Grundlagen Wissenschaft, Physik, Chemie: Fragen & Antworten

Modul 1: Wissenschaft und Bildung

1. Wissenschaft

1.1 Was ist Wissenschaft?

Wissenschaft organisiert das Wissen über unsere physische Welt. Die physische Welt bezieht sich auf alles, womit wir über unsere 5 Sinne in Kontakt kommen.

1.2 Was versteht man unter der physischen Welt?

Die physische Welt bezieht sich auf alles, womit wir über unsere 5 Sinne in Kontakt kommen.

1.3 Was sind die Säulen der Wissenschaft?

• Beobachtung
• Überlegung

1.4 Modus Operandi der Wissenschaft

Der Modus Operandi der Wissenschaft umfasst:

1. Akkumulation beobachteter Tatsachen, endgültige Beschreibung dessen, was wir erlebt haben.
2. Generalisierung dieser Tatsachen zu Gesetzen, d.h. die Fakten werden durch Formeln, verbale Äußerungen etc. beschrieben, die bestimmte Anlässe zusammenfassen.
3. Erklärung der Tatsachen durch Hypothesen und Theorien.
4. Aus diesen Annahmen werden Schlüsse gezogen und durch Gegenüberstellung mit experimentellen Tatsachen bestätigt.

1.5 Was ist die wissenschaftliche Methode nach Percy Bridgman?

Den Geist arbeiten lassen, ohne zu zögern.

1.6 Was ist wissenschaftliche Forschung nach Albert Szent-György?

Sehen, was jeder gesehen hat, aber denken, was niemand gedacht hat.

1.7 Was ist ein Experiment?

Ziel ist es, Aussagen über etwas Beobachtetes zu gewinnen. Es ist eine Reihe sorgfältiger Beobachtungen, die kontrolliert durchgeführt werden.

1.8 Was ist ein Labor?

Ein speziell vorbereiteter Ort zur Durchführung von Experimenten.

1.9 Was ist ein Gesetz?

Eine Regelmäßigkeit im Verhalten eines Phänomens. Es wird beschrieben, nicht erklärt, und fasst zusammen, was bei einem bestimmten Phänomen geschieht.

1.10 Nennen Sie zwei physikalische und zwei chemische Gesetze

Physikalische Gesetze:

• Gesetz vom einfachen Pendel (Christian Huygens)
• Gesetz der universellen Gravitation (Isaac Newton)

Chemische Gesetze:

• Gesetz der konstanten Proportionen (Louis Proust)
• Gesetz der multiplen Proportionen (John Dalton)

1.11 Was sind Hypothesen und Theorien?

Sie dienen dazu, zu verstehen, was bei Phänomenen geschieht.

1.12 Prinzip von Wilhelm von Ockham

Die einfachste Erklärung ist diejenige, die man akzeptieren sollte.

1.13 Unterschied zwischen Hypothese und Theorie?

Der Unterschied ist nur graduell.

1.14 Beispiel einer etablierten Theorie

Die Atomtheorie der Materie.

1.15 Was ist Wissenschaft?

Wissenschaft liefert Antworten auf bestimmte Fragen über die Welt, in der wir leben. Sie hat unseren Lebensstil maßgeblich beeinflusst.

1.16 Warum braucht man Wissenschaft?

Weil der Mensch seit der Antike Fragen stellt. Was ist die Sonne?, ...

1.17 Können wir alle Wissenschaftler sein?

Ja. Man braucht zumindest die Fähigkeit, aufmerksam und neugierig zu sein.

1.18 Warum gab es historisch wenige Wissenschaftlerinnen?

Weil ihnen im Laufe der Geschichte der Zugang zu höherer Bildung verwehrt wurde.

1.19 Sind wissenschaftliche Entdeckungen immer positiv?

Nein, es gibt Beispiele: Atombombe, Neutronenbombe, saubere Bombe, TNT, Thalidomid (deformierte Babys), ...

1.20 Hätten Wissenschaftler ihre Entdeckungen anders genutzt...?

Der Fortschritt der Wissenschaft besteht darin, Fehler zu machen und sie zu korrigieren. Sie wären weitergegangen.

2. Physik und Chemie

2.1 Warum Physik studieren?

Physik befasst sich mit Energiequellen, deren Nutzung, Verbrauch, Verarbeitung, Herstellung – also mit allem, was mit Energie zu tun hat.

2.2 Was ist Energie?

Die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.

2.3 Warum Chemie studieren?

Sie ist die Wissenschaft von der Materie. Sie studiert deren Eigenschaften, Zusammensetzungen und Umwandlungen.

2.4 Was ist Materie?

Es ist das, woraus alle Körper im Universum bestehen.

2.5 Was ist Nicht-Materie?

Das sind z.B. Gefühle, Intellekt, Lebewesen (?).

2.6 Wesentliche Merkmale der Materie

• Ausdehnung (Volumen)
• Masse
• Trägheit

2.7 Was ist die Ausdehnung eines Körpers?

Der Raum, den ein Körper einnimmt (Volumen).

2.8 Was ist Trägheit?

Der Widerstand, den ein Körper einer Änderung seines Zustands der Ruhe oder Bewegung entgegensetzt.

2.9 Unterschied zwischen Masse und Materie?

Masse ist eine bestimmte Menge an Materie (z.B. 5 kg Eisen) und ist eine quantitative Eigenschaft. Materie hingegen ist das, woraus alle Körper im Universum bestehen, also ein allgemeinerer Begriff.

2.10 Was ist ein physikalisches Phänomen?

Eines, bei dem sich die Art der beteiligten Stoffe nicht ändert.

2.11 Beispiele für physikalische Phänomene

• Dehnung einer Feder: Das Material ist vorher und nachher dasselbe, es bleibt unverändert.
• Reiben eines Gummistabs: Reibt man einen Pullover an einem Gummistab, kann man danach Konfetti anziehen. Der Stab war vorher neutral und danach geladen, aber seine Form ändert sich nicht.

2.12 Was ist ein chemisches Phänomen?

Es ist ein Phänomen, bei dem sich die Art der Stoffe ändert. Sie werden auch als chemische Reaktionen bezeichnet.

2.13 Beispiele für chemische Phänomene

• Verbrennung: Ein Stück Papier brennt.
• Rosten von Eisen: In Gegenwart von Sauerstoff findet eine Oxidation oder Korrosion statt.
• Verrotten von Früchten: Im Laufe der Zeit findet Verwesung statt.

2.14 Was ist Photosynthese?

Die Gesamtheit der chemischen Reaktionen, die in grünen Pflanzen vorkommt, bei denen Verbindungen (Kohlenhydrate) aus Kohlendioxid (aufgenommen über die Blätter) und Wasser (aufgenommen über die Wurzeln) unter Einwirkung von Sonnenlicht gebildet werden.

2.15 Sind Zustandsänderungen physikalische oder chemische Phänomene?

Physikalische Phänomene.

2.16 Warum sind Zustandsänderungen physikalische Phänomene?

Weil Wasser im festen, flüssigen und gasförmigen Zustand aus denselben H₂O-Molekülen besteht. Die Moleküle selbst verändern sich nicht.

2.17 Was sind die Bestandteile des Atoms?

• Kern
• Hülle

2.18 Was sind die fundamentalen Teilchen des Atoms?

• Proton
• Elektron
• Neutron

2.19 Welche Ladung haben die Atomteilchen?

• Protonen: positiv
• Elektronen: negativ
• Neutronen: keine

2.20 Was ist das elektrische Gleichgewicht des Atoms?

Im Kern befinden sich Protonen und Neutronen, in der Hülle die Elektronen. Die positive Ladung eines Protons ist betragsmäßig gleich der negativen Ladung eines Elektrons, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Elektrisches Gleichgewicht im Atom herrscht, wenn die Anzahl der Protonen im Kern gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle ist.

2.21 Das Atom

Das Atom ist in zwei Teile geteilt:

• Kern
• Hülle

Das Atom besteht aus einer Reihe von Teilchen:

• Proton
• Elektron
• Neutron

Jedes dieser Teilchen hat eine bestimmte Ladung:

• Protonen: positiv
• Elektronen: negativ
• Neutronen: keine

Das elektrische Gleichgewicht:

Die positive Ladung eines Protons ist betragsmäßig gleich der negative Ladung eines Elektrons, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Elektrisches Gleichgewicht im Atom herrscht, wenn die Anzahl der Protonen im Kern gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle ist.

2.22 Warum interessiert sich die Chemie für die Atomhülle?

In der Hülle des Atoms befinden sich die Elektronen. Die Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale und ihre räumliche Anordnung bestimmen das chemische Verhalten und die Reaktivität.

2.23 Wo treffen sich Physik und Chemie?

Im Atom.

2.24 Warum ist das Atom die Schnittstelle zwischen Physik und Chemie?

Chemie: Weil Atome die kleinsten Bausteine der Materie sind.

Physik: Weil Atome (insbesondere ihre elektrischen Ladungen) für viele Bereiche der Physik, z.B. Elektrizität, von zentraler Bedeutung sind.

2.25 Was ist das Symbol eines chemischen Elements?

Es ist eine Abkürzung für den Namen des chemischen Elements.

2.26 Was zeigt das Symbol eines Elements in einer chemischen Formel?

Es zeigt nicht nur den Namen des Elements, sondern auch die Anzahl der Atome dieses Elements in der chemischen Formel an (falls mehr als eines vorhanden ist, durch einen Index).

2.27 Symbole chemischer Elemente

• Kohlenstoff: C
• Schwefel: S
• Stickstoff: N
• Sauerstoff: O
• Eisen: Fe
• Wasserstoff: H
• Chlor: Cl
• Natrium: Na

2.28 Phänomene an der Grenze zwischen Physik und Chemie

• Umwandlung von S₈ in S₂
• Umwandlung von NO₂ in N₂O₄
• Erhitzen von Eisen auf ca. 1400 °C

2.29 Chemische Formelschreibweise

• a) Oktaschwefel: S₈
• b) Dischwefel: S₂

2.30 Form des Oktaschwefel-Moleküls (S₈)?

Kronenförmig.

2.31 Reaktionsgleichung: Umwandlung von Schwefel

S₈ → S₂

2.32 S₈ → S₂: Physikalische oder chemische Veränderung?

Da sich die Molekülstruktur ändert, wird dies als chemische Veränderung betrachtet.

2.33 Namen von Stickstoffverbindungen

• a) NO₂: Stickstoffdioxid
• b) N₂O₄: Distickstofftetroxid

2.34 Umwandlung von NO₂ in N₂O₄

2 NO₂ ↔ N₂O₄

2.35 Bedeutung der Pfeile in der Reaktionsgleichung NO₂ ↔ N₂O₄?

Das bedeutet, es ist ein reversibler Prozess (eine Gleichgewichtsreaktion). NO₂ dominiert bei hohen Temperaturen, N₂O₄ bei niedrigen Temperaturen.

2.36 NO₂ ↔ N₂O₄: Physikalische oder chemische Veränderung?

Da sich die Molekülstruktur ändert (aus zwei NO₂-Molekülen wird ein N₂O₄-Molekül), handelt es sich um eine chemische Veränderung.

2.37 Was passiert beim Erhitzen von Eisen auf ca. 900 °C?

Beim Erhitzen auf ca. 900 °C ändert Eisen seine Kristallstruktur von kubisch raumzentriert (α-Eisen) zu kubisch flächenzentriert (γ-Eisen).

2.38 Erhitzen von Eisen auf ca. 1400 °C: Physikalische oder chemische Veränderung?

Die Änderung der Kristallstruktur beim Erhitzen von Eisen (z.B. von γ-Eisen zu δ-Eisen bei ca. 1394 °C) ist eine physikalische Veränderung. Das Element Eisen bleibt dasselbe, nur seine räumliche Anordnung ändert sich.