrer allmählichen Umsetzung nach dem jeweiligen Stand der Technik, haben zu einer Minderung der Emissionen von Stickstoffoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen geführt, so dass sich das Ausmaß des photochemischen Smog merklich reduziert hat.

Auch die Schwefeldioxid-Emissionen aus Kraftwerken konnten in den westlichen Industrieländern durch Rauchgasentschwefelungsanlagen gesenkt werden, so dass wir mit weniger saurem Regen zu kämpfen haben. Darüber hinaus ist zu hoffen, dass das Verbot
von FCKW sich positiv auf die Ozonschicht auswirken wird. Man kann also sagen, dass
sich unsere Luft in vielerlei Hinsicht verbessert hat und weiter verbessern wird. Dennoch
gibt der Mensch global betrachtet immer noch gigantische Mengen Kohlenstoffdioxid in
die Atmosphäre ab (ich denke da neben den USA zum Beispiel an China) und verbraucht
riesige Mengen an pflanzlicher und tierischer Biomasse. Verbrauchte pflanzliche Biomasse kann aber kein Kohlenstoffdioxid mehr verbrauchen.

Die Auswirkungen der immensen Kohlenstoffdioxid-Emissionen
tagtäglich weltweit diskutiert. Alle sind sich über die
einig. Gestrit en wird nur um das
richtige Maß. Wenn die Menschheit
der
und der Heiztechnik ihre
von

Brennstoffen überwinden kann und deren Kapazitäten
auf die Solar-, die Atom- oder
sogar die Fusionstechnik übertragen
kann, dann wird es uns vielleicht möglich sein, die
zu senken. Mit dieser
man, sofern man
dem
riesiger

Wälder Einhalt gebietet, das
der globalen Erwärmung in
bekommen.

Aufladen und raus damit: Elektrostatische Filter

Haben Sie als Kind auch schon einmal an einem kalten Wintermorgen Ihre Haare gekämmt
und dann mit dem Kamm kleine Papierschnipsel hochgehoben? Ein elektrostatischer Filter
funktioniert ganz ähnlich.

Elektrostatische Filter laden die Schmutzpartikel zunächst negativ auf. Die Seiten des Filters
sind positiv geladen, so dass die negativ geladenen Partikel von den positiv geladenen Seitenwänden angezogen werden. Dort bleiben sie hängen und sammeln sich, bis sie entfernt werden (das ist so ähnlich, wie wenn man die Wollmäuse unter dem Bett wegkehrt).

Bei einem bestimmten elektrostatischen Filtersystem lässt man das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe anfallende S02 mit Kalk (Caü) reagieren, so dass sich der Feststoff Calciumsulfit bildet: S02(g) + Caü(s) � CaS03(g)

Das schließlich abgespaltene Calciumsulfit wird elektrostatisch abgeschieden und gesammelt
und kann anschließend ordnungsgemäß deponiert werden.

--- Chemie für Dummies

Spülwasser: Nasse EntschwefeluntJ

Bei der nassen Rauchgasentschwefelung, wie sie in Deutschland bei 80 Prozent der Verbrennungskraftwerke zum Tragen kommt, werden die Rauchgase mit dem in wässriger Lösung enthaltenen Absorptionsmittel abgekühlt und mit Wasserdampf gesättigt. Als Absorptionsstoffe kommen verschiedene Stoffe wie Ammoniak oder Natriumsulfit zur Anwendung. Am weitesten verbreitet ist allerdings der Einsatz von Kalk beziehungsweise Kalksteinsuspension.

Beim Kalkstein-Waschverfahren wird das ungereinigte Rauchgas in einem Waschturm mit
einem Gemisch aus Wasser und Kalkstein (Waschsuspension) besprüht, wobei das Schwefeldioxid durch chemische Reaktionen weitgehend absorbiert wird. Dabei löst sich das gasförmige Schwefeldioxid zunächst in der Waschflüssigkeit Durch die Reaktion von Schwefeldioxid und

Kalkstein entstehen Kalziumsulfit und Kohlenstoffdioxid. Im unteren Teil des Waschturms
sammelt sich die mit Kalziumsulfit beladene Waschsuspension. Durch Einblasen von Luft
wird die Flüssigkeit mit Sauerstoff angereichert. Es entsteht eine Gipssuspension. Nach dem

Entzug des Wassers fällt Gips mit bis zu 10% Restfeuchte in rieselfähiger Form an und steht
als wertvolles Produkt zur Abgabe an die Baustoffindustrie zur Verfügung. Nachdem nun dem

Rauch 95 Prozent des Schwefeldioxids entzogen wurden, werden die gereinigten, abgekühlten

Rauchgase wieder afgeheizt und verlassen den Turm über Tropfenabscheider mit einer Mindesttemperatur von 75°C.

Braunes, stinkendes Wasser?

Wasser(Jerschmutzun9
ln diesem Kapitel

Wo kommt unser Wasser her?

Herausfinden, inwiefern die Struktur des Wassers
gewissermaßen zur Versehrnutzung einlädt

Sich verschiedene Wasserschadstoffe näher ansehen

Etwas über die Wasseraufbereitung lernen

Wasser
aus ist für

Wass
uns
er.

überlebenswichtig.

Den größten Teil des Schließlich

Wassers auf bestehen
der Erde wir selbst
macht
zu etwa
allerdings 70
das Prozent

Meerwasser aus. Nur zwei Prozent davon entfallen auf das Süßwasser, wovon auch noch drei Viertel in

Form von Eis und Gletschermassen gebunden sind. Um das restliche Viertel des Wassers, das
wir trinken können (das Trinkwasser), macht sich deshalb alle Welt große Sorgen.

Ich bin mir sicher, dass Sie schon wissen, wie viel Wasser Sie für Ihre Ernährung, für Ihre

Hygiene und für die Bewässerung Ihres Gartens verbrauchen. Aber wenn Sie nicht gerade in
einer landwirtschaftlich orientierten Gegend leben, werden Sie wahrscheinlich keinen blassen

Schimmer haben, wie viel Wasser für die Bewässerung von Feldern und für die Tiere verwendet
wird, von denen wir leben.

Darüber hinaus brauchen wir Wasser für den Abtransport unserer häuslichen Abwässer und
für die Stromerzeugung. Es wird für chemische Reaktionen und für Kühltürme benötigt. Und
dann sind da noch ein paar Freizeitvergnügen - Bootfahren, Schwimmen und Angeln. All das
hängt davon ab, dass immer genug gutes, sauberes Wasser da ist.

Aber woher kommt unser Wasser? Wie kommt der Dreck hinein und wie kommt er wieder
heraus? Das sind einige der Fragen, denen ich in diesem Kapitel nachgehen möchte. Setzen

Sie sich also in den Sessel, schenken Sie sich ein Glas Wasser ein und tauchen Sie ein in die

Materie.

Wo kommt unser Wasser her und wo fließt es hin]

Die Menge des auf der Erde vorkommenden Wassers ist relativ konstant. Veränderlich sind
nur der jeweilige Ort und der Reinheitsgrad. Wasser ist in unserer gesamten Umwelt immer
in Bewegung und bildet dabei den so genannten Wasserkreislauf, den Abbildung 19.1 veranschaulicht.

---• 303 -

---• Chemie für Dummies

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(Regen, Schnee)

Verdunstun g
aus dem Boden

Abbildung 19.1: Der Wasserkreislauf

Verdunsten, kondensieren, wiederholen

Wasser verdunstet (es geht beim Erhitzen vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über)

aus Seen, Flüssen, Ozeanen, Bäumen und sogar Menschen. Zurück bleiben dabei alle Verunreinigungen, die sich eventuell im Wasser angesammelt hatten. (Daher rührt auch das Salz, das sich in Schweißbändern und Sonnenkappen ansammelt.) Die Verdunstung ist eines der
natürlichen Verfahren zur Reinigung des Wassers.

Der Wasserdampf kann dann viele Kilometer weit transportiert werden oder auch mehr oder
weniger dort hängen bleiben, wo er aufgestiegen ist, je nach den gerade herrschenden Windverhältnissen. Früher oder später kondensiert (er geht beim Abkühlen vom gasförmigen wieder in den flüssigen Zustand über) der Wasserdampf dann wieder und fällt als Regen, Schnee oder

Graupel wieder auf die Erde.

Wohin das Wasser fließt

Das auf die Erde fallende Wasser landet möglicherweise in einem Fluss oder einem See. Fällt
der Niederschlag auf das Land, kann er entweder als Oberflächenwasser in einen Fluss oder
einen See einfließen oder im Boden versickern und sich als Grundwasser sammeln. Die poröse

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-----• 1 9 � Braunes, stinkendes Wasser? Wassert/erschmutzunfJ ---•

Schicht aus Erde und Gestein, die das Grundwasser festhält, nennt man Grundwasserleiter.

Dieser Schicht entnehmen wir durch Brunnen einen Teil unseres Trinkwassers.

Der Mensch kann in den Wasserkreislauf eingreifen. Die Einschränkung der Oberflächenvegetation kann dazu führen, dass weniger Wasser in die Erde einsickert. Künstlich angelegte Stauseen und Wasserreservoirs vergrößern die Verdunstungsflächen des Wassers. Übermäßiges

Abpumpen des Grundwassers kann die Grundwasserleiter entleeren und zur Wasserknappheit
führen. Und schließlich verunreinigen unsere Gesellschaften das Wasser auf vielfältige Weise

(dazu mehr im weiteren Verlauf des Kapitels).

Wasser: Eine höchst unfJ.eUiöhnfiche Substanz

Wasser ist ein polares Molekül. Polare Moleküle werden ausführlich in Kapitel 7 behandelt, weshalb ich hier nur eine Schnelleinführung speziell für Wasser gebe: Der Sauerstoff des Wassers (H20) hat eine höhere Elektronegativität (Fähigkeit eines Atoms, Bindungselektronen anzuziehen) als die Wasserstoff-Atome, so dass das Sauerstoff-Atom die Bindungselektronen stärker anzieht. Das Sauerstoffende des Wassermoleküls erhält dadurch eine negative Teilladung, während die Wasserstoff-Atome eine positive Teilladung aufweisen. Wird nun ein Wasserstoff-Atom (mit einer positiven Teilladung) eines Wassermoleküls von einem Sauerstoff-Atom (mit einer
negativen Teilladung) eines anderen Wassermoleküls angezogen, kommt es zu einer starken
intermolekularen Wechselwirkung, die man auch als Wasserstoffbrückenbindung bezeichnet.

Abbildung 19.2 zeigt diese Wasserstoffbrückenbindung.

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Abbildung 19.2: Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser

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---• Chemie für Dummies

Bedingt durch die Wasserstoffbrückenbindungen hat Wasser einige ungewöhnliche Eigenschaften:

V Wasser hat eine hohe Oberflächenspannung. Die Wassermoleküle an der Wasseroberfläche werden ausschließlich nach unten zur Masse der Flüssigkeit hin angezogen. Auf die Moleküle der Wassermasse dagegen wirken Anziehungskräfte aus allen Richtungen ein.

Käfer und kleine Eidechsen können auf der Wasseroberfläche laufen, weil sie nicht genug

Kraft ausüben, um die Oberflächenspannung zu durchbrechen. Darüber hinaus bewirkt
die hohe Oberflächenspannung, dass weit weniger Wasser verdunstet, als man gemeinhin
denkt.

V Wasser ist bei den Temperaturen, die auf der Erde gewöhnlich herrschen, flüssig. Der

Siedepunkt einer Flüssigkeit hängt normalerweise von ihrem Molekulargewicht ab. Substanzen mit einem Molekulargewicht, das nahe bei dem von Wasser liegt (18 g/mol), sieden schon bei weit geringeren Temperaturen und gehen bei Raumtemperatur in den gasförmigen Zustand über.

V Eis, also Wasser in seinem festen Zustand, schwimmt auf Wasser. Eigentlich würde man
denken, dass ein Feststoff eine höhere Dichte aufweist als derselbe Stoff in flüssiger Form,
weil die Partikel in einem Feststoff dichter gepackt sind. Wenn Wasser gefriert, entsteht
allerdings ein Kristallgitter mit großen Löchern, die durch die Wasserstoffbrücken entstehen. Dadurch ist die Dichte von Eis geringer als die von Wasser (siehe Abbildung 19.3).

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brucke n
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Abbildung 19.3: Die Struktur von Eis

Dass Eis auf Wasser schwimmt, ist übrigens eine der Ursachen für die Existenz des Lebens
in all seiner Vielfalt auf der Erde. Wäre Eis dichter als Wasser, würden die Oberflächen
der Seen im Winter gefrieren und auf den Grund absinken. Dieser Prozess würde sich
fortsetzen, bis schließlich der ganze See ein einziger Eisblock wäre. Jegliches Leben in
den Seen würde dabei zerstört. Gott sei Dank jedoch schwimmt Eis und bildet im Winter
eine isolierende Schicht an der Gewässeroberfläche, so dass das Leben unter Wasser weiter
existieren kann.

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-----· 1 9 � Braunes, stinkendes Wasser? Wasserr/erschmutzuntJ ---•

V' Wasser hat eine relativ hohe Wärmekapazität. Die Wärmekapazität einer Substanz besagt,
wie viel Wärme diese Substanz absorbieren oder abgeben kann, um ihre Temperatur um

1 o Celsius zu verändern. Wasser hat eine etwa 10-mal höhere Wärmekapazität als Eisen
und eine 5-mal höhere Wärmekapazität als Aluminium. Das bedeutet, dass Seen und Meere
große Wärmemengen absorbieren und abgeben können, ohne dass dies mit großen Temperaturschwankungen einhergeht. Sie sorgen damit für gemäßigte Temperaturen auf der Erde. Seen absorbieren tagsüber Wärme, die sie nachts wieder abgeben. Ohne diese hohe

Wärmekapazität des Wassers käme es beim Wechsel von Tag und Nacht auf der Erde zu
dramatischen Temperaturschwankungen.

V' Wasser hat eine hohe Verdampfungswärme. Die Verdampfungswärme einer Flüssigkeit
ist die Energiemenge, die man benötigt, um ein Gramm der Flüssigkeit vollständig zu
verdampfen. Wasser hat eine Verdampfungswärme von 54 Kalorien pro Gramm (mehr
über die Kalorie, eine metrische Wärmeeinheit, erfahren Sie in Kapitel 2). Diese hohe

Verdampfungswärme erlaubt uns, einen großen Teil überschüssiger Körperwärme über die

Absonderung von Schweiß loszuwerden. Global betrachtet hilft die Verdampfungswärme,
kurzfristige extreme Klimaschwankungen auf der Erde zu verhindern.

V' Wasser ist ein exzellentes Lösungsmittel für sehr viele Substanzen. Wasser wird manchmal auch als Universal-Lösungsmittel bezeichnet, weil sich so viele Substanzen darin lösen lassen. Wasser ist ein polares Molekül. Man kann also polare Substanzen darin lösen.

Wasser löst ionische Substanzen sehr leicht. Die negativen Enden des Wassermoleküls
umgeben dabei die Kationen (positiv geladene Ionen), während die positiven Enden die

Anionen (negativ geladene Ionen) umgeben. (Mehr über Ionen, Kationen und Anionen
erfahren Sie in Kapitel 6.) Auf dieselbe Weise kann Wasser auch viele polare kovalente

Verbindungen wie Alkohole und Zucker (mehr über diese Verbindungen in Kapitel 7) lösen.

Diese an sich begrüßenswerte Eigenschaft schließt aber mit ein, dass auch viele Substanzen wasserlöslich sind, die das Wasser für uns ungenießbar machen. Solche Substanzen fassen wir in der Gruppe der Schadstoffe oder Fremdstoffe zusammen.

ltj.ittit}.itt! Was unser Wasser tierschmutzt

Weil Wasser ein so gutes Lösungsmittel ist, verleibt es sich natürlich auch leicht Schadstoffe
ein, die aus verschiedenen Quellen stammen können. Abbildung 19.4 gibt einen Überblick über
mögliche Schadstoffquellen.

Ich nenne Abbildung 19.4 auch die Schmuddelecke, weil dort die Schadstoffquellen so gehäuft
vorkommen. Im wirklichen Leben wird man eine solche Häufung nicht allzu oft vorfinden.

Bei den Schadstoffquellen unterscheidet man in der Regel zwischen punktuellen und diffusen

Schadstoffquellen:

V Bei punktuellen Schadstoffquellen lässt sich die Herkunft der Schadstoffe zurückverfolgen und belegen. Belastete Abwässer chemischer Fabriken oder Kläranlagen gehören zu solchen Schadstoffquellen. Punktuelle Schadstoffquellen sind relativ leicht zu finden, zu
kontrollieren und zu regeln. Für diese Kontrollen sind die Landesumweltämter zuständig.

---· 307 -

---• Chemie für Dummies

V' Diffuse Schadstoffquellen sind, wie der Name schon sagt, diffuser Natur. Zu diesen Schadstoffquellen gehören etwa die Verunreinigungen im Bereich der Landwirtschaft oder der saure Regen. Hier ist die Entdeckung und die Kontrolle viel schwieriger zu bewerkstelligen, weil man meist keinen konkreten Verursacher identifizieren kann. Es bleibt also nur die Identifizierung allgemeiner Ursachen und die Entwicklung, Durchsetzung und

Kontrolle entsprechend wirksamer gesetzlicher Regelungen.

O berflächenabfluss vom Kohlebergbau

Landwirtschaft

Leckagen und
ünger u n d Schädlin gsbekämpfu n g

U nfälle

�

�

Abbildung 19.4: Einige Ursachen für die Wasserverschmutzung

Das Blei ist noch nicht überall flerschwunden:

f/erunreinitJUntJen durch Schwermetalle

Die Wassernetze werden gründlich auf Schwermetalle hin untersucht, weil diese äußerst giftig
sind. Schadstoffquellen sind hier Deponien, Industrieanlagen, die Landwirtschaft, der Bergbau
und alte Wasserleitungen.

Eines der Schwermetalle, die immer wieder als Schadstoff durch die Presse geistern, ist das

Blei. Große Mengen Blei sind durch die Verwendung des Schwermetalls im Benzin lange Jahre
in unsere Umwelt gelangt. Das dem Benzin zur Verbesserung der Klopffestigkeit zugegebene

Bleitetraethyl wurde bei der Verbrennung oxidiert und durch den Auspuff in die Atmosphäre
geblasen. Über den Regen gelangte das Blei dann schließlich in den Wasserkreislauf. Eine
weitere Bleiquelle sind Wasserleitungen aus Blei, die sich noch in alten Gebäuden finden, oder
mit bleihaltigen Lötmitteln verlötete Leitungen, die Blei an das Wasser abgeben.

Quecksilber gelangt über quecksilberhaltige Verbindungen, die als Pflanzenschutzmittel vor

Pilzen und Fäulnis schützen sollen, in den Wasserkreislauf. Der Oberflächenabfluss von Feldern
schwemmt diese Verbindungen in das Oberflächenwasser aus, von wo es nicht selten auch ins

Grundwasser gelangt.

Unsere Autos sind mit ihren Chromteilen auch eine indirekte Quelle einer Schwermetallbelastung. Chromverbindungen (etwa CrO l) bringen den gewünschten Glanz für Stoßstangen und Kühlergrills. Für diesen Überzug benötigt man Zyanid-Ionen (CN-), einen weiteren Schadstoff.

Diese Schadstoffe wurden früher direkt ins Abwasser geleitet. Heute werden sie entweder vor-

- 3os ----

-----• 1 9 � Braunes, stinkendes Wasser? Wasser"erschmutzun9 ---•
behandelt, damit sie weniger giftig sind, oder aber abgeschieden (in einen Feststoff überführt)

und in Deponien gelagert.

Auch der Bergbau trägt das Seine zur Schwermetallbelastung bei. Beim Abbau werden Mineralien gefördert, die Metalle enthalten. Sofern bei der Gewinnung der Erze und der Kohle aus den geförderten Gesteinen saure Chemikalien verwendet werden, werden diese Metalle
gelöst und können in das Oberflächenwasser oder gar ins Grundwasser gelangen. Man kann
dies dadurch verhindern, dass man die Minenabwässer auffängt und die Metall-Ionen daraus
entfernt.

Wenn Schwermetall-Ionen aus Industrieanlagen in den Wasserkreislauf gelangen, reichem sie
sich auf ihrem Weg durch die Ökosysteme mit der Zeit in immer höheren Konzentrationen
an. (Das Gleiche passiert mit den Radioisotopen: Mehr dazu in Kapitel 5.) Selbst wenn die

Ionen ursprünglich nur in einer schwachen Konzentration freigesetzt wurden, können sie auf
dem Weg durch die Nahrungskette toxische Konzentrationen erreicht haben, wenn sie beim

Menschen ankommen. Zu einer gefährlichen Entwicklung kam es auch in der Minamata Bay
in Japan. Eine Fabrik leitete ihre Quecksilberabfälle einfach ins Meer. Auf dem Weg durch das

Ökosystem wurde daraus das äußerst giftige Methylquecksilber, das vielen Menschen den Tod
oder zumindest dauerhafte Schädigungen des Zentralnervensystems brachte.

Saurer Re9en

Stickstoffoxide und Schwefel können sich mit der Feuchtigkeit der Atmosphäre zu Regenwasser
verbinden, das sehr sauer ist - dem sauren Regen. Dieser Regen wirkt sich auf den pH-Wert
von Seen und Flüssen aus und schädigt das Leben in diesen Gewässern. In manchen Seen gibt
es in Folge des sauren Regens gar kein Leben mehr.

Saurer Regen ist ein gutes Beispiel für eine diffuse Schadstoffquelle. Man kann keine konkrete

Größe als Ursache für den sauren Regen isolieren. Durch gesetzliche Maßnahmen zum Schutz
der Luft ist es gelungen, das Ausmaß des sauren Regens zu reduzieren. Das Problem an sich ist
damit jedoch nicht gelöst. (Mehr über den sauren Regen erfahren Sie in Kapitel 18.)

Infektiöse ErretJ.er

Zu dieser Art der Schadstoffe gehören etwa die Kolibakterien aus menschlichen und tierischen

Ausscheidungen. Kolibakterien waren früher ein weltweites Problem. Typhus-, Cholera- und

Durchfallepidemien waren an der Tagesordnung. In den Industrienationen hat die Reinigung
der Abwässer in Kläranlagen diese Probleme beseitigt. In Entwicklungsländern sind sie jedoch
noch aktuell.

Viele Experten sind der Meinung, dass mehr als drei Viertel der weltweiten Krankheiten auf
biologische Verunreinigungen des Wassers zurückzuführen sind. Auch heute werden immer
wieder Strände und Seen zeitweise wegen biologischer Verunreinigungen gesperrt.

Peinlich genaue Kontrollen von Kläranlagen, Klärtanks, Jauchegruben und Oberflächenabflüssen
von Weiden sind nötig, um biologische Verunreinigungen der Gewässer zu vermeiden.

---• 309 -

---• Chemie für Dummies

Deponien

Müll- und Sondermülldeponien sind Quellen erheblicher Grundwasserverunreinigungen. Unsere heutigen Deponien werden so angelegt, dass die Einsickerung von Schadstoffen in das Grundwasser durch geologische Barrieren, verschiedene Abdichtungssysteme und die Klärung
von Sickerwasser verhindert werden. Die ordnungsgemäße Funktion dieser Barrieren kann
durch technische Überwachungsanlagen dabei ständig kontrolliert werden. In den USA verfügen nur wenige Deponien über diese Voraussetzungen.

Viele Deponien enthalten flüchtige organische Verbindungen. Zu diesen Verbindungen gehören
auch Benzol und Toluol (beide sind krebserregend), gechlorte Kohlenwasserstoffe wie Tetrachlorkohlenstoff und Trichlorethylen, das als Lösungsmittel bei der chemischen Reinigung eingesetzt wurde. Auch wenn diese Verbindungen nicht gut wasserlöslich sind, sammeln
sie sich in der Größenordnung von einigen ppm an. Die langfristigen Auswirkungen auf die
menschliche Gesundheit sind heute noch nicht abschätzbar.

Die meisten Leute denken bei giftigen Abfällen an Industriemüll. Dabei wird die normale

Müllhalde zunehmend beliebter, wenn es um die Entsorgung gefährlicher oder giftiger Haushaltsabfälle geht. Jedes Jahr landen trotz kostenloser Entsorgungsalternativen tonnenweise giftige Materialien auf kommunalen Müllhalden:

v Batterien, die zum Teil Quecksilber enthalten

V Farben auf Ölbasis, die organische Lösungsmittel enthalten
v Motoröl mit Metallen und organischen Verbindungen

V Benzin mit organischen Lösungsmitteln
v Autobatterien mit Schwefelsäure und Blei
v Frostschutzmittel mit organischen Lösungsmitteln

V Haushaltsinsektizide mit organischen Lösungsmitteln und Pflanzenschutzmittel
v Feuer- und Rauchmelder mit radioaktiven Isotopen
v Nagellackentferner mit organischen Lösungsmitteln

Die Alternative zu Deponien sind Recycling, Verbrennung und Müllvermeidung. Ein großer

Teil der Abfälle, die auf Deponien landen, kann recycelt werden - Papier, Glas, Aluminium und
einige Kunststoffe -, aber da kann man noch mehr tun. Die Verbrennung von Hausmüll kann
mit der Stromerzeugung verbunden werden. Moderne Müllverbrennungsanlagen sind relativ
sauber und verschmutzen die Luft kaum. Die zurückbleibende Schlacke nimmt aber immer
noch ein Drittel des Raums der Ausgangsmenge ein. Der beste Müll ist natürlich der, der gar
nicht erst entsteht. Um der Flut des Verpackungsmülls entgegenzuwirken, wurde in Deutschland 1991 die Verpackungsverordnung erlassen. Damit wurden diejenigen, die ein Produkt herstellen und verkaufen, dazu verpflichtet, sich auch um dessen Rücknahme und Verwertung zu kümmern. Die Verpackungsmenge ist seitdem erheblich zurückgegangen. Zur Verminderung
der Müllmenge tragen auch Mehrwegverpackungen und Pfandsysteme erheblich bei.

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1 9 > Braunes, stinkendes Wasserl WassenlerschmutzunfJ. ---·

WasserclerschmutzuntJ durch Atj.rarU!irtschaft

Die Agrarwirtschaft wird in vielfältiger Weise mit der Wasserverschmutzung in Verbindung
gebracht. Der übertriebene Einsatz von Düngemitteln, die Nitrat- und Phosphatverbindungen
enthalten, hat zum Beispiel zu einem übermäßigen Algen- und Pflanzenwachstum in Flüssen
und Seen geführt. Dieses gesteigerte Wachstum wiederum wirkt sich auch beschleunigend
auf die anderen Kreisläufe in den Wassersystemen aus - ein Prozess, der unter dem Namen

Eutrophierung bekannt ist.

Ebenfalls in den Wasserkreislauf gelangen Pestizide, mit denen die Aussaaten vor Krankheiten
und Schädlingen geschützt werden sollen. Diese Pestizide, insbesondere solche mit organischen

Phosphorverbindungen, reichem sich möglicherweise mit der Zeit in der Nahrungskette an

(siehe den Abschnitt Das Blei ist noch nicht überall verschwunden: Verunreinigungen durch

Schwermetalle weiter vorne im Kapitel). Viele erinnern sich vielleicht noch an die Berichte
über die Auswirkungen von DDT auf Fische und Vögel. Wegen der dramatischen Schäden, die

DDT angerichtet hat, wurde es in vielen Ländern verboten, wird aber noch produziert und
andernorts verkauft.

Das Einbringen von Erde und Schlamm in die Gewässer ist eine andere Form der Verschmutzung, die mancherorts durch die Agrarindustrie verursacht wird. Die Erde verändert das Flussbett und stört die normalen Kreisläufe in den Flüssen und Seen. Auf diesem Weg gelangen auch in der Erde abgelagerte Chemikalien in den Wasserkreislauf.

Auch Hitze kann schaden: Thermische VerschmutzuntJ

Wenn von Wasserverschmutzung die Rede ist, denkt man gewöhnlich an Schadstoffe wie Blei,

Quecksilber, giftige organische Verbindungen und Bakterien. Aber auch Wärme kann ein

Gewässer verschmutzen. Die Löslichkeit von Gasen in einer Flüssigkeit nimmt mit zunehmender Temperatur ab (mehr über die Löslichkeit von Gasen finden Sie in Kapitel 13). Das bedeutet, dass warmes Wasser nicht so viel gelösten Sauerstoff enthält wie kaltes Wasser. Aber
was hat das mit Versehrnutzung zu tun? Die Menge des im Wasser gelösten Sauerstoffs wirkt
sich direkt auf das Leben im Wasser aus. Deshalb nennt man das wärmebedingte Ab sinken des

Sauerstoffgehalts des Wassers auch thermische Verschmutzung.

Industrielle Anlagen und besonders Kraftwerke brauchen riesige Wassermengen für die Kühlung und Kondensation des erzeugten Dampfs. Dieses Wasser wird in der Regel Flüssen und Seen entnommen und nach Gebrauch auch wieder dorthin zurückgeleitet Wird das erhitzte

Wasser direkt in das Gewässer zurückgeführt, kann die dadurch bedingte Erwärmung den

Sauerstoffgehalt so weit absinken lassen, dass manche Fischarten nicht mehr überleben können. Des Weiteren wirkt sich eine erhöhte Temperatur auch auf andere natürliche Zyklen wie das Laichen aus.

In Deutschland darf die Temperatur des wieder eingeleiteten Kühlwassers je nach der Genehmigung eines Kraftwerk 25°C bis 28°C nicht überschreiten. Das Wasser wird daher in Kühltürmen auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt und dann erst in die Gewässer zurückgeleitet Bei der Abkühlung verdunstet allerdings viel Wasser, was in der Umgebung eines Kraftwerks
zu einer hohen Luftfeuchtigkeit führt.

3 1 1 -

---· Chemie für Dummies

Brauchen Sie Sauerstoff! - BSB

Wenn organisches Material (etwa ungeklärte Abwässer, organische Chemikalien oder eine tote

Kuh) im Wasser landet, verwest oder fault es. Der Verwesungsprozess besteht im Prinzip in der

Oxidation der organischen Verbindungen durch aerobe Bakterien (Sauerstoff konsumierende

Bakterien) in einfachere Moleküle wie Kohlenstoffdioxid und Wasser.

Dafür muss gelöster Sauerstoff (GS) im Wasser vorhanden sein. Die Menge Sauerstoff, die für
die Oxidation organischen Materials vorhanden sein muss, nennt man den biochemischen Sauerstoffbedarf(BSB). Er wird in der Regel in Parts per Million (ppm) angegeben. Ist der BSB zu hoch, wird zu viel gelöster Sauerstoff für den biologischen Abbau verbraucht und es bleibt zu
wenig für die Fische übrig. Die Fische sterben und erhöhen den BSB dadurch noch weiter.

Im Extremfall bleibt auch für die aeroben Bakterien nicht mehr genug Sauerstoff übrig, so
dass eine andere Bakterienart, die anaeroben Bakterien, die Arbeit des Abbaus organischer

Materialien übernehmen muss. Anaerobe Bakterien brauchen keinen gelösten Sauerstoff,
sondern begnügen sich mit dem Sauerstoff, der in den organischen Verbindungen enthalten
ist. (Mehr über die Oxidation und die Reduktion erfahren Sie in Kapitel 9.) Für das Gewässer ist
das insofern schlecht, als bei der Arbeit der anaeroben Bakterien übel riechende Verbindungen
wie Schwefelwasserstoff (H2S), Ammoniak und Amine entstehen.

Um ein zu starkes Ansteigen des BSB in den Gewässern zu vermeiden, behandeln die meisten
chemischen Industrieanlagen ihre Chemieabfälle vor (meist durch Oxidation), bevor sie ins

Wasser abgegeben werden. Dasselbe machen die Städte und Gemeinden in ihren Kläranlagen.

Das müssen wir erst noch klären: Abwässer

Die Zeiten, in denen kommunale Abwässer ungeklärt in die Gewässer eingeleitet wurden, sind

Gott sei Dank längst vorbei. Allenfalls bei Fehlfunktionen oder Überlastungen in Katastrophenfällen kann es vorkommen, dass ungeklärte Abwässer die Kläranlagen passieren.

Das ist nicht überall auf der Welt so. In Südasien und weiten Teilen Mrikas zum Beispiel wird
nur ein sehr geringer Teil der Abwässer geklärt. In den USA gibt es zumindest eine Klärstufe
und oft auch eine zweite und dritte. Abbildung 19.5 zeigt die mechanische und die biologische

Reinigung des Abwassers.

Mechanische Abu!asserreinitJUntJ

Bei der mechanischen Abwasserreinigung wird das Abwasser grob gereinigt und gefiltert. Dabei
zieht ein Rechen zunächst das Gröbste aus dem Verkehr. (Was das im Einzelnen ist, darüber
sei hier der Mantel diskreten Schweigens ausgebreitet.) Anschließend können sich in einem

Sandfang grober Sand, Kies und Steine absetzen. Das abgesetzte Material wird regelmäßig
abgesaugt und nach der Trocknung deponiert. Im Vorklärbecken kommt das Wasser fast ganz
zur Ruhe. Feine Schmutzstoffe setzen sich am Boden ab, Stoffe, die leichter sind als Wasser,
treiben an die Oberfläche und können dort abgeräumt werden.

- 3 1 2 ----

-----• 1 9 � Braunes, stinkendes Wasser J Wasserr/erschmutzun9 ---•
ungeklärte

Abwässer

Rechen
mechanische

Reinigung

Schlammtrocknung
biologische

Reinigung

Chlorung

Luftpumpe

Abbildung 19.5: Mechanische und biologische Reinigung des Abwassers

Etwa ein Drittel der Abfallstoffe werden bei der mechanischen Reinigung entfernt. Wenn das

Abwasser nur mechanisch geklärt wird, wird manchmal noch Chlor zugegeben, wodurch die
meisten Bakterien abgetötet werden, bevor das Wasser wieder in das Wassernetz eingeleitet
wird. Es hat allerdings immer noch einen hohen BSD. Das kann zu Problemen führen, wenn die
mechanisch geklärten Abwässer in einen See oder ein langsam fließendes Gewässer eingeleitet
werden, insbesondere wenn mehrere angrenzende Gemeinden ihre Abwässer auf die gleiche

Weise reinigen. Man kann dies verhindern, indem man an die mechanische Reinigung eine
biologische Reinigung anschließt.

Bi ol Ot).i sehe Abwasserrei nitJ.UntJ

Im Verlauf der biologischen Abwasserreinigung werden noch im Wasser gelöste organische

Verbindungen, die vor allem von Fäkalien stammen, durch Bakterien und andere Mikroorganismen zersetzt. Diese bauen daraus ihre Körpersubstanz auf, vermehren sich und ballen sich

--- 3 13 -

--- Chemie für Dummies
zu Flocken zusammen. Weil die Abbauprodukte aerober Bakterien (Sauerstoff verbrauchende

Bakterien) weit weniger schädlich sind als die anaerober Bakterien (Bakterien, die den in den
organischen Verbindungen gespeicherten Sauerstoff verbrauchen), wird das Belebungsbecken
mechanisch oder durch Pumpen belüftet. Im Nachklärbecken setzen sich die zusammengeballten Mikroorganismen als Belebtschlamm ab. Ein Teil dieses Schlamms wird wieder in das Belebungsbecken zurückgeführt, damit dort immer genug Mikroorganismen vorhanden sind. Der Rest wird gesammelt und für die weitere Nutzung aufbereitet. Der aufbereitete Klärschlamm
kann zum Teil als Düngung auf Felder aufgebracht werden.

Aber auch die biologische Reinigung kann nicht alle möglicherweise umweltschädlichen Substanzen aus dem Abwasser entfernen. Es bleiben bestimmte organische Verbindungen, Metalle wie Aluminium und Düngemittel wie Phosphate und Nitrate übrig. Hier greift die dritte Stufe,
die chemische Reinigung des Abwassers, ein.

Chemische AbwasserreinitJUnlJ

Bei der chemischen Abwassereinigung werden feine Partikel, Nitrate und Phosphate auf chemischem Weg aus dem Wasser entfernt. Wie das im Einzelnen vor sich geht, hängt davon ab, welche Substanzen entfernt werden sollen. Mit einem Aktivkohlefilter wird beispielsweise der
größte Teil der gelösten organischen Verbindungen herausgefiltert Durch Zugabe von Alaun

(Al2(S04)3) werden Phosphat-Ionen ausgefällt, indem die Aluminium-Kationen gelöst und
freigesetzt werden.

AJ3• + PO/ � AlP04(s)

Gelegentlich werden auch Verfahren wie der Ionenaustausch (Kapitel l7), die umgekehrte

Osmose (Kapitel ll) und die Destillation (Kapitel lS) eingesetzt. All diese Verfahren sind relativ aufwändig und teuer und werden deshalb nur dort eingesetzt, wo sie wirklich unbedingt nötig sind.

Nach der chemischen Reinigung muss das Abwasser noch desinfiziert werden, bevor es wieder
in die Gewässer zurückgeleitet wird. Dazu leitet man in der Regel Chlorgas in das Wasser, ein
wirkungsvolles Oxidans, das gefährliche Krankheitserreger (Cholera, Durchfall oder Typhus)

zuverlässig abtötet. Der Einsatz von Chlor ist allerdings in der letzten Zeit ins Gerede gekommen. Wenn sich nämlich noch organische Verbindungen im Abwasser befinden, können sich zusammen mit dem Chlorgas Chlorkohlenwasserstoffe bilden, von denen einige sich als
krebserregend erwiesen haben. Durch kontinuierliche Auswertung von Wasserproben versucht
man, die Bildung solcher Verbindungen zu überwachen. Auch Ozon (03) kann zur Desinfektion
eingesetzt werden. Ozon kann Viren abtöten, die gegenüber Chlor unempfindlich sind. Es ist
allerdings teurer und bietet keinen bleibenden Schutz gegen Bakterien.

Trinku!asseraufbereituntJ

Gutes und sauberes Trinkwasser ist etwas, was wir als selbstverständlich hinzunehmen pflegen.

Der größte Teil der Weltbevölkerung ist nicht in dieser glücklichen Lage.

3 74 ---

-----• 1 9 >- Braunes1 stinkendes WasserJ Wasserr/erschmutzuntJ ---•

Trinkwasser muss hohen Qualitätsansprüchen genügen. Es soll kühl, farblos und geruchlos
sein und neutral schmecken. Es darf weder Krankheitserreger noch Schadstoffe enthalten.

Unsere Trinkwasserverordnung legt die Eigenschaften des Trinkwassers und die Grenzwerte
für bestimmte Schadstoffe eindeutig fest.

Wasser aus Tiefbrunnen ist in der Regel nicht gesundheitsgefährdend. Es kann jedoch Eisen
oder Mangan enthalten, was Aussehen und Geschmack beeinträchtigt. Diese Anteile werden
bei der Trinkwasseraufbereitung in den Wasserwerken entfernt. Bei Oberflächenwasser aus Talsperren, Seen oder Flüssen müssen zunächst die sichtbaren Schmutzpartikel entfernt werden.

Das Wasser wird dann durch mehrere Kies- und Sandfilter geleitet. Anschließend tötet man
mit Ozon Bakterien und Krankheitserreger ab. Dabei ballen sich auch kleinste Schmutzpartikel
zu größeren Flocken zusammen, die dann wieder herausgefiltert werden können. Ein Aktivkohlefilter hält schließlich unerwünschte Geruchs- und Geschmacksstoffe zurück. Bevor das Wasser in das Leitungssystem eingespeist oder in riesigen Kavernen gesammelt wird, wird
es noch gechlort. Damit verhindert man, dass sich im Leitungsnetz Bakterien ansiedeln und
vermehren. Das Wasser, das dann aus dem Wasserhahn kommt, enthält noch etwa 0,1 mg/1

Chlor.

Teil V

... Ulas mich an die

Geschichte I/on dem

Oh, nein.

Nicht schon wieder
diesen Witz über
die zeitunabhängige

Störungstheorie I

ln diesem Teil . . . Die Chemie lebt von Entdeckungen. Manchmal hilft bei diesen

Entdeckungen der Zufall kräftig nach. Das erste Kapitel dieses

Teils widmet sich meinen zehn liebsten Zufallsentdeckungen.

Danach stelle ich Ihnen zehn Koryphäen der Chemie vor. Zehn
nützliche Chemie-Websites, mit deren Hilfe Sie Ihr Wissen
erweitern können, runden das Ganze ab.

Zehn zufällitje EntdeckuntJen
in der Chemie

Jn diesem Kapitel

Entdecken, wie Entdeckungen gemacht werden

Einen Blick auf einige berühmte Wissenschaftler werfen

Dieses Kapitel
entdeckten, stellt
was Ihnen
sie gar zehn
nicht Geschichten
suchten.

von guten Wissenschaftlern vor, die etwas

Archimedes: At/es mit Muße

Arehirnedes war ein griechischer Mathematiker, der im 3. Jahrhundert vor Christus lebte. Ich
weiß, eigentlich sollte es hier um Wissenschaftler gehen und nicht um Mathematiker, aber

Arehirnedes kam da schon verdammt nahe ran.

Hero, der König von Syrakus, gab Arehirnedes den Auftrag festzustellen, ob seine neue goldene

Krone wirklich aus purem Gold gefertigt sei oder ob der Goldschmied eine Legierung verwendet und das ersetzte Gold in die eigene Tasche gesteckt habe. Arehirnedes wusste, was Dichte ist, und er kannte die Dichte von reinem Gold. Er dachte sich, wenn er die Dichte der Krone
messen und sie mit der Dichte reinen Goldes vergleichen könnte, dann würde sich erweisen,
ob der Goldschmied ein Ehrenmann war oder nicht. Nun wusste Arehirnedes zwar, wie er das

Gewicht der Krone, nicht aber, wie er ihr Volumen messen konnte, um dann die Dichte zu
errechnen.

Das Denken strengte ihn an und er beschloss, sich in den öffentlichen Bädern ein wenig Entspannung zu gönnen. Als er in die gefüllte Wanne stieg und das Wasser überlief, erkannte er, dass das Volumen seines Körpers gleich dem Volumen des Wassers sein musste, das aus der

Wanne floss. Da war sie, die Antwort auf die Frage nach dem Volumen der Krone des Königs.

Er war so aufgeregt, dass er nackt durch die Straßen nach Hause lief und immer wieder ausrief:

»Eureka, eureka!« (Ich hab's!). Seine Methode, das Volumen eines unregelmäßig geformten

Festkörpers zu ermitteln, wird auch heute noch angewandt. (Die Krone war übrigens aus
einer Legierung gefertigt, und der schurkische Goldschmied erhielt umgehend seine gerechte

Strafe.)

---· 3 1 9 -

---• Chemie für Dummies

Die VulkanisieruntJ flon Gummi

Im frühen 16. Jahrhundert entdeckte man in Südamerika den Gummi in der Form von Latex.

Man maß dem allerdings nicht viel Bedeutung bei, denn das Latex wurde klebrig und verlor
bei Hitze die Form.

Charles Goodyear war auf der Suche nach einem Verfahren, wie man den Gummi stabilisieren
könnte, als er im Jahre 1839 aus Versehen ein Gemisch aus Gummi und Schwefel auf einen
heißen Ofen kippte. Ihm fiel auf, dass die sich daraus ergebende Verbindung ihre Form auch bei

Hitze behielt. Goodyear arbeitete in diese Richtung weiter und ließ sich die Vulkanisierung den chemischen Prozess, mit dem man Rohgummi oder synthetischen Gummi oder Kunststoffen so nützliche Eigenschaften wie Elastizität, Stärke und Stabilität verleiht - patentieren.

Rechts und links drehende Moleküle

Im Jahre 1884 heuerten die französischen Weinerzeuger Louis Pasteur an, um eine Verbindung
zu untersuchen, die sich während der Gärung an den Weinfässern anlagerte - Traubensäure.

Pasteur wusste, dass Traubensäure mit Weinsäure identisch war, die als optisch aktiv bekannt
war: Optisch aktive Substanzen drehen die Schwingungsebenen des polarisierten Lichts nach
links oder rechts.

Als Pasteur das Salz der Traubensäure unter dem Mikroskop untersuchte, fand er zwei Kristalltypen vor, die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhielten. Mit einer Pinzette trennte Pasteur die Kristalle in mühsamer Kleinarbeit voneinander und stellte fest, dass sie
beide optisch aktiv waren, das polarisierte Licht jedoch im selben Maß, aber in unterschiedlicher

Richtung drehten. Diese Entdeckung eröffnete den Chemikern ein völlig neues Forschungsfeld und belegte, wie wichtig die Molekulargeometrie im Hinblick auf die Eigenschaften von Molekülen ist.

William Perkin und die Farbe Lila

Im Jahre 1856 beschloss William Perkin, ein Student am Royal College of Chemistry, während
der Osterferien zu Hause zu bleiben und sich der Synthese von Chinin zu widmen. (Meine

Studenten haben in den Osterferien noch nie ein Labor von innen gesehen.)

Im Verlauf seiner Experimente hatte Perkin eine schwarze Schmiere erzeugt. Als er das Reagenzglas mit Alkohol säubern wollte, löste sich die Schmiere auf und färbte sich lila. Er hatte den ersten synthetischen Farbstoff hergestellt. Zu seinem Glück war Lila damals gerade groß
in Mode und entsprechend groß war auch die Nachfrage nach seinem Farbstoff. Perkin brach
die Schule ab und gründete mit der Hilfe seiner wohlhabenden Eltern eine Fabrik zur Herstellung seines Farbstoffs.

Wäre das die ganze Geschichte, dann hätte sie wenig Auswirkungen auf die Geschichte der

Chemie gehabt. In Deutschland sah man das Potenzial dieses Zweigs der chemischen Industrie

- 32o ---·

-------- 20 >- Zehn zufällitJe EntdeckuniJen in der Chemie ---
und investierte viel Zeit und Geld. So kam es, dass Deutschland bald im Bereich der chemischen

Forschung und Industrie führend wurde.

Kekule: Ein schöner Traum

Friedrich Kekule, ein deutscher Chemiker, arbeitete Mitte der 1860er Jahre an der Strukturformel von Benzol (C6H6). Eines Abends saß er in seiner Wohnung vor dem Kamin. Er döste ein und sah plötzlich schlangenartig tänzelnde Flammen vor sich. Plötzlich löste sich eine

Schlange aus der Gruppe und formte einen Kreis oder einen Ring. Kekule war schlagartig
hellwach und erkannte, dass Benzol eine ringförmige Struktur hat. Er arbeitete die ganze

Nacht hindurch an seiner Entdeckung. Kekules Benzol-Modell ebnete den Weg für die moderne

Erforschung aromatischer Verbindungen.

Die Entdeckun9 der Radioaktiflitiit

Im Jahre 1896 studierte Henri Becquerel die Phosphoreszenz (das Leuchten) bestimmter Mineralien unter dem Einfluss von Licht. Er nahm sich dabei ein Mineral, setzte es auf eine dick umwickelte fotografische Platte und legte das Ganze in starkes Sonnenlicht.

Er bereitete gerade wieder ein solches Experiment vor, als Paris von einer dicken Wolkenschicht überzogen wurde. Becquerel legte ein Mineral auf die vorbereitete Platte und steckte das Ganze erst einmal in eine Schublade. Tage später entwickelte er die photografische Platte
und fand ein klares Bild des darauf abgelegten Kristalls vor, das doch gar nicht im Licht gelegen
hatte. Das betreffende Mineral enthielt Uran. Becquerel hatte die Radioaktivität entdeckt.

Eine schlüpfritJe Sache: Teflon

Roy Plunkett, ein Chemiker in Diensten der Firma DuPont, entdeckte Teflon im Jahre 1938.

Er arbeitete jedoch an der Synthese neuer Kühlmittel. Er hatte sich einen Behälter mit Tetrafluorethylen ins Labor liefern lassen. Aber als er das Ventil öffnete, tat sich gar nichts. Er fragte sich, wie das wohl kam, und schnitt den Behälter auf, um das Rätsel zu lösen. Er fand
eine weiße Substanz vor, die sehr glatt war und in keiner Weise reagierte. Das Gas war zu einer

Substanz polymerisiert, die wir heute Teflon nennen. Im Zweiten Weltkrieg verwendete man
diese Substanz für die Dichtungen und Ventile der Anlagen für die Herstellung der Atombombe.

Nach dem Krieg fand das Teflon als Beschichtung nicht haftender Pfannen den Weg in die

Küchen der Welt.

---• 32 1 -

---• Chemie für Dummies

Nicht nur für SträfliniJ.e: Haftnotizen

Mitte der 70er Jahre arbeitete ein Chemiker namens Art Frey in der Klebstoffabteilung der

Firma 3M. Frey, der in seiner Freizeit in einem Chor sang, legte sich immer kleine Zettelehen
in seine Gesangsnoten, aber diese fielen jedes Mal wieder heraus. Da erinnerte er sich an einen

Klebstoff, der vor ein paar Jahren entwickelt worden, aber wieder verworfen worden war, weil
er nicht so zuverlässig klebte. Am darauf folgenden Montag schmierte er ein wenig dieses »lausigen« Klebstoffs auf ein Stück Papier und entdeckte, dass es sich so vorzüglich als Lesezeichen eignete - es ließ sich sogar ohne jegliche Rückstände wieder ablösen. Jetzt wissen Sie, wem

Sie die Flut der kleinen gelben Zettelehen zu verdanken haben, die aus der Arbeitswelt kaum
noch wegzudenken sind.

Lass wachsen

In den späten 70er Jahren setzte man das Medikament Minoxidil der Firma Upjohn zur Senkung hoher Blutdruckwerte ein. Im Jahre 1980 erwähnte Dr. Anthony Zappacosta in einem in der Zeitung The New England Journal of Medicine veröffentlichten Brief, dass einer seiner

Patienten während der Therapie mit Minoxidil von einsetzendem Haarwuchs auf seinen fast
kahlen Schädel berichtet hatte.

Das interessierte die Dermatologen. Dr. Virginia Fiedler-Weiss zerdrückte eine der Tabletten,
löste sie auf und wandte sie auf dem Kopf eines Patienten äußerlich an. In zahlreichen Fällen

(etwa bei jedem dritten Probanden) hormonbedingten Haarausfalls regte dies den Haarwuchs
an, so dass man Minoxidil heute auch als Haarwuchsmittel kaufen kann.

Süßer als Zucker

Im Jahre 1879 arbeitete ein Chemiker namens Constantin Fahlberg im Labor an einer Synthese.

Dabei bekleckerte er sich versehentlich seine Hände mit einer seiner neu hergestellten Verbindungen und stellte fest, dass sie süß schmeckte. (So etwas hören die Verfasser der Gefahrschutzordnung immer sehr gerne.) Er nannte die neue Substanz Saccharin.

James SchlaUer entdeckte die Süßwirkung von Aspartam, während er an einer Verbindung
im Zusammenhang mit der Erforschung von Geschwüren arbeitete. Auch er kleckerte sich versehentlich ein wenig des hergestellten Esters auf die Finger. Wie süß die Substanz war, bemerkte er, als er seinen Finger befeuchtete, um eine Seite in seinen Unterlagen umzublättern.

- 322 ----

Zehn Kor1Jphäen der Chemie
ln diesem Kapitel

Erfahren, wie einige Wissenschaftler die Chemie
beeinflusst haben

Einige wichtige Entdeckungen entdecken

Mit der Rolle des Einzelnen in der Wissenschaft
auseinander setzen

Wissenschaft ist ein menschliches Unterfangen. Wissenschaftler stützen sich auf ihr

Wissen, ihre Ausbildung, ihre Intuition und ihre Nase. (Und wie ich Ihnen in Kapitel 20
zu vermitteln versuche, spielen auch Zufälle und Glück eine Rolle.) In diesem Kapitel stelle ich
ihnen zehn Wissenschaftler vor, deren Entdeckungen die Chemie weiter gebracht haben. Es
gibt sicher Hunderte, die man hier nennen könnte, aber dies sind meine zehn Favoriten.

Amedeo Aclotj.adro

Im Jahre 1811 beschäftigte sich der Ex-Rechtsgelehrte und spätere Wissenschaftler Avogadro
mit den Eigenschaften der Gase und entwickelte sein heute berühmtes Gasgesetz: Gleiche

Volumina beliebiger Gase enthalten bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche

Anzahl Partikel. Auf der Grundlage dieses Gesetzes kann man die Anzahl der Partikel in einem
bestimmten Volumen jeder beliebigen gasförmigen Substanz bestimmen. Man nennt diese Anzahl die Avogadro-Zahl oder Avogadro-Konstante. Mehr darüber erfahren Sie in Kapitel 10.

Niets Bohr

Der dänische Wissenschaftler Niels Bohr entwickelte aus der Beobachtung, dass Elemente
beim Erhitzen Energie in bestimmten Wellenlängen (dem so genannten Linienspektrum)

abgeben, die Vorstellung, dass Elektronen nur in bestimmten, messbaren Energiezuständen in
einem Atom existieren können. Bohr folgerte, dass sich die Spektrallinien aus den Übergängen
zwischen diesen Energiezuständen ergeben.

Das Bohr'sche Atommodell berücksichtigte zum ersten Mal das Konzept der Energiezustände,
das heute allgemein anerkannt ist. Für seine Arbeit erhielt Niels Bohr 1922 den Nobelpreis.

--- 323 -

..:====-• Chemie für Dummies

Madame Marie Curie

Madame Curie wurde in Polen geboren, arbeitete aber überwiegend in Paris. Zusammen mit
ihrem Ehemann Pierre, einem Physiker, war sie mit grundlegenden Forschungen zur Radioaktivität befasst. Marie Curie entdeckte, dass Uranpecherz (Pechblende) zwei Elemente enthielt, die mehr Radioaktivität aufwiesen als Uran. Diese Elemente nannte sie Polonium und Radium.

Marie Curie prägte den Begriff Radioaktivität. Ihr Mann und sie teilten sich im Jahre 1903 den

Nobelpreis mit Henri Becquerel.

John Da/ton

Im Jahre 1803 stellte John Dalton das erste moderne Atommodell vor. Er entwickelte das

Konzept von der Beziehung zwischen den Elementen und den Atomen und erklärte, dass

Verbindungen Kombinationen von Elementen sind. Darüber hinaus geht das Konzept der
atomaren Masse auf ihn zurück.

Anders als viele andere Wissenschaftler, die viele Jahre auf die Anerkennung ihrer Ideen warten
mussten, erlebte Dalton, wie die wissenschaftliche Gemeinschaft seine Theorien bereitwillig
aufnahm. Seine Modelle lieferten Erklärungen für einige aus Beobachtungen abgeleitete Gesetzmäßigkeiten und legten den Grundstein für den quantitativen Ansatz in der Chemie. Nicht schlecht für einen Menschen, der schon mit 12 zu unterrichten begann!

Michael FaradalJ.

Michael Faraday leistete einen kaum zu unterschätzenden Beitrag im Bereich der Elektrochemie. Er prägte die Begriffe Elektrolyt, Anion, Kation und Elektrode. Er führte die Gesetze ein, nach denen die Elektrolyse erfolgt, entdeckte die magnetischen Eigenschaften der Materie
und auch einige organische Verbindungen, darunter Benzol. Darüber hinaus entdeckte er den

Effekt der magnetischen Induktion und schuf damit die Grundlagen für die Entwicklung des

Elektromotors und des Transformators. Ohne die Entdeckungen Faradays hätte ich dieses Buch
mit einer Feder bei Kerzenlicht schreiben müssen.

Antoine Latloisier

Antoine Lavoisier war ein sehr sorgfältig arbeitender Wissenschaftler, der sehr detailliert beobachtete und seine Experimente plante. Diese Voraussetzungen führten mit dazu, dass er den Vorgang der Atmung mit dem Vorgang der Verbrennung in Beziehung setzte. Er prägte den

Begriff Sauerstoff (Oxygen) für das Gas, das Priestley isoliert hatte. Seine Studien gipfelten

1789 im Gesetz der Erhaltung der Materie (Prinzip der Massenerhaltung), das besagt, dass

Materie weder geschaffen noch zerstört werden kann. Dieses Gesetz ermöglichte Dalton die

Entwicklung seiner Atomtheorie. Lavoisier wird auch der Vater der modernen Chemie genannt.

- 324 ==�

2 1 >- Zehn KorlJphäen der Chemie ---

Während der Französischen Revolution wurde der ehemalige Steuerpächter wegen Erpressung
angeklagt und 1794 auf dem Schafott hingerichtet.

Dimitri Mendelejew

Mendelejew gilt als der Begründer des Periodensystems, einer Tabelle, ohne die in der Chemie
gar nichts geht. Im Rahmen der Vorbereitung eines Buches im Jahre 1869 entdeckte er die

Ähnlichkeiten unter den Elementen. Er fand heraus, dass sich ein Muster wiederkehrender

Eigenschaften ergab, wenn man die damals bekannten Elemente nach ihrem Atomgewicht sortierte. Auf der Grundlage dieser periodischen, also wiederkehrenden Eigenschaften entwickelte er das erste Periodensystem.

Dabei erkannte Mendelejew schon damals, dass sein Periodensystem Löcher hatte, die mit
noch zu entdeckenden Elementen gefüllt werden würden. Ausgehend von den periodischen

Eigenschaften konnte er die Eigenschaften der fehlenden Elemente vorhersagen. Als später die

Elemente Gallium und Germanium entdeckt wurden, stellte man fest, dass die Eigenschaften
dieser Elemente in etwa mit den von Mendelejew vorhergesagten Eigenschaften übereinstimmten.

Linus PaulintJ.

Wenn Lavoisier der Vater der Chemie ist, ist Linus Pauling der Vater der chemischen Bindung.

Indem er unermüdlich nach den genauen Umständen des Zustandekommens von Bindungen
zwischen den Elementen forschte, entwickelte er die Grundlagen für unser modernes Verständnis von Bindungen. Sein Buch »Die Natur der chemischen Bindung« (1939) ist ein Klassiker der chemischen Literatur.

Pauling erhielt im Jahre 1954 den Nobelpreis für Chemie. 1963 erhielt er einen weiteren Nobelpreis, den Friedensnobelpreis, für seinen unermüdlichen Einsatz für die Einschränkung von Atomwaffentests. Er ist damit der bisher einzige Mensch, der als einzelne Person zwei

Nobelpreise erhalten hat. (Er ist auch bekannt dafür, dass er die Bekämpfung von Erkältungen
mit hohen Dosen von Vitamin C befürwortete.)

Ernest Rutherford

Obwohl Ernest Rutherford wohl eher den Physikern zuzuordnen ist, hat ihm seine Mitarbeit
an der Entwicklung des modernen Atommodells auch einen Ehrenplatz unter den Chemikern
eingebracht.

Rutherford leistete Pionierarbeit im Bereich der Radioaktivität, bei der Entdeckung und Charakterisierung der Alpha- und Beta-Teilchen und bekam für seine Arbeit den Nobelpreis für Chemie. Vielleicht kennt man ihn jedoch eher wegen seiner Streuungsexperimente, in deren

Folge er (nach zwei Jahren) erkannte, dass das Atom hauptsächlich aus leerem Raum besteht

--- 325 -

---· Chemie für Dummies
und dass es in der Mitte eine zentrale, punktförmig konzentrierte elektrische Ladung geben
muss, die wir heute als Atomkern bezeichnen. Durch Rutherford inspiriert erwarben viele
seiner früheren Studenten später selbst einen Nobelpreis.

Gfenn Seabor9

Glenn Seaborg war im Verlauf seiner Arbeit am Manhattan Project (so nannte man das Atombomben-Projekt) an der Entdeckung mehrerer der so genannten Transuran-Elemente (Elemente mit einer Ordnungszahl jenseits von 92) beteiligt. Seaborg vertrat die These, dass die Elemente Th, Pa und U falsch in das Periodensystem einsortiert worden seien und stattdessen
als die ersten drei Elemente einer neuen seltenen Serie unterhalb der Lanthaniden aufgeführt
werden sollten.

Nach dem Zweiten Weltkrieg veröffentlichte er seine These und traf auf erbitterten Widerstand.

Man warf ihm vor, er ruiniere seinen Ruf als Wissenschaftler, wenn er seine Theorie weiter
verfolge. Seine Antwort lautete, er habe gar keinen Ruf als Wissenschaftler. Er arbeitete weiter
und behielt Recht. Im Jahre 1951 erhielt auch er den Nobelpreis für Chemie.

Das Mädchen in der dritten Klasse,
das mit Essit). und ßackpuf(!er herumexperimentiert

Dieses Mädchen aus der dritten Klasse steht für alle Kinder, die jeden Tag großartige Entdeckungen machen. Sie erkunden ihre Umwelt mit der Lupe. Sie nehmen das Gewölle von Eulen auseinander und sehen nach, was die Eule so gefressen hat. Sie experimentieren mit

Magneten. Sie schauen zu, wie Tierbabys geboren werden. Sie bauen kleine Vulkane aus Essig
und Backpulver. Sie merken, dass Wissenschaft Spaß macht.

Sie hören zu, wenn man ihnen erzählt, dass Wissenschaftlerinnen immer wieder neue Anläufe
nehmen müssen und nicht aufgeben dürfen. Ihre Eltern und Lehrer ermutigen sie. Niemand
sagt ihnen, dass Wissenschaft für sie eine Nummer zu groß ist. Und wenn ihnen doch jemand
so einen Quatsch erzählt, glauben sie ihm nicht.

Sie stellen Fragen, viele Fragen. Sie lieben die Vielseitigkeit und die Schönheit der Wissenschaft. Sie werden vielleicht nie selbst die wissenschaftliche Laufbahn einschlagen. Aber sie werden eines Tages mit ihren Kindern am Esstisch sitzen, lachen und Witze machen und ihnen
helfen, auch einen Vulkan aus Essig und Backpulver zu bauen.

- 326 ----

Zehn nützliche Chemie-Websites
ln diesem Kapitef

Einen Blick auf Websites im Bereich Chemie werfen

Chemische Websites nach dem durchsuchen,
was Sie suchen

Die gefundenen Links nutzen

Wer Inf
auch ormationen
hier nicht sucht,
alles
für

Gold, den
was ist das
glänzt. Internet

In
eine
diesem
wahre

Kapitel Goldgrube.

zeige ich

Allerdings

Ihnen einige ist
gute

Anlaufadressen für die Suche nach Informationen im chemischen Bereich. Wie Sie vielleicht
auch schon festgestellt haben, gibt es Websites mit unterschiedlichen Halbwertszeiten. Ich
kann also nicht garantieren, dass Sie unter den hier angegebenen Adressen das finden, was
ich Ihnen angekündigt habe. Dennoch habe ich mich bemüht, solche Websites auszuwählen,
die aller Wahrscheinlichkeit nach länger bestehen werden. Nutzen Sie die Links, die Sie auf
den angegebenen Websites finden, um sich weiter in der Chemie umzutun. Sie werden viel

Interessantes finden!

Prof. Blumes Bilduntjsserfler für Chemie
h t tp : / / dc2 . un i - b i e l efel d . d e / d c 2 / i ndex . html

Professor Blume bietet eine reichhaltige Sammlung an Experimenten und Hintergrundtexten
zur Chemie an. Dabei stehen besonders alltägliche Phänomene im Vordergrund. Die Absicht
der Macher ist nicht, alles bis ins letzte Detail aufzudröseln, sondern alle an Chemie Interessierten
zu ermuntern, selbst aktiv zu werden, nachzulesen und zu experimentieren. Wenn man so will,
ist diese Website eine Art »Sendung mit der Maus« für Erwachsene. Neben den reichhaltigen

Informationen kann man häufig gestellte Fragen durchforsten, selber per E-Mail Fragen stellen
und über eine Suchmaschine den Server gezielt nach Stichworten durchsuchen.

Naturwissenschaftliches Arbeiten
h t tp : / /www . s e i l n a c h t . com/ i n dex . h tm

Thomas Seilnacht, der acht Jahre lang unter anderem Chemie und Biologie unterrichtet hat
und jetzt als freier Autor tätig ist, hat eine rundum gelungene Website rund um das naturwissenschaftliche Arbeiten auf die Beine gestellt, in der man nicht lange suchen muss, um jede Menge Informationen zu finden. Dazu zählen neben einem umfassenden Lexikon mit

Abbildungen auch eine Reihe gut dokumentierter Experimente (zum Teil mit kleinen Filmen

---- 327 -

---• Chemie für Dummies
im RealPlayer-Format zum Herunterladen) . Die Grundlagen der Laborarbeit werden ebenso
thematisiert wie das Periodensystem in all seinen Perspektiven. Neben den umfassenden, frei
zugänglichen Informationen kann man weitere Informationen auf einer CD-ROM erwerben,
wenn man daran interessiert ist.

Gefährliche Stoffe
http : / / i g s v t u . l u a . n rw . d e / i gs_porta l / i ndex . htm

Das Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen bietet allen Interessierten Zugriff auf das Informationssystem für gefährliche Stoffe (IGS). Otto Normalverbraucher klickt auf den Link I GS - P u b l i c und landet auf einer Suchseite, bei der man den Namen, die Summenformel
oder andere ID-Nummern eingeben kann, um sich umfassend über alle Aspekte eines Stoffes

(Stoffeigenschaften, Umweltschutz, Verbraucherschutz, Arbeitsplatzsicherheit, Gefährdungen
im Schulbereich) zu informieren. Dabei wird jeweils auch die Quelle angegeben, aus der die

Informationen stammen.

Chemlin.de
www . c heml i n . d e

ChemLin versteht sich als Informationsportal für Themen der Chemie und angrenzender Wissenschaftsgebiete im weitesten Sinne. Hier bieten sich Ihnen etwa 20000 Internetquellen der unterschiedlichsten Art (kostenlos und kommerziell, von wissenschaftlichen Informationen
bis zum Produktmarketing und Jobbörsen), die Sie nach Ihren Schwerpunkten durchsuchen
können.

Bundesministerium für Umwelt1

Naturschutz und Reaktorsicherheit
www . bmu . de

Dies ist die offizielle Seite des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, auf der Ihnen Jürgen Trittin höchstpersönlich »Viel Spaß beim Surfen« wünscht.

Sie finden hier die geltenden Umweltgesetze und -Verordnungen, Informationen über die
aktuell diskutierten Umweltfragen, Links zu den Landesumweltministerien, archivierte Reden, aktuelle Termine und so weiter und so weiter. Angeboten wird auch eine eigens für Kinder gestaltete Website, die man über den Link K i d s erreicht. Hier sind die Themen Natur, Energie, Verkehr und Abfall speziell für Kinder aufbereitet. Eine reichhaltige Linkliste lädt zum Weitersurfen ein.

- 328 ----

22 � Zehn nützliche Chemie-Websites ---

Chemieplanet
www . c hemi e p l a n e t . d e

Die Website Chemieplanet bietet Grundlageninformationen zu den Bereichen Elemente, Stoffe,

Reaktionen, Alltagschemie und Chemiegeschichte.

lnteraktirles Periodens1Jstem
www . c h emi e s t ud e n t . d e / c h emi e / pe r i oden . p h p

Auf dieser Seite der Website chemiestudent.de finden Sie ein interaktives Periodensystem, das
beim Darüberfahren mit der Maus Angaben über den Namen, den Entdecker, die Atommasse,
den Siedepunkt, die Isotope, die Elektronen, die Orbitale und die spezifische Dichte ausspuckt.

Daneben bietet die Website etwa 300 Protokolle und Skripten, Namensreaktionen, Strukturformeln, einen Molgewichtsrechner und eine umfangreiche Linksammlung.

Chemikalien und Riechstoffe
www . omi kron - on l i n e . d e / cybe rchem

Omikron ist ein Unternehmen, das unter anderem Feinchemikalien, Laborgeräte, Lebensmittelzusätze und Kosmetikrohstoffe online vertreibt. Hier erhalten Sie auch die Rohstoffe für die in der Sendung »Hobbythek« hergestellten Produkte. Daneben bietet Omikron aber auch
ein Chemikalien-Lexikon, das zu den aufgelisteten Chemikalien ausführliche Datenblätter
mit Angaben zu Eigenschaften, Herstellung und Verwendung der chemischen Verbindungen
liefert. Zum Teil gibt es zu den einzelnen Verbindungen auch Sicherheitsinformationen und

Literaturhinweise. Ergänzt wird das Lexikon durch ein Riechstofflexikon, das zurzeit 62 Monographien enthält.

Das Exploratorium
www . expl o r a t o r i um . ed u

Das Exploratorium, die Website des Museum of science, art and human perception ist zwar eine
amerikanische, also englischsprachige Website, aber so gut gemacht und voller Informationen,
dass Sie ruhig mal vorbeischauen sollten. Das Angebot zielt auf Familien und Kinder und wird
ständig ausgebaut. Lassen Sie sich zeigen, welche wissenschaftlichen Erkenntnisse hinter den
verschiedenen Sportarten stecken. Erkennen Sie, was hinter optischen Täuschungen steckt.

Das vielfältige Angebot weckt die Neugier auf die Welt, in der wir leben.

--- 329 -

---• Chemie für Dummies

Deutsches Museum
www . deutsches -mus eum . de

Auch das Deutsche Museum bietet mit seiner Website Einblicke in sein vielfältiges Informationsangebot Sehen Sie sich die Versuchsanordnungen berühmter Forscher oder den ersten Dieselmotor in Aktion an. Lauschen Sie den Klängen ausgestellter historischer Musikinstrumente. Werfen Sie einen Blick in die wissenschaftliche Chemie, die experimentelle Chemie oder die Galvanik. Eine spezielle Kinderhornepage rundet das Angebot ab. Hier können Kinder
im Verlauf einer Reise durch die Elemente Feuer, Erde, Luft und Wasser Aufgaben lösen und
ein Forscherdiplom erwerben.

Wissenschaftliche Einheiten:

Das metrische S1Jstem

Ein Chemiker

Volumina verbringt
oder die
viel Zeit

Längen
mit
von

Messungen

Substanzen.

bestimmter Größen. Er ermittelt Massen,

Damit die Chemiker ihre Messungen weltweit mit anderen Chemikern vergleichen können,
müssen sie diesbezüglich auch dieselbe Sprache sprechen. Diese Sprache ist das internationale

Einheiten-System (SI-System), das wir umgangssprachlich das metrische System nennen. Es
gibt zwar ein paar kleine Unterschiede zwischen dem SI-System und dem metrischen System,
aber im Großen und Ganzen stimmen sie überein.

Das SI-System ist ein Dezimalsystem. Es gibt Basiseinheiten für die Masse, die Länge, das

Volumen und so weiter und es gibt Präfixe, die diese Basiseinheiten modifizieren. Kilo etwa
bedeutet 1000. Ein Kilogramm entspricht 1000 Gramm, ein Kilometer sind 1000 Meter.

Dieser Anhang verzeichnet die SI-Präfixe, die Basiseinheiten für die physikalischen Einheiten
des SI-Systems und einige nützliche Umrechnungen.

SI·Präfixe

In Tabelle A. 1 können Sie die Abkürzungen und die Bedeutungen einiger SI-Präfixe ablesen.

Präfix

Abkürzung

Bedeutung

Tera ...

T

1.000.000.000.000 oder 1012

Giga ...

G

1 .000.000.000 oder 1 09

Mega ...

M

1.000.000 oder 1Q6

Kilo ...

k

1000 oder 103

Hekto ...

h

100 oder 1 02

Deka ...

da

1 0 oder 1 01

Dezi ...

d

0,1 oder I0-1

Zenti ...

c

0,01 oder 1 0-2

Milli ...

m

0,001 oder 10-3

Mikro ...

J.l

0,000001 oder 1 0-6

Nano ...

n

0,000000001 oder 1 0-9

Pico ...

p

0,000000000001 oder 1 0-12

Tabelle A.l: Sl-Präfvce

33 1 -

---· Chemie für Dummies

LäntJ.e

Die SI-Basiseinheit für die Länge ist der Meter. Die genaue Definition des Meters hat sich über
die Jahre verändert. Heute definiert man einen Meter als die Länge der Strecke, die das Licht im

Vakuum innerhalb von 1/299792458 Sekunden zurücklegt. Hier sind einige SI-Längeneinheiten:

1 Millimeter (mm) 1000

=

Mikrometer (J.Lm)

1 Zentimeter (cm) = 10 Millimeter (mm)

1 Meter (m) = 100 Zentimeter (cm)

1 Kilometer = 1000 Meter (m)

Und hier sind ein paar Umrechnungen in das englische System:

1 mile (mi) = 1,61 Kilometer (km)

1 yard (yd) 0,914

=

Meter (m)

1 inch (in) 2,54

=

Zentimeter (cm)

Masse

Die SI-Basiseinheit für die Masse ist das Kilogramm. Das entspricht dem Gewicht eines standardisierten Iridium-Zylinders mit einem Durchmesser von 39 mm und einer Höhe von 39 mm, der im Internationalen Büro für Maße und Gewichte aufbewahrt wird. Hier sind einige SI

Masseeinheiten:

1 Milligramm (mg) = 1000 Mikrogramm (J.!g)

1 Gramm (g) = 1000 Milligramm (mg)

1 Kilogramm (kg) = 1000 Gramm (g)

Und hier sind ein paar Umrechnungen aus dem englischen System:

1 pound (lb) = 454 Gramm (g)

1 ounce (oz) = 28,4 Gramm (g)

1 pound (lb) = 0,454 Kilogramm (kg)

1 grain (gr) = 0,0648 Gramm (g)

1 Carat (car) = 200 Milligramm (mg)

- 332 ---

-----• A > Wissenschaftfiche Einheiten: Das metrische S1Jstem ---•

Volumen

Die SI-Basiseinheit für das Volumen ist der Kubikmeter. Chemiker verwenden aber in der Regel
die Einheit Liter. Ein Liter entspricht 0,001 m3• Hier sind einige SI-Volumeneinheiten:

1 Milliliter (ml) = 1 Kubikzentimeter (cm3)

1 Milliliter (ml) = 1000 Mikroliter (!-LI)

1 Liter (I) = 1000 Milliliter (ml)

Und hier sind ein paar Umrechnungen aus dem englischen System:

1 quart (qt) = 0,946 Liter (I)

1 pint (pt) = 0,473 Liter (I)

1 fluid ounce (fl oz) = 29,6 Milliliter (ml)

1 gallon (gal) = 3, 78 Liter (I)

Temperatur

Die SI-Basiseinheit für die Temperatur ist Kelvin. Hier sind die drei wichtigsten Formeln für
die Umrechnung von Temperaturen:

Celsius in Fahrenheit: oF = (9/5) oc + 32

Fahrenheit in Celsius: oc = (5/9WF - 32)

Celsius in Kelvin: K = oc + 273

Druck

Die SI-Basiseinheit für den Druck ist Pascal, wobei ein Pascal einem Newton pro Quadratmeter
entspricht. Der Druck kann aber auch in anderen Einheiten ausgedrückt werden. Deshalb
folgen hier ein paar nützliche Umrechnungsformeln:

1 mm Quecksilbersäule (mm Hg) 1

=

Torr

1 Atmosphäre (atm) = 760 mm Quecksilbersäule (mm Hg)

760 Torr

1 Atmosphäre (atm) = 101 Kilopascal (kPa)

--- 333 -

---• Chemie für Dummies

Ener9ie

Die SI-Basiseinheit für Energie (beispielsweise in Form von Wärme) ist loule, am gebräuchlichsten ist jedoch immer noch die metrische Wärmeeinheit, die Kalorie. Hier sind einige nützliche Umrechnungsformeln:

1 Kalorie (cal) = 4,187 Joule (J)

1 Nahrungskalorie (Ca!) = 1 Kilokalorie (kcal) = 4.187 Kilojoule (kJ)

1 British thermal unit (BTU) = 252 Kalorien (cal) = 1 053 Joule (J)

Wie man mit sehr tJroßen und
sehr kleinen Zahlen umtJeht

Wer in der Chemie sein Brot verdient, gewöhnt sich schnell dar an, mit sehr großen und
sehr kleinen Zahlen zu hantieren. Wenn Chemiker etwa über die Anzahl der Saccharosemoleküle in einem Gramm Zucker sprechen, ist das eine sehr große Zahl. Geht es jedoch um das Gewicht eines Saccharosemoleküls in Gramm, ist von einer sehr kleinen Zahl die Rede.

Natürlich kann man solche Zahlen ausschreiben, aber das würde schnell unpraktikabel. Viel
leichter und übersichtlicher sind da die exponentielle und die wissenschaftliche Schreibweise.

Exponentielle Schreibweise

Bei der exponentiellen Schreibweise wird eine Zahl als Zehnerpotenz dargestellt. Dabei kommt
es nicht darauf an, an welcher Stelle das Komma steht. Hauptsache, die Zehnerpotenz ist die
richtige. Bei der wissenschaftlichen Schreibweise sitzt das Komma immer zwischen der ersten
und der zweiten Stelle (von links betrachtet), wobei an der ersten Stelle keine Null stehen
darf.

Ein Beispiel: Nehmen wir an, es geht um einen Gegenstand mit einer Länge von 0,00125 Metern.

Diese Länge kann man exponentiell auf verschiedene Arten notieren:

0,00125 m = 0,0125 x 10·1 m oder 0, 125 x 10-2 m oder 1,25 x 10-3 m oder 12,5 x 10-4 m und so
weiter.

All diese Beispiele sind mathematisch korrekt dargestellte Exponentialzahlen. Bei der wissenschaftlichen Schreibweise wird das Komma so gesetzt, dass links davon eine Zahl größer als null steht. Bei unserem Beispiel entspricht die wissenschaftliche Schreibweise 1,25 x 1 0-3 m.

Die meisten Wissenschaftler verwenden automatisch diese Art der Zahlendarstellung.

Hier sind ein paar Beispiele für Zehnerpotenzen und die entsprechenden Zahlen:

1 X 10° = 1

1 X 101 = 10

1 X 102 = 1 X 10 X 10 = 100

1 X 103 = 1 X 10 X 10 X 10 = 1000

1 X 104 = 1 X 10 X 10 X 10 X 10 = 10000

1 X 105 = 1 X 10 X 10 X 10 X 10 X 10 = 100000

--- 335 -

---• Chemie für Dummies

1 X 1010 = 1 X 1 0 X 1 0 X 10 X 10 X 10 X 10 X 1 0 X 1 0 X 1 0 X 1 0 = 10.000.000.000

1 X 10·1 = 0, 1

1 X 10·2 = 0,01

1 X 10·3 = 0,001

1 X 10·10 = 0,0000000001

Addition und Subtraktion

Damit man Zahlen in exponentieller Schreibweise addieren oder subtrahieren kann, müssen
sie dieselbe Zehnerpotenz haben. Ist dies nicht der Fall, muss man sie gleichnamig machen.

Hier ist ein Beispiel:

(1,5 x 103 g) + (2,3 x 102 g) (15

17,3

=
x 1 02 g) + (2,3 x 102 g) =
x 102 g (exponentielle Schreibweise) = 1,73 x 103 g (wissenschaftliche Schreibweise)

Bei der Subtraktion verfährt man genau so.

Multiplikation und Diflision

Um Exponentialzahlen zu multiplizieren, multipliziert man die Koeffizienten (die Basiszahlen)

und addiert die Exponenten (die Zehnerpotenzen):

(9,25 X 10·2 m) X (1,37 X 10·5 m) = (9,25 X 1,37) X 10(·2 + -5)

1,27

= 1 2,7 X 10·7 =

X 10·6

Um Exponentialzahlen zu dividieren, dividiert man die Koeffizienten und subtrahiert den

Exponenten des Nenners vom Exponenten des Zählers:

(8,27 x 105 g) I (3,25 x 103 ml) (8,27 I 3,25)

=
x 105·3 g/ml = 2,54 x 102 g/ml

Zahlen potenzieren

Wenn man eine exponentiell notierte Zahl potenzieren will, potenziert man zunächst den

Koeffizienten und multipliziert dann die Exponenten:

(4,33 x 10·5cm)3 (4,33)3

81,2

=
x 10·5x3 cm3 =
x 1 0·15 cm3 = 8,12 x 10·14 cm3

Rechnen mit dem Taschenrechner

Wissenschaftliche Taschenrechner sind eine echte Erleichterung und sparen Zeit, die der Arbeit
an den eigentlichen Problemen zugute kommt.

- 336 ---

---• 8 > Wie man mit sehr fJ.roßen und sehr kleinen Zahlen um9eht ---•

Mit einem Taschenrechner kann man Exponentialzahlen addieren und subtrahieren, ohne die

Potenzen anpassen zu müssen. Aufpassen muss man nur, dass man beim Eingeben alles richtig
macht. Ich möchte Ihnen deshalb kurz erläutern, wie das geht:

Ich nehme mal an, dass Ihr Taschenrechner eine Taste mit der Aufschrift EXP hat. Dieses EXP
steht für x 10. Wenn Sie die EXP-Taste gedrückt haben, können Sie die Zehnerpotenz eingeben.

Wenn Sie beispielsweise die Zahl 6,25 x 103 eingeben wollen, tippen Sie zunächst die 6,25 ein,
drücken dann EXP und tippen dann die 3 ein.

Wie steht es mit negativen Potenzen? Wenn Sie etwa die Zahl 6,05 x 10·12 eingeben wollen,
tippen Sie die 6,05, drücken EXP, geben 12 ein und drücken dann die +/_ Taste.

Wenn Sie mit einem Taschenrechner arbeiten, tippen Sie bei Exponentialzahlen
nicht x 10 ein. Drücken Sie stattdessen die Taste EXP und geben Sie anschließend
die Zehnerpotenz ein.

Methoden zur UmrechnuniJ
flon Einheiten

Sie werden

Daten so nicht selten festst
zurechtzulegen,
ellen,
dass man dass
ein es gar

Problem nicht
lösen so einf
kann. ach

Ein
ist,
wissen sich die
schaftl
ermittelten
icher Taschenrechner nimmt Ihnen zwar die Rechenarbeit ab, aber er sagt Ihnen nicht, was Sie multiplizieren oder teilen müssen.

Deshalb muss man wissen, wie man mit Einheiten rechnet und wie man Einheiten umrechnet.

Es gilt, zwei Grundregeln zu beachten:

V Regel 1: Schreiben Sie immer die Zahl und die damit verbundene Einheit zusammen
auf. In der Chemie gibt es kaum Zahlen ohne eine damit verbundene Einheit. Als einzige

Ausnahme fällt mir die Konstante Pi ein.

V Regel 2: Berücksichtigen Sie bei allen mathematischen Operationen die Einheiten und
kürzen Sie diese so lange, bis Sie die Einheit haben, die Sie für das Ergebnis benötigen.

Jeder Schritt muss dabei eine wahre mathematische Aussage sein.

Wie wäre es mit einem Beispiel, damit Sie sehen, wie man diese Regeln in der Praxis umsetzt?

Stellen Sie sich ein Objekt vor, das sich mit einer Geschwindigkeit von 75 Meilen pro Stunde
bewegt. Sie sollen diese Geschwindigkeit in Kilometer pro Sekunde (km/s) umrechnen. Zunächst
notieren Sie Ihre Ausgangsposition:

75 mi
l h

Denken Sie daran, dass Sie gemäß Regel 1 die Einheit und die dazugehörende Zahl in die

Gleichung gehören.

Rechnen Sie nun Meilen in Fuß um und kürzen Sie dabei die Einheit Meilen gemäß Regel 2.

75 fni 5.280 ft
l h
l fni

Rechnen Sie nun die Einheit Fuß in Inches um:

75 fni 5.280 ft 12 in

-- x
x --
l h
l fni

1 ft

--- 339 -

---• Chemie für Dummies

Rechnen Sie die Inches in Zentimeter um:

75 i'ni 5.280 ß 1 2 1R 2, 54 cm

-- x

1 h

1 i'ni

1 ß

1 1R

Rechnen Sie die Zentimeter in Meter um:

75 i'ni 5.280 ß 12 1R 2, 54 <:m

1 m

-- X

X -- X

X --

1 h

1 i'ni

1 ß

1 1R

100 <:m

Und schließlich die Meter in Kilometer:

75 i'ni 5.280 ß 12 1n. 2, 54 <:m

1 m

1 km

-- X

X -- X

X -- X ---

1 h

1 i'ni

1 ß

1 1R

100 <:m 1000 m

Machen Sie erst mal eine Pause und strecken Sie sich ein wenig. So, jetzt können Sie sich dem

Nenner des Ausgangsbruchs widmen und die Stunden in Minuten umrechnen:

75 i'ni 5.280 ß 1 2 1n. 2, 54 <:m

1 m

1 km

1 h

-- x
x -- x
x -- x --- x --

1 h

1 i'ni

1 ft

1 1R

1 00 <:m 1000 m 60 min

Rechnen Sie nun die Minuten in Sekunden um:

75 i'ni 5.280 ß 12 1R 2, 54 <:m

1 m

1 km

1 h

1 !hiR

-- x
x -- x
x -- x --- x -- x --

1 h

1 i'ni

1 ft

1 rn.

100 <:m 1 ooo m 60 !hiR 60 s

Jetzt haben Sie die Einheit Kilometer pro Sekunde (krn!s) und können das Ergebnis berechnen:

0,033528 krn!s

Sie können das Ergebnis jetzt auf die richtige Anzahl relevanter Stellen runden. Wie man das
macht, finden Sie in Anhang D erklärt. Richtig gerundet sieht unser Ergebnis so aus:

0,034 km!s oder 3,4 x 10-2 krn!s

Die hier geschilderte Vorgehensweise ist zwar richtig, stellt aber gewiss nicht den einzig richtigen Weg dar. Je nachdem, welche Umrechnungsfaktoren Sie kennen oder verwenden, gibt es unter Umständen viele Wege, die zum richtigen Ergebnis führen.

Ich will Ihnen noch ein Beispiel vorrechnen, um Sie auf einen anderen Punkt aufmerksam zu
machen. Nehmen wir an, Sie haben einen Gegenstand mit einer Grundfläche von 35 Quadratinches und wollen wissen, wie viel Quadratmeter das sind. Auch hier müssen Sie zuerst einmal Ihren Ausgangspunkt festhalten:

35, 0 in2

1

340 ---

--------- C >- Methoden zur Umrechnun9 rlon Einheiten ---

Jetzt müssen Sie die Inches in Zentimeter umrechnen. Dabei müssen die Quadratinches gekürzt werden. In dem neuen Bruch müssen die Inches quadriert werden, und wenn die Einheit quadriert wird, muss auch die Zahl quadriert werden. Und wenn der Nenner quadriert wird,
muss auch der Zähler quadriert werden:

35, 0 rn2 (2, 54 cm)2

1

(1

Nun rechnen Sie auf dieselbe Weise Quadratzentimeter in Quadratmeter um:

35, 0 rn2 (2, 54 em)2

(1

1

(1 rnf

(1 oo

Jetzt sind Sie bei Ihrer Zieleinheit angelangt und können das Ergebnis ausrechnen:

0,0225806 m2

Wenn Sie dieses Ergebnis auf die richtige Anzahl der relevanten Stellen runden (siehe Anhang D), sieht es so aus: 0,023 m2 oder 2,3 x 10-2 m2

Mit ein wenig Übung wird sich der Nebel lichten und Sie werden das Rechnen mit Einheiten
nur so aus dem Ärmel schütteln. Auf diese Weise bin ich gut durch meine Einführungsseminare
in Physik gekommen!

Releflante Stellen und das Runden

Stellen sind die Dezimalstellen, die man am Ende einer mathematischen Berechnung als Lösung hinschreibt. Wenn ich Ihnen sage, dass ein Student als Dichte eines Objekts den Wert 2,3 g/ml und ein Kommilitone für dasselbe Objekt den Wert 2,272589 g/ml
ermittelt hat, werden Sie wohl davon ausgehen, dass der zweite Wert das Ergebnis eines genauer durchgeführten Experimentes ist. Damit könnten Sie Recht haben, Sie könnten aber auch daneben liegen. Solange Sie nicht wissen, ob beide Studenten sich an die Konvention der
relevanten Stellen gehalten haben, können Sie nicht mit Sicherheit sagen, wer von beiden sein

Experiment genauer durchgeführt hat. Die Anzahl der Dezimalstellen eines Wertes gibt dem

Leser einen Hinweis darauf, wie genau der Wert gemessen worden ist. Wie viele Stellen relevant
sind, hängt davon ab, wie genau eine Messung erfolgen kann. Dieser Anhang zeigt Ihnen, wie

Sie die Anzahl der relevanten Stellen einer Zahl ermitteln und wie Sie Ergebnisse bis auf die

Anzahl der relevanten Stellen runden.

Zahlen: Genau und tJ.ezählt oder 9erundet

Wenn ich Sie frage, wie viele Autos Ihre Familie besitzt, müssen Sie wohl nicht lange überlegen. Egal ob Ihre Antwort 0, 1, 2 oder 1 0 lautet, Sie kennen die Anzahl der Autos in Ihrer Familie genau. Man spricht in solchen Fällen von gezählten Zahlen. Wenn ich Sie frage, wie
viele Dezimeter ein Meter hat, wird Ihre Antwort 10 lauten. Das ist eine genaue Zahl. Eine
andere genaue Zahl ist die Anzahl der Zentimeter, die ein Dezimeter hat - 10. Diese Anzahl ist
genau so definiert. Bei gezählten und genauen Zahlen sind die Ergebnisse immer eindeutig.

Solange man mit solchen Zahlen arbeitet, braucht man sich um maßgebliche Stellen keine

Gedanken zu machen.

Nehmen wir einmal an, ich forderte Sie und ein paar Ihrer Freunde auf, die Länge eines Objektes so genau wie möglich mit einem einen Meter langen Stab zu messen. Sie würden mir daraufhin die folgenden Ergebnisse abliefern: 2,67 m, 2,65m, 2,68 m, 2,61 m und 2,63 m. (Was,

Sie haben nicht so viele Freunde? Das tut mir Leid.) Wer hat nun Recht?

Bei der Messung einer physikalischen Größe (hier der Länge) vergleicht man den zu messenden

Gegenstand mit einer Einheit dieser Größe. Wird dieser Vergleich unter gleichen Bedingungen
wiederholt vorgenommen, so werden die Messwerte voneinander und auch von dem tatsächlichen Wert der Messgröße abweichen. Denn Messwer.te sind immer mit einer bestimmten Unsicherheit behaftet. Die Anzahl der relevanten Stellen eines Messergebnisses hängt von der
am wenigsten verlässlich gemessenen Zahl ab.

--- 343 -

--- Chemie für Dummies
ßestimmun9 der releclanten Stellen einer 9emessenen Zahl

Im Folgenden präsentiere ich Ihnen die Regeln, nach denen man die relevanten Stellen einer
gemessenen Zahl ermittelt.

V Regel I: Alle Stellen, die nicht mit einer Null besetzt sind, sind relevant. Die Zahl 676 hat
also drei relevante Stellen, 5,3 x 105 hat zwei und 0,2456 hat deren vier. Gedanken machen
müssen Sie sich nur über die Nullen.

V Regel 2: Alle Nullen zwischen nicht mit einer Null besetzten Stellen sind relevant. Die Zahl

303 etwa hat drei relevante Stellen, die Zahl 425003704 neun und 2037 x 10·6 hat deren
vier.

V Regel 3: Alle Nullen links von der ersten nicht mit einer Null besetzten Stelle sind nicht
relevant. Die Zahl 0,0023 etwa hat zwei relevante Stellen und die Zahl 0,0000050023 hat
fünf (in wissenschaftlicher Notation wäre das die Zahl 5,0023 x 10-6).

V Regel 4: Nullen rechts neben der letzten nicht mit einer Null besetzten Stelle sind relevant,
wenn die Zahl ein Komma aufweist. Die Zahl 3030,0 etwa hat fünf relevante Stellen, die

Zahl 0,000230340 hat sechs und die Zahl 6,30300 x 107 hat ebenfalls sechs.

v Regel 5: Nullen rechts neben der letzten nicht mit einer Null besetzten Stelle sind nicht relevant, wenn die Zahl kein Komma aufweist. (Eigentlich müsste ich sagen, dass ich eigentlich nicht weiß, wie es sich mit diesen Nullen verhält, wenn kein Komma vorhanden ist. Dazu
müsste ich wissen, wie ein konkreter Wert gemessen wurde. Die meisten Wissenschaftler
halten sich jedoch an die Konvention, dass Nullen rechts neben der letzten nicht mit einer

Null besetzten Stelle nicht relevant sind, wenn die Zahl kein Komma hat.) Die Zahl 72000
hätte also zwei relevante Stellen, die Zahl 50500 deren drei.

Die richtit}.e Anzahl releflanter Stellen an9eben

Im Allgemeinen wird die Anzahl der relevanten Stellen, die man schließlich bei einer Berechnung angibt, von dem am wenigsten verlässlich gemessenen Wert bestimmt. Welcher Wert das ist, hängt wiederum von den jeweils zugrunde liegenden mathematischen Operationen ab.

Addition und Subtraktion

Bei der Addition und der Subtraktion hat das Ergebnis so viele Stellen hinter dem Komma wie
die an der Operation beteiligte Zahl mit den wenigsten Dezimalstellen. Ein Beispiel:

2,675 g + 3,25 g + 8,872 g + 4,5675 g

Der Taschenrechner zeigt das Ergebnis 19,3645 an, aber dieses Ergebnis wird auf die Hundertstel gerundet, weil die Zahl 3,25 mit zwei Dezimalstellen die wenigsten Stellen hinter dem Komma aufweist. Das gerundete Ergebnis beträgt dann 19,36.

- 344 ---

D > Refeflante SteUen und das Runden ---

Multiplikation und Di(!ision

Bei der Multiplikation und der Division hat das Ergebnis so viele relevante Stellen wie die an
der Operation beteiligte Zahl mit den wenigsten relevanten Stellen. Beachten Sie, dass gezählte
und genaue Zahlen bei der Ermittlung der relevanten Stellen keine Berücksichtigung finden.

Nehmen wir an, Sie berechnen die Dichte in Gramm pro Liter eines Objekts, das 25,3573 (sechs
relevante Stellen) Gramm wiegt und ein Volumen von 10,50 (vier relevante Stellen) Millilitern
hat. So sieht Ihre Ausgangsposition aus:

(25,3573 g/10,50 ml) x 1000 ml/1

Der Taschenrechner zeigt das Ergebnis 2414,981000 an. Die erste Zahl hat sechs relevante

Stellen, die zweite vier (die 1000 ml/1 bleiben unberücksichtigt, weil es sich um eine genaue

Umformung handelt). Das Endergebnis sollte also vier relevante Stellen aufweisen. Das notierte

Ergebnis ist somit 2415 g/1. Gerundet wird immer nur das Endergebnis, keinesfalls eventuelle

Zwischenwerte.

Zahlen runden

Beim Runden gilt es, folgende Regeln zu beachten:

tl Regel 1: Betrachten Sie die erste Stelle, die wegfallen soll. Steht dort eine 5 oder eine
größere Zahl, kappen Sie diese Zahl und alles, was danach kommt und erhöhen den Zahlenwert der letzten beibehaltenen Stelle um 1 . Nehmen wir an, Sie wollen die Zahl 237,768
auf vier relevante Stellen runden. Die 6 und die 8 fallen also weg. Die 6, die auf der ersten
wegfallenden Stelle steht, ist größer als 5, also wird der Wert der letzten beibehaltenen

Stelle um 1 auf 8 erhöht. Die gerundete Zahl heißt 237,8.

tl Regel 2: Ist der Wert der ersten wegfallenden Stelle kleiner als 5, kappen Sie diese Zahl
und alles, was danach kommt und lassen den Zahlenwert der letzten beibehaltenen Stelle
unverändert. Nehmen wir an, Sie wollen die Zahl 2,35427 auf drei relevante Stellen runden.

Die 4, die 2 und die 7 fallen also weg. Die 4, die auf der ersten wegfallenden Stelle steht,
ist kleiner als 5, also bleibt der Wert der letzten beibehaltenen Stelle unverändert. Die
gerundete Zahl heißt 2,35.

--- 345 -

Stichwortflerzeichnis

A

Alkohol 246

Oxidation 247

Abgasgrenzwerte 258

Allzweckreiniger 279

Abwasserreinigung 312

Alphastrahlung 84
biologische 313

Altersbestimmung
chemische 314
radioaktive 89
mechanische 312

Aluminium 159

Additionspolymer 264

Aluminiumdose 171

Polyethylen 265

Aluminiumerz 171

Polystyrol 267

Aluminiumoxid 171

Polytetrafluorethylen 268

Amide 250

Propylen 266

Amine 250

PVC 267

Ammoniak 145

Tabelle 269

Synthese von 147

Additionspolymerisation 264

Ammoniakgas 152

Additionsreaktion 243

Ammoniumchlorid 169

Hydratation 244

Ammoniumkarbonat 1 1 1

Hydrierung 243

Analytische Chemie 30

Adstringens 282

Anion 104, 307, 324

Aftershave 283

Anode 168

Aktinide 72

Anorganische Chemie 30

Aktivierungsenergie 156

Antimaterie 86
der Reaktion 136

Antitranspirant 280

Aktivierungsenergiemaximum 138, 156

Anziehung

Aktivkohlefilter 314, 315
elektrostatische 104

Akzeptor 204

Arehirnedes 319

Aldehyd 248

Archimedes-Prinzip 44

Alkalimetalle 76

Arrhenius

Alkaloide 250

Theorie der Säuren und Basen 203

Alkalose 215

Aspartam 322

Alkan 236, 254

Asphalt 253
allgemeine Formel 236

Aspirin 289

Benennungsbeipiel 240

Äthylalkohol siehe Ethylalkohol

Benennungsregeln 239

Atmosphäre 291

Ringsysteme 242

Atom 40, 8 1

Summen- und Strukturformel 237

Atomare Masse

Tabelle 237

Wasserstoff 67
unverzweigtes 236

Atombombe 9 1

Alkene 236, 243, 254

Atomgewicht 53

Namen 243

Atomkern 59, 326

Polymerisation 244

Atomkraftwerk 92

Reaktionen 243

Atommüll 93

Alkine 236, 244

Atomzahl 53

--- 34 7 -

--- Chemie für Dummies

Auto-Kühlsystem 197

Bindung

Autobatterie 44
chemische 104

Avogadro, Amedeo 228, 323
koordinative 204

Avogadro-Konstante 323
kovalente 105, 204, 235

Avogadro-Zahl 178, 323
polarkovalente 129

Avogadros Gesetz 228

Bindungstypen 100

Azidose 215

Biochemie 30

Biotechnik 30

B

Bitumen 253

Bleiakku 170

Backpulver 201

Bleichlauge 278

Bakterien

Bleichmittel 278
aerobe 312, 314

Bleidioxid 170
anaerobe 312, 314

Blutzelle 199

Barometer 220

Boden

Base

Versauerung 300

Eigenschaften 202

Bohr, Niels 56, 323
im Alltag 202

Bohr-Modell 57
mikroskopisch betrachtet 202

Bohrsches Atommodell 323
organische 250

Boyle, Robert 222
schwache 208

Boyles Gesetz 222, 223
starke 206

Brennstoff

Basiseinheit 331
fossiler 92, 216, 251, 291, 296

Basisnote 284

Bromid-Anion 109

Batterie 160

Brönsted 208

Baumwolle 261

Brönsted-Lowry-Theorie 204

Becquerel, Henri 321, 324

Brunnenwasser 315

Belebtschlamm 314

Brutreaktor 93

Belebungsbecken 314

BSB 312

Benennung

Bürette 211
organische Verbindungen 239

Butan 146

Benzin 236
bleifreies 259
c

Oktanzahl 256

Sommerqualität 256

Carbonsäuren 247

Verbrennung 255

Celsius 47

Voraussetzungen für optimale Verbren

Charles, Jacques 224
nung 255

Charles Gesetz 224

Winterqualität 256

Chemie

Benzin-Additiv
analytische 30

Blei 257
angewandte 32

Benzinproduktion 251
anorganische 30

Bergbau
organische 30, 235

Schwermetallbelastung 309
physikalische 30

Betastrahlung 84
reine 31

Betateilchen 85

Chemielehrer 34

Biatomares Molekül 1 16

Chemiker

Bilanz der Zerfallsreaktion 82
forensischer 34

Bindemittel 282

Chlor 102

- 348 ----

llllllllllllllllllll-•

Chrom 159

E

Chromteil

Schwermetallbelastung 308

Edelgas 76

Clean Air Act 258

Edelgaskonfiguration 120

Cracken 254

Edukt 204
katalytisches 254, 256

Effusion 231, 232

Creme 281

Eigenschaft

Curie, Marie 324
extensive 43

Cycloalkan 242
intensive 43

Eigenschaften
kolligative 187

D

Einheit
d-Orbital 78
international 331

Dalton, John 324
umrechnen (Beipiele) 339

Daltons Gesetz 231

Einheiten-Umwandlungsmethode 42

Dampfdruck 195

Eis 306

Dampfdruckerniedrigung 195

Elektrode 167, 324

Daniell-Zelle 167

Elektrodenkoks 253

Dauerwelle 288

Elektrogalvanisierung 161

Denaturierung 246

Elektrolyse 171, 324

Deodorant 280

Elektrolyt 68, 1 13, 324

Deposition 39

Elektron 51

Destillation 252, 314

Elektronegativität 1 15, 126, 305
fraktionierte 252

Elektronenaufnahme 84

Detergens 275, 276

Elektronenformel 204
synthetisches 278

Elektronenkonfiguration 62, 76, 103

Diabetes 215

Elektronenpaarbindung 204

Dieselöl 253

Elektronenpaargeometrie 132, 133

Diffusion 231

Elektronenpunktformel 117

Dirnethylether 121

Elektronenschale 56

Dipol 128, 130

Elektronensee 1 18

Dipol-Dipol-Wechselwirkung 130

Elektronentransfer 1 15, 167

Dispersionskraft 130

Elektrostatische Anziehung 104

Dissoziationskonstante siehe

Elemente 30

Gleichgewichtskonstante

Emulsion 281

Disulfid-Bindung 286, 288

Endotherme Reaktion 136

Donator 204

Energie

Doppelbindung 236

Einheit 334

Drehimpulsquantenzahl 58
kinetische 46

Drei-Wege-Katalysator 259
potenzielle 46

Dreifachbindung 236

Energieniveau 56

Druck 218

Energieniveaudiagramm 62, 102
atmophärischer 220

Engpassreaktande 185

Einheit 333

Enthaarungscreme 287

Einheiten 220

Entschwefelung
osmotischer 195
nasse 302

Duftstoff 283

Entschwefelungsanlage 297

Dunstglocke 297

Enzyme 276

Erdalkali-Metalle 76

=== 3119 -

---· Chemie für Dummies

Erdatmosphäre 292

Gas

Erdöl 251
leichtes 293

Erlenmeyer-Kolben 211
mikroskopisch betrachtet 217

Erwärmung

Gasgesetz 222
globale 296, 301
kombiniertes 227

Ester 248, 269

Gaspartikel 31

Ether 249

Bewegung 218

Ethylalkohol 121

Volumen 218

Eutrophierung 276, 311

Gastheorie

Exotherme Reaktion 136
kinetische 217

Exponentialzahlen 335

Gay-Lussac, Joseph-Louis 226

Gay-Lussacs Gesetz 226

F

Gefrierpunkt 38

Gefrierpunkterniedrigung 195, 196

Fahlberg, Constantin 322

Geometrie

Fahrenheit 4 7
molekulare 236

Familien 72

Gerichtschemiker 34

Faraday, Michael 324

Gerüststoffe 276

Farbstoff

Gesättigt 243
synthtetischer 320

Gesichtspuder 282

FAT 181
typische Zusammensetzung 282

FCKVV 242, 293, 294, 295

Gesichtswasser 283

FCKVV-Halon-Verbots-Verordnung 295

Gewicht

Festkörper 37
spezifisches 44

Fiedler-VVeiss, Dr. Virginia 322

Gewichtsprozentsatz 190

Filter

Gewinnschwelle 96
elektrostatischer 297, 301

Gleichgewicht

Fixiermittel 283
chemisches 135

Flugbenzin 253
dynamisches chemisches 148

Fluorchlorkohlenwasserstoff 242, 294

Gleichgewichtskonstante

Flüssiggas 253
für schwache Säuren 206, 218

Flüssigkeit 36

Gleichung

Formaldehyd 161
molekulare 141

Formel

Glocke 253
strukturierte 133

Goodyear, Charles 320

Formelbindung 1 19

Grabtuch Christi 89

Fraktion 252

Grahams Gesetz 231

Fraktionierturm 253

Grundwasser 304

Francium 76

Grundwasserleiter 305

Frey, Art 322

Grundzustand 56

Füllstoff 276

Gruppe

Funktionelle Gruppe 245
funktionelle 245

Fusion 95

Gurke 199

Fusionsverbrennungskonzept 96

H

G

Haar

Gammastrahlung 85

Aufbau 286

Gammastrahlungsemission 85
bleichen 287

- 3so ----

Stichwortflerzeichnis ---•

Haarfarbe 287

Ionenaustausch 314
dauerhaft färben 287

Ionenaustauschharz 277
vorübergehend färben 287

Ionenbindung 101

Haarspray 291, 293

Ionenelektronenmethode 164

Haarwachstum 290

Ionenladung 107, 1 1 1

Haarwuchsmittel 322

Ionenverbindung 104

Haber-Prozess 145, 149, 183
isoelektrisch 103, 104

Haber-Reaktion 152

Isomer 121, 238

Haftnotiz 322

Isooktan 256

Halb-Reaktion 162

Isotop 66, 82

Halbe Reaktionen 159
radioaktives 84

Halbmetalle 73

IUPAC 239

Halbwertszeit eines Isotops 87

Halogen 76, 102, 242

Halon 295

J

Hämolyse 199

Joule 49

Hauptquantenzahl 58

Hautcreme

K
typische Zusammensetzung 281

Hautkrebs 293

Kaliumnitrat 190

Heizöl 253

Kaliumphosphat 1 1 1

Heterogener Katalysator 156

Kalorie 49, 173

Homogener Katalysator 157

Kapselung 95

Hortensie 210

Katalysator 156, 157

Hydrierung 244

Auto 258, 298

Hydrolyse 275
heterogener 156

Hydrophil 274
homogener 157

Hydrophob 27 4

Katalyse

Hyperventilation 215
heterogene 156

Hypothese 33
homogene 157

Katalytschicht 298

I

Kathode 168

Kation 67, 103, 307, 324

Ideale Gaskonstante 229
polyatomares 68

Ideales Gas 220

Kaverne 315

Ideales Gasgesetz

Kekule, Friedrich 321

Gleichung 229

Kelvin 47

Indikator 210

Keratin 286

Lackmus 210

Kernkräfte 53

Phenolphtalein 211

Kernladungszahl 69, 72

Induktion

Kernreaktion 82
magnetische 324

Kernspaltung 82, 90

Industrieanlage

Kerntreibstoff 94

Schwermetallbelastung 309

Kernumwandlung 83

Industriechemiker 34

Kerosin 253

Industrielle Revolution 291

Keton 248

Inversionswetterlagen 297

Kettenreaktion 90, 264

Ion 103

KISS-Prinzip 121

Ionen-Gleichung 142, 164

Kläranlage 312

--- 35 1 -

---• Chemie für Dummies

Klimaanlage 291, 294

L

Klopffestigkeit 254

Koeffizient 148

Lackmus 210

Kohlendioxid 89, 136, 301

Lackmus-Papier 210

Kohlenmonooxid 136

Ladung

Kohlenstoff-Atom 52
teilnegative 129

Kohlenstoff-C-14-Methode 89

Länge

Kohlenstoff-Chemie 235

Einheit 332

Kohlenwasserstoff 235, 236

Lanthaniden 72, 326

Alkene 243

Latex 264

Alkine 244

Lavoisier, Antoine 324
aromatischer 245

Le Chatelier
gesättigter 236

Prinzip von 149
halogenierter 242

Leichentuch von Turin 89
ungesättigter 243

Lewis-Dotformel siehe Elektronenformel
unverbrannt 258,298

Lewis-Formel 124

Verbrennungseigenschaften 254

Lewis-Strukturformel 117
verzweigte 254

Lichtgeschwindigkeit 90

Kolibakterien 309

Lichtschutzfaktor 285

Kolligative Eigenschaft 195

Lidschatten 282

Kollision

Lila 320
elastische 219

Limitierendes Reagenz 185

Kollisionstheorie 153

Linienspektrum 57

Kolloid 200

Lippenstift 283

Kondensation 38
typische Zusammensetzung 283

Kondensationspolymer

Lithium 76, 78

Polyamide 270

Lithiumchlorid 187

Polyester 270

London-Smog 296, 297

Silikone 271

Londonsche Dispersionskräfte 130, 219

Kondensationspolymerisation 264, 269

Löslichkeit 188

Kondensationsreaktion

Lösung 187

Alkohol 249

Lösungsmittel 188

Konzentration 189

Lotion 281

Kopfnote 283

Lowry 208

Körperpuder 282

LSF 285
typische Zusammensetzung 282

Luftverschmutzung 216, 291, 295

Korrosionsschutzmittel 276

Kraftwerk

M

Emissionen 296
fossiles 92

Magensäure 215

Krenation 199

Magnesium 73

Kreuzregel 110, 111

Magnetquantenzahl 58, 59

Kristallgitter 37

Makromolekül 261

Kühlmittel 294

Manhattan Project 326

Kunststoff

Manometer 220, 221

Abfälle 272

Maskara 282

Haltbarkeit 272

Masse

Recycling 272

Einheit 332

Kupfer 56, 141

Massendefekt 90

- 352 ----

Stichwortflerzeichnis ---•

Masseneinheit

Neutralisationsreaktion 143, 203
atomare 52, 178

Neutron 51

Massenzahl 53

Nichtelektrolyt 113

Materie 29

Niederschlag 142

Melanin 285, 287

Membran

0
semipermeable 198

Mendelejew, Dimitri 69, 325

Oberflächenspannung 306

Mesosphäre 292

Oberflächenwasser 304, 315

Messwert 343

Oktanskala 256
relevante Stellen ermitteln 344

Oktanzahl 254, 256

Metall 73
an der Zapfsäule 256

Metathesenreaktion 142

Oktettregel 79, 103

Meteorit 89

Optischer Aufheller 277

Meter 42

Orbital 59, 76

Methan 136

Organische Synthese 235

Minoxidil 290

Osmose 198

Mischung 29

Osmotischer Druck 198
heterogene 41

Oxidation 160
homogene 41

Alkohol 248

Mittelnote 283

Oxidationsreaktion 160

Modelle 32

Oxidationszahl 107, 163

Mol 178

Oxidationszahlenmethode 164

Mol-Konzept 180

Ozon 293, 298, 314

Molalität 189
schädliche Wirkungen 298

Molare Konzentration 149

Ozonloch 293, 295

Molarität 189, 191

Ozonschicht 292, 293, 295

Molekül

Schädigung durch FCKWs 294
biatomares 1 16

Schutzfunktion 293
rechts und links drehend 320

Zerstörung 293

Molekulargewicht 179

Molekülformel 120
p

Monomer 262
synthetisches 263
p-Orbital 78

Müllvermeidung 310

PAN 298

Parfüm 283

N

Komposition 283

Partialdruck 231

Nagellack 283

Partikel 36

Nagellackentferner 249
subatomares 40

Naphta 253

Partikelgröße 153

Narkosemittel 249

Parts per Billion 189

Natrium 56, 73

Pasteur, Louis 320

Natriumhydroxid 193

Pauling, Linus 325

Natriumhypochlorit 191

PE-HD 265, 272

Natriumperborat 276

PE-ND 265

Nebenwirkungen 132

Periodensystem 40, 69, 71, 325

Negativer Logarithmus 214

Perkin, William 320

Netto-Ionen-Gleichung 142, 143, 162
pH-Skala 2 12, 299

--- 353 -

---• Chemie für Duinmies
pH-Wert 210

Quecksilber-Kation 108

Beispiele 214

Quecksilberbatterie 169

Leben im Wasser 216
menschliches Blut 214
saurer Regen 216

Wasser 212

Radikal 264

Phaeomelanin 287

Radioaktivität 82, 321, 324

Phasenänderung 37

Radon 97

Phenolphthalein 210, 211

Raffinerie 251

Photosynthese 291, 295

Raffinieren 251

Pi 339

Rauchgasentschwefelung

Plastik 264

Funktionsweise 302

Plunkett, Roy 321

Rauchgasreinigung 301

Polyaddition 264

Reaktanden 136

Polyaddukte 264

Reaktion

Polyester 269

Aktivierungsenergie 136

Polykondensation 264
endotherme 136, 139

Polymer 261
exotherme 136, 138
duraplastisches 263
hypothetische 138

Elastomere 264

Übergangszustand 138

Fasern 264

Reaktionskoeffizient 136

Klassifizierung 263

Reaktionsort 153
lineares 263

Reaktionspfeil 83
natürlich vorkommendes 261

Reaktionsrate 154

Plastik 264

Reaktionsstöchiometrie 191
querverbundenes 263

Reaktiver Punkt 137
synthetisches 263

Reaktorkern 92
thermoplastisches 263

Reale Ausbeute 185
verzweigtes 263

Rechen 312

Polymerisation 244, 261

Rechnen mit dem Taschenrechner 336

Positronenstrahlung 84

Recycling 310

Potenz

Redox-Reaktion 144, 147, 278

Addition und Subtraktion 336

Reduktion 166

Multiplikation und Division 336

Reduktionsoxidationsreaktion 144

Potenzierung 336

Reduzierendes Agens 162
ppm 194

Reformieren

Produkt 136, 204
katalytisches 254, 256

Propan 144

Regen

Proton 40, 51
saurer 292, 299

Prozentuale Ausbeute 184

Regenwasser 210

Puffer 215
ph-Wert 299
in unserem Blut 215

Ressource
pz-Orbitale 64
nicht erneuerbare 251

Rohbenzin 253

Rohöl 251
fraktionierte Destillation 252

Qualitätskontrolle 33

Rotkohl 210

Quantentheorie 58

Runden, Regeln 345

Quantenzahl 61

Rutherford, Ernest 53, 325

- 354 ---

Stichwortflerzeichnis ---
s

Schreibweise
exponentielle 335
s-Orbital 78
wissenschaftliche 335

Saccharin 322

Schwefeloxid

Saccharose 190
saurer Regen 299

Salicylsäure 289

Schwefelsäure 193

Salz 104

Schwermetallbelastung 298

Salzbrücke 168

Seaborg, Glenn 326

Salzlösung 195

Seife 275

Sandfang 312

Shampoo 286

Sauerstoff-Atom 40
pH-Wert 286

Sauerstoffbedarf

SI-Präfix
biochemischer 312

Tabelle 331

Säuerungsgrad 212

SI-System 42, 331
relativer 212

Siedepunkt 38

Säure

Siedepunkterhöhung 195, 196
amphotere 209

Silber-Teeservice 159

Eigenschaften 201

Silizium 73
im Alltag 202

Smog
konzentrierte 193
chemische Abläufe 297
makroskopisch betrachtet 201
photochemischer 258, 292, 296, 297
mikroskopisch betrachtet 202

Sommersmog 297
monoprotische 206

Sonnencreme 284
schwache 206

Sonnenöl 284

Stärke 204

Spaltung
starke 205
hydrolytische 275

Säure-Base-Indikator 210

Spektroskop 56

Säure-Base-Paare

Spinpaar 63
konjugierte 215

Spinquantenzahl 58, 61
nicht konjugierte 215

Spülmaschinentabs 279

Säure-Base-Reaktion 208

Spülmittel 279

Säureneutralisator 215

Stärke einer Säure 204

Saurer Regen 216

Steinsalz 196

Auswirkungen 300

Stelle

Entstehung 299
relevante 343

Gegenmaßnahmen 300

Stellmittel 276

Gewässerbelastung 309

Stickstoff-Atom 146
pH-Wert 299

Stickstoffgas 145

Ursachen 216

Stickstoffoxid 299

Schadstoff
saurer Regen 299
schwerer 293

Stöchiometrie 183, 191

Schadstoffquelle 307

Gasgesetze 230
diffuse 308

Stöchiometrieproblem 183
punktuelle 307

Stöchiometrisches Verhältnis 183

Schaumbildner 294

STP 228

Schlatter, James 322

Strahlung

Schmelzpunkt 37
ultraviolette 292

Schmierstoffe 253

Stratosphäre 292, 293, 298

Schöpfung, synthetische 135

Streuungsexperimente 325

--- 355 -

---• Chemie für Dummies

Struktur

Treibhausgas 295
delokalisierte 245

Treibmittel 294
ringförmige 236

Trinkalkohol 191

Strukturformel

Trinkwasser 199
ausführliche 237

Trinkwasseraufbereitung 314
verdichtete 237

Trinkwasserverordnung 315

Subkritische Masse 91

Tritium 66

Sublimation 39

Trockeneis 39

Substanz 32

Trockenelement 169
amphotere 209

Troposphäre 292
polare 273
natürliche Versehrnutzung 292
unpolare 273

Zusammensetzung 292

Substituenten 239

Tyndall-Effekt 200

Sulfat-Ion 141

Syndet 275
u

Synthese 135, 1 77

Synthetisieren 32

Übergang 138

System

Übergangszustand
gleichgewichtig 206

Reaktion 138

Umgekehrte Osmose 198

T

Umrechnung

Einheiten 331

Tafelsalz 101
von Einheiten 339

Tafelzucker 190

Umweltchemiker 34

Teflon 321

Ungesättigt 243

Teilchen
unpolar 128
subatomares 51

Unschärfeprinzip 58

Temperatur

Unterschale 59

Einheit 333

Uran 54, 84

Temperaturskala 47

UV-A-Bereich 284

Kelvin 225

UV-B-Bereich 284

Tensid 274

UV-Spektrum 284
amphoteres 27 4

UV-Strahlung 284
anionisches 274
kationisches 274

(/
nichtionisches 27 4

Wirkungsweise 274

Valenzelektron 65, 72, 102, 235

Terpene 279

Verbindung 40

Textilwaschmittel

Regeln für Benennung 239

Inhaltsstoffe 276

Verbrennung 140, 143

Theoretische Ausbeute 185

Verbrennungsmotor

Thermosphäre 292
interne Abläufe 255

Thorium 84

Verdampfungswärme 307

Titan 78

Verdünnung 193

Titration 211

Verdunstungsrate 196

Transuran-Elemente 326

Vergrauungsinhibitor 276

Treibhauseffekt 295

Verschiebungsreaktion

Entstehung 295
doppelte 142
mögliche Folgen 296

Verschmelzung 95

- 356 ---

---•

Verseifung 275

Wasserstoffperoxid 140

Vertriebschemiker 34

Wasserverschmutzung

Viagra 290

Agrarwirtschaft 3 1 1

Vielfachbindung 1 1 8

Giftmüll 3 1 0

Volumen
infektiöse Erreger 309

Einheit 333

Mülldeponien 310
unregelmäßiger Körper 319

Schwermetalle 308

Volumenprozentsätzen 191
thermische 3 1 1

Vorklärbecken 312

Weichmacher 281

VPE 265

Weidenrinde 289

VSEPR-Theorie 121, 132

Welt

Vulkanisierung 320
makroskopische 3 1
mikroskopische 31
w

Wetterlage
austauscharm 297

Wachse 253

Wirkliche Formel 120

Wachstum

Wirkungsgrad einer Reaktion 185
bakterielles 154

Wissenschaft 31

Wahrscheinlichkeit 58

Wissenschaftler 31

Waldschäden 258

Wöhler, Friedrich 235

Waldsterben 300

Wolle 261

Waschmittel 273

Waschsubstanz
z
oberflächenaktive 27 4

Wasser

Zahl
amphoteres 209
genaue 343
chemisch betrachtet 305
gezählte 343

Eigenschaften 306
runden 345

Lösungsmittel 307

Zahnpasta 280

Verdampfungswärme 307

Hauptbestandteile 280

Verteilung auf der Erde 303

Zahnpastarezeptur

Wärmekapazität 307

Tabelle 280

Wasserdissoziationskonstante 209, 212

Zappacosta, Dr. Anthony 322

Wasserenthärter 276

Zehnerpotenz 335

Wasserenthärtung 277

Zelle

Wasserenthärtungsanlage 277
elektrolytische 170

Funktionsweise 277
galvanische 167

Wasserkreislauf 303

Zellulose 261
menschliche Eingriffe 305

Zellwand 199

Wasserleitung

Zentrales Atom 122

Schwermetallbelastung 308

Zerfallsreaktion 140

Wassermolekül 38

Zink 141

Wasserstoff, atomare Masse 67

Zinkchlorid 169

Wasserstoff-Atom 146

Zucker 188

Wasserstoffbrückenbindung 305

Zuschauer-Ion 142

---- 357 -

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»Organische Chemie für Dummies« führt zu den

Chemie nicht nur aus Formeln, sondern vor allem
spannendsten und wichtigsten Bereichen der
aus unzähligen interessanten Stoffen, Versuchen

Chemie, den Basen, den Säuren, den Alkanen
u nd Reaktionen besteht. John T. Moore macht
und Alkenen und vielem mehr. Trotz des komkaum vorstellbare Begriffe wie Atom, Molekül
plizierten Themas gelingt es Arthur Winter, den
oder Base begreiflich und erklärt, wie man mit

Bogen zwischen Wissensvermittlung und Freude
dem Periodensystem umgeht.

am Lesen zu schlagen. Das Buch ist so die ideale

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man über das Leben und seine Chemie wissen
muss: von Zellstrukturen über Kohlenwasserstoffe, bis zu Aminosäuren und Proteinen. So einfach wie möglich, so komplex wie nötig werden die Leser hier in die Weit der Lipide, Vitamine und

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Document Outline

- Schummelseiten
- lnhaltsverzeichnis
- Einführung

- Teil I - Grundlegende Konzepte der Chemie

- Kapitel 1: Was ist Chemie und warum sollte man darüber etwas wissen?

- Kapitel 2: Materie und Energie

- Kapitel 3: Kleiner als ein Atom? Die Struktur des Atoms

- Kapitel 4: Das Periodensystem

- Kapitel 5: Kernchemie, ohne dass Ihre Gehirnzellen zerfallen

- Teil II - Drum prüfe, wie sich Atome verbinden

- Kapitel 6: Gegensätze ziehen sich an: Ionenbindungen

- Kapitel 7: Kovalente Bindung: brüderlich teilen

- Kapitel 8: Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen

- Kapitel 9: Elektrochemie: Batterien für Teekannen

- Teil III - Das Mol, der beste Freund des Chemikers

- Kapitel 10: Das Mol: Atome zum Anfassen

- Kapitel 11: Mischen von Materie: Lösungen

- Kapitel 12: Sauer und bitter: Säuren und Basen

- Kapitel 13: Baffons, Reifen und Pressluftflaschen: Die wunderbare Welt der Gase

- Teil IV - Chemie im Alltag: Nutzen und Probleme

- Kapitel 14: Kohlenstoff: Organische Chemie

- Kapitel 15: Erdöl: Chemikalien für Verbrennung und Gestaltung

- Kapitel 16: Polymere: Gleich und Gleich gesellt sich gern

- Kapitel 17: Chemie im Haushalt

- Kapitel 18: Hust! Hust! Keuch! Keuch! Luftverschmutzung

- Kapitel 19: Braunes, stinkendes Wasser? Wasserverschmutzung

- Teil V - Der Top-Ten-Teil

- Kapitel 20: Zehn zufällige Entdeckungen in der Chemie

- Kapitel 21: Zehn Koryphäen der Chemie

- Kapitel 22: Zehn nützliche Chemie-Websites

- Anhänge

- Anhang A - Wissenschaftliche Einheiten: Das metrische System

- Anhang B - Wie man mit sehr großen und sehr kleinen Zahlen umgeht

- Anhang C - Methoden zur Umrechnung von Einheiten

- Anhang D - Relevante Stellen und das Runden

- Stichwortverzeichnis

Table of Contents

Schummelseiten
lnhaltsverzeichnis
Einführung

Teil I - Grundlegende Konzepte der Chemie

- Kapitel 1: Was ist Chemie und warum sollte man darüber etwas wissen?

- Kapitel 2: Materie und Energie

- Kapitel 3: Kleiner als ein Atom? Die Struktur des Atoms

- Kapitel 4: Das Periodensystem

- Kapitel 5: Kernchemie, ohne dass Ihre Gehirnzellen zerfallen

Kapitel 1: Was ist Chemie und warum sollte man darüber etwas wissen?

Kapitel 2: Materie und Energie

Kapitel 3: Kleiner als ein Atom? Die Struktur des Atoms

Kapitel 4: Das Periodensystem

Kapitel 5: Kernchemie, ohne dass Ihre Gehirnzellen zerfallen

Teil II - Drum prüfe, wie sich Atome verbinden

- Kapitel 6: Gegensätze ziehen sich an: Ionenbindungen

- Kapitel 7: Kovalente Bindung: brüderlich teilen

- Kapitel 8: Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen

- Kapitel 9: Elektrochemie: Batterien für Teekannen

Kapitel 6: Gegensätze ziehen sich an: Ionenbindungen

Kapitel 7: Kovalente Bindung: brüderlich teilen

Kapitel 8: Chemisches Kochen: Chemische Reaktionen

Kapitel 9: Elektrochemie: Batterien für Teekannen

Teil III - Das Mol, der beste Freund des Chemikers

- Kapitel 10: Das Mol: Atome zum Anfassen

- Kapitel 11: Mischen von Materie: Lösungen

- Kapitel 12: Sauer und bitter: Säuren und Basen

- Kapitel 13: Baffons, Reifen und Pressluftflaschen: Die wunderbare Welt der Gase

Kapitel 10: Das Mol: Atome zum Anfassen

Kapitel 11: Mischen von Materie: Lösungen

Kapitel 12: Sauer und bitter: Säuren und Basen

Kapitel 13: Baffons, Reifen und Pressluftflaschen: Die wunderbare Welt der Gase

Teil IV - Chemie im Alltag: Nutzen und Probleme

- Kapitel 14: Kohlenstoff: Organische Chemie

- Kapitel 15: Erdöl: Chemikalien für Verbrennung und Gestaltung

- Kapitel 16: Polymere: Gleich und Gleich gesellt sich gern

- Kapitel 17: Chemie im Haushalt

- Kapitel 18: Hust! Hust! Keuch! Keuch! Luftverschmutzung

- Kapitel 19: Braunes, stinkendes Wasser? Wasserverschmutzung

Kapitel 14: Kohlenstoff: Organische Chemie

Kapitel 15: Erdöl: Chemikalien für Verbrennung und Gestaltung

Kapitel 16: Polymere: Gleich und Gleich gesellt sich gern

Kapitel 17: Chemie im Haushalt

Kapitel 18: Hust! Hust! Keuch! Keuch! Luftverschmutzung

Kapitel 19: Braunes, stinkendes Wasser? Wasserverschmutzung

Teil V - Der Top-Ten-Teil

- Kapitel 20: Zehn zufällige Entdeckungen in der Chemie

- Kapitel 21: Zehn Koryphäen der Chemie

- Kapitel 22: Zehn nützliche Chemie-Websites

Kapitel 20: Zehn zufällige Entdeckungen in der Chemie

Kapitel 21: Zehn Koryphäen der Chemie

Kapitel 22: Zehn nützliche Chemie-Websites

Anhänge

- Anhang A - Wissenschaftliche Einheiten: Das metrische System

- Anhang B - Wie man mit sehr großen und sehr kleinen Zahlen umgeht

- Anhang C - Methoden zur Umrechnung von Einheiten

- Anhang D - Relevante Stellen und das Runden

Anhang A - Wissenschaftliche Einheiten: Das metrische System

Anhang B - Wie man mit sehr großen und sehr kleinen Zahlen umgeht

Anhang C - Methoden zur Umrechnung von Einheiten

Anhang D - Relevante Stellen und das Runden

Stichwortverzeichnis