Grundlagen der Chemie: Materie, Methoden und Anwendungen

Grundlagen der Chemie

Was ist Chemie? Definitionen und Bereiche

Materie und Chemie

• Materie: Alles, was Masse hat und Raum einnimmt.
• Chemie: Die Lehre von der Zusammensetzung der Materie und den Veränderungen, die sie erfährt.

Spezialisierte Bereiche der Chemie

• Organische Chemie: Die Lehre von allen Chemikalien, die Kohlenstoff enthalten.
• Anorganische Chemie: Die Lehre von Chemikalien, die in der Regel keinen Kohlenstoff enthalten (hauptsächlich in nicht-lebenden Dingen gefunden).
• Biochemie: Die Untersuchung von Prozessen, die in Organismen stattfinden.
• Analytische Chemie: Ein Bereich, der sich mit der Zusammensetzung der Materie befasst.
• Physikalische Chemie: Ein Gebiet, das sich mit dem Mechanismus, der Geschwindigkeit und der Energieübertragung befasst, die auftreten, wenn Materie eine Veränderung erfährt.

Arten der Chemischen Forschung

• Reine Chemie: Die Ausübung chemischen Wissens um seiner selbst willen.
• Angewandte Chemie: Forschung, die auf ein praktisches Ziel oder eine Anwendung ausgerichtet ist.

Technologie und Chemie

Technologie: Vorkehrungen, mit denen die Gesellschaft ihren Mitgliedern die notwendigen und gewünschten Dinge zur Verfügung stellt. Chemiker entwickeln Materialien, die spezifischen Bedürfnissen entsprechen.

Die Welt Betrachten und Energie

Wege zur Betrachtung der Welt

• Makroskopisch: Objekte, die groß genug sind, um mit bloßem Auge gesehen zu werden.
• Mikroskopisch: Objekte, die nur mit Vergrößerung gesehen werden können.

Energie: Erhaltung, Produktion und Speicherung

Wissenschaftler suchen immer nach Wegen zur Energieerhaltung.

• Erhaltung: (z.B. Seagel: eine moderne Wärmedämmung oder Schaumstoff aus Algen)
• Produktion: (Häufigste Methoden zur Energieerzeugung: die Verwendung von Kohle, Erdöl und Erdgas)
• Speicherung: (Akkus, Akku-Werkzeuge, die längere Laufzeit und weniger Kontamination bieten)

Anwendungen der Chemie und Umweltschutz

Chemie in Medizin und Biotechnologie

• Medikamente: Gegen Krankheiten wie Infektionen, Bluthochdruck.
• Biotechnologie: Angewandte Wissenschaft zur Herstellung biologischer Produkte oder Prozesse. Kann von der Übertragung von Genen von einem Organismus auf einen anderen abhängen.

Chemie trägt zur Entwicklung sichererer und produktiverer Kulturen sowie wirksamer Methoden zum Schutz von Kulturpflanzen bei.

40% der modernen Medikamente stammen aus Chemikalien, die von Pflanzen oder Tieren produziert werden.

Umweltaspekte

Schadstoff: Material, das in Luft, Wasser oder Boden gefunden wird und für Menschen und andere Organismen schädlich ist.

Historische Entwicklung und Wissenschaftliche Methode

Alchemie: Ursprünge der Chemie

• Praktische Alchemie: Schwerpunkt auf der Entwicklung von Techniken zur Bearbeitung von Metallen, Glas und Farbstoffen.
• Mystische Alchemie: Fokus auf Konzepte wie Perfektion.

Alchemisten entwickelten Werkzeuge und Techniken für die Arbeit mit Chemie: Die Trennung von Gemischen, das Reinigen von Chemikalien.

Wichtige Alchemistische Werkzeuge

• Bechergläser
• Flaschen
• Zangen
• Trichter
• Mörser und Stößel

Die Wissenschaftliche Methode

Die Wissenschaftliche Methode ist ein logischer, systematischer Ansatz zur Lösung eines wissenschaftlichen Problems.

Schritte der Wissenschaftlichen Untersuchung

1. Beobachtung: Ereignisse mit den Sinnen wahrnehmen.
2. Sammeln von Beobachtungen und Stellen von Fragen.
3. Formulierung von Hypothesen: (Erklärungen, die wahr sein könnten.)
4. Vorhersagen treffen: (Erwartetes Ergebnis einer Prüfung, wenn die Hypothesen richtig sind.)
5. Prognosen bestätigen durch Experimente:
   • Experiment: Verfahren zur Überprüfung einer Hypothese.
   • Stellgröße (Unabhängige Variable): Variable, die während des Experiments geändert wird.
   • Reaktionsvariable (Abhängige Variable): Variable, die im Experiment beobachtet wird.
   • Wissenschaftliches Gesetz: Fasst alle Ergebnisse von Beobachtungen und Experimenten zusammen.
6. Schlussfolgerungen ziehen: (Können unterstützt oder abgelehnt werden.)

Theorie: Verbundene Hypothesen, die mehrfach getestet und bestätigt wurden.

Problemlösung in der Chemie

Problemlösung: Analysieren, Berechnen, Bewerten.

Eigenschaften und Zustände der Materie

Grundlegende Eigenschaften

• Masse: Die Menge an Materie, die etwas enthält.
• Volumen: Der Raum, der von einem Objekt eingenommen wird.

Eigenschaften zur Beschreibung von Materie

• Extensive Eigenschaft: Eine Eigenschaft, die von der Menge der Materie in einer Probe abhängt.
• Intensive Eigenschaft: Eine Eigenschaft, die von der Art des Stoffes in einer Probe abhängt (z.B. Härte).

Stoff: Materie, die eine einheitliche und eindeutige Zusammensetzung hat.

Aggregatzustände der Materie

• Feststoff: Bestimmte Form und Volumen (Partikel dicht gepackt).
• Flüssigkeit: Unbestimmte Form und festes Volumen (Partikel sind nah beieinander, können aber frei fließen).
• Gas: Nimmt Form und Volumen des Behälters an (Partikel sind weit voneinander entfernt).

Dampf: Beschreibt den gasförmigen Zustand eines Stoffes, der bei Raumtemperatur normalerweise flüssig oder fest ist.

Bei physikalischen Veränderungen ändern sich zwar einige Eigenschaften, aber die Zusammensetzung des Materials ändert sich nicht (z.B. Kochen, Brechen, Mahlen). Diese können reversibel oder irreversibel sein.

Mischungen und ihre Trennung

Mischung: Eine physikalische Kombination von zwei oder mehr Komponenten.

Mischungen können homogen (Zusammensetzung ist einheitlich, z.B. eine Lösung) oder heterogen (Zusammensetzung ist nicht einheitlich) sein.

Trennung von Mischungen

• Filtration: Trennt Feststoffe und Flüssigkeiten in heterogenen Mischungen.
• Destillation: Trennt Komponenten einer Flüssigkeit (z.B. Wasser).