Grundlagen der Chemie: Materie, Atome und Systeme

Geschichte der Chemie

Die erste Erfahrung des Menschen als Chemiker war die Transformation von Materie durch den Einsatz von Feuer. Die Gewinnung von Eisen aus Erz und Glas aus Sand sind offensichtliche Beispiele. Allmählich erkannte der Mensch, dass auch andere Stoffe diese Kraft der Transformation besitzen. Große Anstrengungen wurden unternommen, um einen Stoff zu finden, der unedle Metalle in Gold verwandelt. Dies führte zur Alchemie.

Die Anhäufung alchemistischer Erfahrungen spielte eine wesentliche Rolle bei der späteren Etablierung der Chemie. Die Chemie ist eine empirische Wissenschaft, die Dinge mithilfe der wissenschaftlichen Methode untersucht, d.h. durch Beobachtung, Messung und vor allem Experimentieren. Im weitesten Sinne untersucht die Chemie die verschiedenen Stoffe und Reaktionen auf unserem Planeten, bei denen sich Stoffe in andere umwandeln. Darüber hinaus untersucht sie die Struktur chemischer Substanzen auf molekularer Ebene und nicht zuletzt deren Eigenschaften.

Materie und ihr Aufbau

Materie ist alles, was Raum einnimmt und Masse besitzt. Alle materiellen Systeme bestehen aus Atomen und Molekülen. Moleküle sind Atome, die durch chemische Bindungen miteinander verbunden sind. Atome wiederum bestehen aus den folgenden subatomaren Teilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen.

Atome

Atome bestehen aus einem zentralen Kern und negativ geladenen Elektronen, die sich um ihn drehen. Der Kern wiederum besteht aus positiv geladenen Protonen und Neutronen, die keine Ladung besitzen. Das Atom ist neutral, daher ist die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl der Elektronen. Im Allgemeinen entspricht die Masse eines Atoms in etwa der Masse des Kerns, da die Masse eines Elektrons etwa 1840-mal kleiner ist als die Masse eines Protons. Die Masse eines Neutrons ist ungefähr gleich der Masse eines Protons.

Moleküle

Wenn zwei oder mehr Atome desselben Elements oder verschiedener Elemente durch chemische Bindungen verbunden sind, entsteht ein Molekül einer chemischen Verbindung.

Stoffsysteme und Substanzen

Ein Stoffsystem (oder materielles System) bezeichnet einen Körper oder eine Reihe von Körpern, die zu Beobachtungszwecken ausgewählt wurden. Die chemischen Untersuchungen befassen sich mit diesen materiellen Systemen.

Klassifizierung von Stoffsystemen

1. Homogenes System: Ein System, das in allen seinen Teilen die gleichen intensiven Eigenschaften aufweist. Beispiele: Zucker, aufgelöst in Wasser; Alkohol und Wasser; Stahl.
2. Heterogenes System: Ein System, das in verschiedenen Teilen unterschiedliche intensive Eigenschaften besitzt. Diese Teile sind durch klar definierte Diskontinuitätsflächen voneinander getrennt. Beispiele: Öl und Wasser; Wolken; Schaum.
3. Inhomogenes System: Ein System, bei dem die Werte der intensiven Eigenschaften in verschiedenen Teilen des Systems variieren, diese Teile jedoch nicht durch wohldefinierte Diskontinuitätsflächen voneinander getrennt sind. Beispiele: Luft; Wasser, dem ein Farbstoff ohne Schütteln hinzugefügt wurde.

Homogene Systeme können sein:

1. Reine Stoffe: Stoffe, deren intensive Eigenschaften nicht verloren gehen, wenn sie geteilt werden. Beispiele: Wasser, Zucker.
2. Lösungen: Solche, die aus mehr als einer reinen Substanz bestehen. Beispiel: Stahl.

Einfache und Zusammengesetzte Substanzen

1. Einfache Substanzen: Dies sind die chemischen Elemente. Beispiele: Kohlenstoff (als Teil von Stahl).
2. Zusammengesetzte Substanzen: Dies sind die chemischen Verbindungen. Beispiele: Wasser, Natriumchlorid.

Aggregatzustände der Materie

Es gibt drei Aggregatzustände der Materie: fest, flüssig und gasförmig. Es wird zwar von einem vierten Zustand, dem Plasma, gesprochen, dieser wird jedoch in dieser Abhandlung nicht behandelt.

Das Phänomen der Verdampfung kann auf zwei Arten erfolgen:

• Verdunstung: Findet nur an der freien Flüssigkeitsoberfläche bei jeder Temperatur statt.
• Sieden: Findet im gesamten Volumen der Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur statt, die vom Fluid und dem Außendruck abhängt.