Chemie - Eine kurze Einführung in die Grundlagen der Chemie

Chemie bedeutet Veränderung von Stoffen.

Die moderne Chemie entstand erst im 19. und 20. Jahrhundert, da man keine Geräte zur Bestimmung hatte. Ersten Molekülbauten wurden erst um 1950 gebaut.

• Fotosynthese
• Innere Atmung
• Verbrennungsprozess
• …

Anorganische Chemie:
Chemie des Nichtlebendigen.

• Stahlerzeugung
• Legierungen herstellen
• Reaktionen von anorganischen Säuren und Basen
• Glasherstellung

Organische Chemie:
Stoffe, die von Lebewesen produziert werden/wurden. 

• Verwesung, Verrottung, Fäulnis
• Gärungen

Montanistik in Leoben (für Bodenkultur)

Erdölchemie:

• Petrochemie
• Kraftstoffe (Benzin, Diesel, Kerosin, Heizöle, …)
• Kunststoffe
• Pharmazie
• Alphalt
• Waschenmittel und Kosmetiker
• Lebensmittelindustrie

Biochemie:

• Molekularbiologie
• Photosynthese
• Genetik
• Medizin
• Gentechnik
• Umweltchemie
• Toxische Stoffe

Versuch 1:
Feuer – Zündholz:
R. Boettger: 1848
Entwickelte das Sicherheitszündholz:

• keine explosionsartige Zündung
• kein Nachglühen

1.) Köpfchen
a. Leicht brennbare Substanzen (z.B. Sb2S3) Antimon(III)Sulfid
b. Substanzen, die leicht Sauerstoff abgeben, und damit sowohl die Zündung als auch das Abbrennen erleichtern (KClO3 – Kaliumchlorat | PbO2 – Bleidioxid | MnO2 – Mangandioxid – Braunstein)
c. Substanzen, die die notwendige Reibung hervorrufen, und auch als Magerungsmittel wirken. Es verhindert heftiges verpuffungsartiges Verbrennen (Glaspulver, Sand, Kieselgur – Abgestorbene Diatomeen)
Zwischenkapitel:
Quarz = SiO2 (Bergkristall, Rosenquarz, Rauchquarz, Amethyst, …
i. CaCO3 =Kalziumkabonat
ii. Kalk von Tieren (Korallen <--> Kalkalgen)
iii. Entstanden im Erdmittelalter (225-70Mio Jahre)
iv. CO2 in der Luft: 0,035%
v. H2O
d.) Klebstoffe (z.B. Leim) Eiweißverbindungen
e.) Farbstoffe
f.) Wachsschicht, dass die Flamme vom Köpfchen aufs Hölzchen besser überlaufen kann (Paraphin)
g.) Ammoniumphosphat ->(NH4)2 (=Summenformel) | Strukturformel
Natriumhydrogenphosphat -> Na2HPO4

Reibfläche der Zündholzschachtel 
-> Phosphor
- weißer: Entzündungstemperatur (50°C)
- roter: 450° 

-> Sand oder Glaspulver (als Reibfläche) 

-> Klebstoff 

-> Sauerstoffabgebende Substanz: MnO2=Braungestein
Oxidationsprozesse können Prozesse sein, die Sauerstoff verwenden
CxHyOz + O2 <- CO2+H2O + Asche + Ruß + Energie
Schwefel, Stickstoff, Phosphor
Stickstoff durch Wurzel in gelöstem Zustand (NO3-); Daraus werden Aminosäuren
Exotherme Reaktion – Initialzündung – z.B. Reibung
Sichtbare Verbrennung
Innere Atmung

Fe2O3 <- Hämatit
Fe3O4 <- Magnetit
Rosten

Wie wird entzündet:
Beim Anreiben des Köpfchens an der Reibfläche bewirkt das Köpfchen, dass eine kleine Menge des roten Phosphors durch Oxidationsmittel entzündet wird. Dadurch wird die Zündung der brennbaren Substanzen im Köpfchen ausgelöst.
Zündholzfabriken in Deutschlandsberg, Linz und in Klagenfurt

Atom bleibt Atom, bis auf wenige Ausnahmen.
Bei Verbrennungen verändern sich nur die Moleküle

z.B.: S -> SO2 
-> SO3

Verbrennungsprozess:

1. Phase (Trocknungsphase)
   a. Bis zu einer Temperatur von ca. 100°C, Wasser verdampf, Auswirkungen: schrumpfen, Risse
2. Phase (Entgasungsphase)
   a. 100-300°C, Entweichen energiereiche Gase unterschiedlichster Zusammensetzung. Wenig Restasche. Lange gelbe Flamme
3. Phase (Ausbrandphase)
   a.) Bei Temperatur von 300-800°C, Wenn die Flüchtigen Bestandteile verbrannt sind, brennt (Orangerot, Rot, kurze durchscheinende Flämmchen) Verbrannt wird Holzkohle

Schadgase in Industrie heißt ‚Hausbrand’. Es heißt Rauchgasreinigungsanlage.
Es wird heute Schadstoffärmer verbrannt. Heizöfen sind entschwefelt, Häuser sind besser gedämmt.

Industrie und Kraftwerke: Stickoxide werden gefiltert.
Entschwefelt in den Raffinerien von Erdölen

Geschichte der Chemie
Antikes Griechenland
Glauben an 4 Elemente: Wasser Luft, Feuer, Erde
Element (griech.): Grundstoff, der sich nicht weiter zerlegen lässt

Demokri (Philosoph) Atomos: Das Unteilbare | Durch Überlegung, darauf gekommen, dass es etwas Kleinstes gibt. Neue Elemente entstehen bei radioaktiven Verfallsprozessen:
U -> Pb (Uran -> Blei) ca. 4,5 Mrd. Jahre
K -> Ar (Kalium -> Argon) ca. 4,5 Mrd. Jahre (Halbwertszeit)

In der Sonne: Helium -> Wasserstoff
Rote Riesen <- Alle Stoffe bis Eisen
Anderen galaktische Prozesse <- Viele mehr

In der Erdkruste wichtig: Bodenschätze (Gold, Silber, …)

Alchemie:
2. bis 3. Jhd. in Ägypten und China
Stoffe experimentiert.
Bunt gefärbte Stoffe (HgS <- Zinnober)
Hatten glauben, dass es Wunder heilen kann
z.B.: Tigerkrallen in China

Durch Alchemie Schießpulver.
Salpeter + Honig + Schwefel (in bestimmten Mengen)
Jetzt noch in Feuerwerkskörper

Anfang Mittelalter:

• Mönche interessierten sich für Alchemie, ca. 12. Jhd.
• Elixier des Lebens -> Das ewige Leben
• Gentechnik -> Fürs Altern bestimmte Alterungs-Gene.
• Aus Blei wollte man Gold machen, dazu Stein der Weisen, welcher nie gefunden wurde.
• 1661 Robert Boyle: „Alchemie unwissenschaftlich“.
• 1669 Hennig Brand hat den Stein der Weisen gesucht, und durch Urin eindampfen
  (Harmstoff) Phosphor erzeugt
• Man dachte, dass Phosphor das Gehirn stimuliert
  Erst nach dem 2. Weltkrieg verschwand Phosphor aus den Apotheken (giftig)
• 1774: Joseph Priestley: Entdeckte Sauerstoff
  Er hatte einen Spiegel, damit Sonnenstrahlen gebündelt, auf Quecksilberoxid (HgO), dadurch Gas zum Brennen, es wurde ein Anderes Gas frei, das ebenfalls brannte. Maus als Vt.: Durch 2 Behälter getestet, einmal, normale Luft, einmal viel Sauerstoff. Maus mit Sauerstoff lebte länger.
  Man dachte, alle brennbaren Stoffe enthielten ‚Phlogiston’, und er widerlegte es.
• 1743-1794: Lavoisier: Alle Verbrennungen in Verbindung von Sauerstoff
  Bei chemischen Reaktionen bleibt die Gesamtmasse konstant = Massenerhaltungsgesetz:
  N2+3H2 -> 2NH3
  Bei normalem Druck (1 bar) und normaler Temperatur (20°C)
  N2O -> H2O+ + OH-
• Bei Synthesen (Aufbau, Herstellung) ist es wichtig bei allen biochemischen Vorgängen
• Dynamische Reaktion: Immer auf beide Seite, aber nur unter bestimmtem Druck,
  Temperatur und Konzentration bestimmte Ergebnisse.
• 1766: Wasserstoff
• 1772: Stickstoff
• 1811: Wurde Jod entdeckt bei Verarbeitung von Seetang

Herstellen einer homogenen Lösung
Proberöhre = Eprovette
Becreglas; Erlemeyerkolbe (Skala)

Gesättigte und Ungesättigte: Spaghettiwasser (Ungesättigte)

NaCl.: Kubischer Aufbau (Würfel)
Chlor gehört zu den halogenen.
Natrium ist das kleinere Atom: Kristallförmig

Würfelchen bildet eine Elementarzelle.
Alle Winkel sind 90°. Jede Seitenstrecke ist a.

Steinsalz löst sich durch das Ausbilden von Hydrathüllen

H2O= O ist minus, H+H ist plus: gleicht sich aus

Das Wasser drängt sich ins Kristallgitter. Natrium ist positiv, Chlor ist negativ.
Wassermoleküle umgeben die Natriumatome in Form einer Hydrathülle wegen ungleichnamiger Ladung. Bei Chlor ist es genau umgekehrt.

Gesättigt wird die Lösung, wenn man kein Salz mehr Lösen kann.

Definition: Mineral
Anorganische Naturprodukte (der Erdkruste, deren Dicke 30km ist und sie besteht aus 60% Silicaten. Silizium-Sauerstoff-Verbindung, 2 Schichten: Sialschicht [Kontinentalbereiche], Simaschicht [Erdumspannend, auch Meeresböden beinhaltet]) von chemisch Einheitlicher Zusammensetzung

Erdmantel: 30-2800km
Besteht vor allem aus Silizium, Sauerstoff, Eisen und Magnesium

Erdkern: 2800-6380km
NiFe: Nickel – Eisen

Über den Schichten: Magmatische Gesteine, Metamorphe Gesteine, Sedimente, … (5. Klasse)

Definition: Kristall
Definiert durch die Anordnung der atomaren Bausteine

Definition: Kristallgitter
Verbindet man die einzelnen Atome, Ionen, Moleküle, bzw. deren Schwerpunkte durch Linien, entsteht ein Kristallgitter.

Gitterkonstanten:
Strecken: a, b, c
Winkel: Alpha, Beta, Gamma

Es gibt sieben Kristallkombination.
Eines davon ist das kubische.

Definition: Elemtarzelle
Der kleinste räumliche Ausschnitt, durch dessen unendliche Wiederholung durch die drei Richtungen des Raumes sich die gesamte Struktur aufbaut.

Definition: Gestein
Ein Gestein ist ein Mineralgemenge

Definition: Homogenes Gemenge
Einheitliches Aussehen, zum Beispiel Luft, Milch, Wein (keine Weinsäure)

Definition: Heterogenes Gemenge
Uneinheitliches Aussehen, zum Beispiel Granit / Basalt, Holz, Brot, …

Milch ist eine Emulsion = Flüssigkeit in Flüssigkeit gelöst.
Reinheit
Absolute Reinheit eines Stoffes ist beinahe nicht möglich.

2 Reinheitsgrade:

1. Technische Reinheit (ca. 95%)
2. Chemischer Reinheitsgrad (über 99,5%)

- Medizin
- Lebensmittel
- Chemischen Analyse
- Blutanalyse
- Blutzucker
- Blutfett
- Wert der Roten Blutkörperchen
- Gewässergüte Analyse
- Nitrat
- Sulfat
- Phosphat
- Lebensmittelüberprüfung
- Fettwert
- Eiweißgehalt
- Wassergehalt



Trennungen von Gemenge
Aufgrund der unterschiedlicher Masse (Milch: Fett – Wasser | durch Zentrifuge)
Aufgrund der unterschiedlichen Dichte (Wasser – Öl)
Filtrieren (Kaffee machen: durch heißes Wasser aus Pulver | Duftstoffe, Koffein)
Destillation (Alkohol – Ausgangsprodukt: C6H12O6 – Ethanol C2H5OH – OH Teil ist die funktionelle Gruppe + CO2 + ATP)

C2H5OH – Strukturformel
Summenformel
Kalottenmodel – Zeigt die äußersten Elektronen-Aufenthaltsmöglichkeiten

Alkoholische Gärung ist eine Anaerobe Gärung. In dieser chemischen Gleichung sieht man nichts von Sauerstoff.
Enzymatisch gesteuert durch Hefepilzenzyme.

Beispiel: Schnapsbrennen
Vogelbeeren – Eberesche
Man erntet im August, wenn die Früchte ‚vollreif’ sind, Nur Früchte mit guter Qualität sollten verwendet werden. Wenn der Zucker vergoren wird, brennt er den Schnaps.
Inhalt: Methanol / Ethanol / Wasser

Methanol schädigt Seezellen – Schädigt Zellen
Ethanol schädigt auch Zellen

Reinstoff:
Molekül kann aus einem oder mehreren Teilchen bestehen.

O2 … 21%
N2 … 78%
O3 … ?
H2 … ?
CO2 … 0,035% (1850: 0,028%)
CO … ?

CO2 höher weil fossile Brennstoffe verbrand werden.
Reinstoffe kann man durch physikalische Verfahren nicht trennen.
Für die weiteren Zerlegungen braucht man chemische Reaktionen:
Elektrolyse Hofmann’scher Zersetzungsapparat

Funktionsweise:

Wasser  (elektrische Energie)  2 Raumteile H2 + 1 Raumteil O2
neg. Pol pos. Pol
Kathode Anode
Anionen Kationen

H2 und O2 sind neutral (=nicht geladen)
Wasser wird im Augenblick des entstehen (= in statu nascendi) H+ und O-.

Man kann diese Gase dann abzapfen, und hat den Reinstoff.
Man nimmt glühenden Kienspan und fährt damit in den Sauerstoff, und wenn es wieder brennt, ist es Sauerstoff. Bei Wasserstoff ein Pfeifgeräusch.

Knallgasreaktion: 2 H2 + O2 = 2 H2O
Durch Seifenlauge: Spritze mit richtigem Verhältnis (H:O = 2:1), dann in die Seifenlauge: Entstehen Seifenblase, dann die Seifenblase anzünden  entsteht wieder Wasser.

Wasserstoff und Sauerstoff lassen sich nicht mehr zerlegen.

In organischen Verbindungen werden Moleküle durch Enzyme gespalten.

Atome spalten ist mit normalen nicht möglich.
Atom = Element = definiert durch die Ordnungszahl

1H -- 2He

Gesamtes Atom ist Grundsätzlich neutral.

Orbitalmodell sind die Elektronen Kugel, auf der die Elektronen sich aufhalten.

C14 ist Isotop. Isotop ist eine Atomsorte eines bestimmten Elementes mit veränderter Massezahl.
Verweis: Altersdatierung

Wenn die Anzahl der Elektronen verringert/erhöht wird, heißt das Atom Ion (=elektrisch geladene Atome/Moleküle).

3 chemische Grundgesetze:

Experimentelle Nachweise zur Existenz von Atomen wurden Ende 18. Jhd. durch genaue Messungen bei chemischen Reaktionen bezüglich der Stoffmengen gefunden.
Lavosier und Lomonossow:
1.) Gesetz von der Erhaltung von Masse
Bei chemischen Reaktionen bleibt die Gesamtmasse aller Stoffe unverändert.
Stimmt nicht bei Atomphysik (Kernspaltungen, Atombombe)
2.) Gesetz der konstanten Masseverhältnisse
Von Lavosier und Richter: Stellten fest, dass sich Elemente immer in ganz bestimmten Masseverhältnisse oder Massen zusammensetzten.
Massenverhältnis der Elemente in eine Verbindung ist immer konstant.
Erklärung erst 1808 durch Dalton mit seiner Atomhypothese: Alle Elemente bestehen aus außerordentlich kleinen, unzerstörbaren Atomen  Chemische Reaktionen  Umgruppierung der Atome, dass neue Moleküle entstehen. Verbindungen bestehen auch aus kleinsten Teilchen, den Molekülen, die aus bestimmten Zahlenverhältnissen auch aus Atomen zusammengesetzt sind.
3.) Gesetz der vielfachen Massenverhältnissen
Bilden zwei Elemente mehrere Verbindungen miteinander, so stehen die Massen des Elementes, die sich mit ein und der selber Masse des anderen Elementen verbinden, im Verhältnis kleiner, ganzen Zahlen.

Periodensystem:
Die Schreibweise im Rahmen des Periodensystems stammt von Berzelins, eingeführt 1814.

Das Periodensystem wurde von Mendeljew und Lothar Meyer eingeführt (1869). Sie ordneten die damals ca. 60 Elemente. Elemente wurden nach Atommasse und Eigenschaften geordnet.

Die direkte Bestimmung der Atommasse war erst durch den Massenspektograph möglich. Diese Untersuchungen ergeben absolute Atommassen.

Da aber niemand mit den kleinen zahlen rechnen will, gibt es relative Atommassen (U = atomic Masunit)

U= Masse[C]/12. Dadurch kann man die Masse eines Moleküls leicht berechnen.

mol: Ein ‚mol’ einer Substanz ist jene Menge, die aus 6,022045 * 10^23 Teilchen (Atome/Moleküle) besteht.

Eine ‚mol’-Masse einer Substanz wird in Gramm ausgedrückt.

Bei Normalbedingungen (bei Temperatur von 0°C und 1013 hPa ~ 1 bar) hat ein mol eines Gases ein Volumen von 22,4 Liter (Molvolumen). Joseph Lohschmidt hat als erster 1865 die Zahl der Teilchen berechnet.

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