Einsteig in das neue Fach Chemie

Was ist eigentlich Chemie?

Wenn du überlegst, was du dir unter einem Chemiker so vorstellst, wirst du vielleicht bei einem solchen Bild, wie das links, sofort zustimmen ... das sieht nach einem Chemiker aus, oder? Ein Chemiker mit Kittel, Schutzbrille und Schutzhandschuhen, der im Labor, genauer in einem Abzug, mit allerlei Gerätschaften und womöglich auch Chemikalien herumexperimentiert. Dieses Labor sieht ziemlich sauber aus, aber die meisten bringen Chemie eher mit Gift, gefährlichen Abfällen oder Abgasen und auch Explosionen in Zusammenhang. Okay, die Explosion ist sicherlich eher ein Wunsch, denn das wird wohl von Schülern als der interessanteste Teil der Chemie angesehen. In der Schule sind Explosionen aber - für einige vermutlich "leider" - nicht die wichtigsten Experimente. Wenn man von "Chemie" spricht oder sagt, etwas ist "chemisch" wird das meistens als nicht so gut eingeschätzt und als Widerspruch zu "natürlich" angesehen. Das das nicht der Fall ist, wirst du im Laufe deines Chemie-Unterrichts noch kennenlernen. Denn, auch wenn es ein wenig übertrieben klingt: "Chemie ist nicht alles, aber alles ist Chemie" Die Frage, was Chemie eigentlich genau ist, wirkt im ersten Moment ganz einfach. Ein Chemiker oder ein Chemielehrer sollte sie doch ohne weiteres beantworten können! Aber leider ist die Antwort auf diese Frage alles andere als klar. Und trotzdem versuchen wir, ein wenig Licht in das Dunkel zu bringen.

Dazu schauen wir uns gerade man das Zitat eines - in Fachkreisen sehr bekannten - Chemikers an, der für seine Forschungen sogar auch den Chemie-Nobelpreis bekommen hat. Er soll gesagt haben:

“Chemie ist die Wissenschaft der Stoffe ihres Aufbaus ihrer Eigenschaften und der Reaktionen, welche sie in andere Stoffe umwandeln.”  Linus Pauling , Nobelpreis für Chemie 1954

Alles klar!? Nun ja, selbst wenn du glaubst es zu verstehen ... so einfach ist es eben doch nicht. Die Chemiker könnten sofort einige Beispiele für die einzelnen Zeilen nennen und erklären.

Für dich vielleicht noch einmal anders beschrieben:

• Die Wissenschaft Chemie beschäftigt sich mit all den Dingen, die uns umgeben - die wir als Stoffe bezeichnen. Das können Stoffe sein, die zu unbelebten Gegenständen gehören, aber auch Stoffe, die in Lebewesen vorkommen.

• Woraus bestehen diese Dinge? Sind es reine Stoffe oder vielleicht Gemische? Auch du als Mensch enthältst viele verschiedene Stoffe. Die Chemiker gehen aber noch weiter und wollen wissen, was im Stoff drin, was wir nicht sehen können - zumindest nicht mit den Augen. Denn inzwischen wissen wir, dass das auch eine große Rolle spielt.

• Welche Eigenschaften haben die Stoffe - und warum ist das so? Warum ist zum Beispiel das Roheisen zwar hart aber zerbricht sehr leicht während das Eisen-Kohlenstoff-Gemisch, dass wir als Stahl bezeichnen stabil und biegsam ist, ohne so leicht zu zerbrechen.

• Wie kann ich Stoffe ineinander umwandeln, also zum Beispiel aus Sand Glas erzeugen? Solche chemischen Reaktionen sind keinesfalls nur im Labor zu finden. Die Küche nutzt viele chemische Reaktionen, ohne das du es vielleicht weist und tatsächlich ist der menschliche Körper eine echte Chemie-Fabrik in der andauern chemische Umwandlungen stattfinden. Ohne diese gäb es kein Leben!

Soweit erst einmal ein Einblick. Nun wollen wir mal etwas konkreter werden und einige Beispiele konkret ansprechen und anschauen, was ein Chemiker so macht!

Was machen Chemiker?

Chemie spielt in vielen Bereichen des Alltags eine herausragende Rolle. Hier nun drei Beispiele, woran Chemiker arbeiten

Informationen zum Umgang mit Links und Hinweise im Text: Auf dieser Seite und auch auf den folgenden, werden im Text hier und ein paar Symbole vorkommen. Dieses Symbol soll dir bei Fachbegriffen helfen, sie zu verstehen. Sie stehen immer hinter einem Begriff und du kannst mit der Maus drüber gehen, um den Hinweis lesen zu können.  Wikipedia?  Das ist ein Link, der auf einen Wikipedia-Artikel verweist. Dort findest du meist mehr Informationen und Bilder als im Text vorhanden sind. Wikipedia-Artikel sind nicht immer einfach zu verstehen, aber du wirst noch lernen, wie du auch einen schwierigen Artikel für dich nutzen kannst. [Link] Das ist ein Link auf einen Artikel in einer Online-Zeitschrift passend zum Thema verweist. Den Titel des Artikels bekommst du wieder, wenn du mit der Maus drüber gehst. Die Zahl hintendran in ein verkürzter Link, den du dann anklicken musst, wenn du dir den Artikel anschauen willst. Generell solltest du beachten: Es ist nicht sinnvoll, den Text an dem du gerade liest zu unterbrechen und jedem Link zu folgen! Lies erst den Abschnitt fertig und falls du dich dann weiter informieren willst, kannst du zurückgehen und die Links anklicken.

Chemiker können gezielt neue Stoffe "erfinden".

• In der Materialwissenschaft werden z.B. Kunststoffe mit bestimmten benötigten Eigenschaften hergestellt. Wegen drohender Erdölknappheit, muss man sich überlegen, wie man Kunststoffe aus Naturstoffen herstellen kann. Auch die Entsorgung und das Recycling sind dabei wichtig.

Das sogenannte  Aerogel  ist besonders leicht aber trotzdem stabil. Ein 2,5 kg schwerer Ziegel wird hier im Bild von einem 2 g schweren Stück Aerogel getragen. Dieser Stoff ist keine Erfindung, die man zufällig erfunden hat. Hier wurde gezielt gesucht und eine Art Schwamm aus einem sehr stabilen Material hergestellt. Das Aerogel (Aero = Luft ... wegen der vielen Luft innendrin, die das Material so leicht macht!) wird zum Beispiel in der Raumfahrt genutzt. Damit können ausladende Bauteile stabilisiert werden, die nicht viel wiegen dürfen. Oder die Oberfläche, die durch die vielen Poren in diese Art Schwamm vorhanden ist, wird zum Auffangen von Staubpartikeln verwendet. Außerdem wirkt das Aerogel durch die eingeschlossene Luft gut wärmeisolierend.

Die im Bild links zu sehenden unscheinbaren Pellets sind das Ausgangsmaterial für Kunststoff-Produkte. Genauer handelt es sich dabei um die Kunststoff-Sorte TPU (Abkürzung für Thermoplastische Polyurethane), die seit ein paar Jahren in der Sportschuh-Produktion "Fuß" gefasst haben. Verwendet werden sie vor allem für die Sohlen. Denn dieses TPU ist gut federnd (Fachbegriff elastisch) und kann relativ gut verarbeitet werden, nämlich nachträglich auch noch durch Wärme (Thermoplastisch) in die gewünschte Form gebracht werden. Gummi ist als elastischer Stoff ja schon seit einiger Zeit bekannt, nur musste der immer sofort in die gewünschte Form gebracht werden und konnten dann nicht mehr verändert werden. Rein theoretisch könnte man die Sohlen dann auch wieder verwerten, indem man sie einschmilzt und in eine neue Form bringt. Ob das aber tatsächlich passiert ist eine andere Frage. TPU ist aber ein typisches Beispiel, wo man die Eigenschaften verschiedener anderer Stoffe kombiniert hat, indem man gezielt bestimmte Ausgangsstoffe hergestellt hat.

Graphen  ist ein "neuer" Wunderstoff, von dem man sich viel verspricht. Hier war die Erfindung eher zufällig und angeblich kannst du es selber herstellen, nämlich indem du zum Beispiel einen Klebestreifen auf eine Bleistift-Mine draufklebst und dann abziehst. Zurück bleibt eine, vermutlich gar nicht wirklich sichtbare, Schicht der Atome von der Graphit-Mine. Für die Erforschung der Eigenschaften dieser einen Lage verknüpfter Kohlenstoffatome gab es 2010 den Nobelpreis in Physik. Die Chemiker können aber ziemlich genau erklären, warum dieses Graphen die Eigenschaften hat. Im Bild links siehst du übrigens nur eine Computerdarstellung der eigentlich für das Auge nicht sichtbaren Atome, die auf eine bestimmte Art und Weise miteinander fest verknüpft sind. Die Eigenschaften lassen von vielen bisher nicht machbaren Anwendungen träumen. So soll das Graphen, trotz seiner geringen Dicke sehr stabil sein und man erhofft sich, damit vielleicht einmal einen Weltraumaufzug zu bauen. Außerdem leitet es sehr gut den Strom man überlegt, ob das Graphen das Silicium in den Computer-Chips ersetzen können. Bei aller Euphorie und vielen Ideen: das Hauptproblem erscheint bisher, dass man noch nicht wirklich geschafft, die Eigenschaften in alltäglichen Gegenständen unterzubringen. Also wird intensiv weiter geforscht.

Chemiker forschen an den Batterien und Stromquellen von morgen.

• Ein wichtiger Punkt im Alltag ist die Energie. Deutschland produziert zwar inzwischen große Mengen an Energie aus natürlichen Quellen, wie Wind, Wasser und Sonne, aber die ist nicht immer in gleichen Mengen vorhanden. So wäre es am besten, wenn man die Energie, die manchmal zu viel produziert wird, irgendwie speichern könnte, um sie später nutzen zu können. Das kann in Form von energiereichen Stoffen geschehen, wenn etwa aus Wasser durch die Elektrolyse das brennbare Gas Wasserstoff produziert wird. Gerade für den Betrieb von Autos ist man auf der Suche nach einem neuen und leicht zu nutzenden Treibstoff. Alternativ wäre natürlich eine Batterie bzw. ein Akku, der lange hält und schnell aufgeladen werden könnte. Das würde ja auch die Handy-Nutzer freuen.

Der durch Solar- oder Windenergie produzierte Wasserstoff kann direkt als Brennstoff verwendet werden. Die ersten Wasserstoff-Tankstellen haben schon aufgemacht. Allerdings sind es noch nicht wirklich viele und man hat Probleme genügend Tankstellen für eine längere Fahrt zu finden. Außerdem muss Wasserstoff in speziellen Tanks transportiert werden, die meist nicht gerade leicht und klein sind. Das ist ein großer technischer Aufwand! Nebenbei ist Wasserstoff auch nicht ganz so einfach zu benutzen, da er mit Luft vermischt ein explosionsfähiges Gemisch bilden kann. Immerhin hat man es aber schon geschafft, die Technik so klein zu bekommen, dass sie auch in Kleinwagen, wie dem Fiat Panda links im Bild, eingebaut werden kann.

Statt Wasserstoff zu tanken und im Auto direkt zu verbrennen, könnte man ihn auch in einer Fabrik verwenden und daraus das etwas leichter handhabbare Gas Methan produzieren. Hier sind die Chemiker gefragt, die diese Umwandlung möglichst einfach und im großtechnischem Maßstab hinbekommen müssen, damit es sich auch lohnt. Methan ist im Prinzip künstlich hergestelltes Erdgas und das ist etwas leichter zu transportieren, denn man braucht nicht so komplizierte Tanks. Im Bild rechts siehst du eine Methan-Tankstelle (Metano ist das italienische Wort für Methan!) und man kann eigentlich kaum einen Unterschied zu einer normalen Tankstelle erkennen. Das wäre eine gute Vorraussetzung für eine weitgehendere Nutzung. Zumal das Methan-Gas nach einer Umstellung bzw. Umbau auch in den "normalen" Benzin-Motoren verwendet werden könnte.

Noch bequemer als ein Gas wäre aber Flüssigkeit zu benutzen. Hier könnte man auf Druck-Tanks verzichten und auch die normalen Motoren könnte nach geringfügiger Anpassung dafür benutzt werden. Links im Bild wird das Methanol verwendet, dass man aus Methan oder direkt aus Wasserstoff herstellen könnte. Allerdings ist es natürlich ein Auto-Motor sondern nur ein kleineres Modell, das kleine Gläschen hinten mit der klaren Flüssigkeit ist das Methanol. Und außerdem wird das Methanol hier nicht verbrannt, was immer ungünstig ist, denn bei der Verbrennung wird immer auch Wärme frei, also quasi Energie, die nicht für den Antrieb genutzt werden kann. Es handelt sich um eine sogenannte Brennstoffzelle, die inzwischen schon in Autos verwendet wird. Meistens allerdings zusammen mit Wasserstoff. Doch Methanol wäre als flüssiger Treibstoff viel leichterer zu transportieren und damit wirtschaftlicher. Sogar zum Aufladen von Handy hat man schon kleine Methanol-Ladegeräte erfunden. [1] Die Chemiker forschen allerdings weiter und suchen nach anderen energiereichen Stoffen, die man im Auto oder für Generatoren als Treibstoff verwenden könnte. Wichtig ist der Transport und er sollte nicht giftig sein, was leider beim Methanol der Fall ist! Und am allerwichtigsten ist, dass er sich gut herstellen lassen muss, denn nur dann lohnt es sich wirklich, größere Mengen herzustellen.

Eine ganz ungewöhnliche Art von Batterie sind die  Redox-Flow-Batterien , die noch relativ neu sind. Man hat zwar schon an anderen Batterie-Typen geforscht, indem man andere Chemikalien einbaut und auch die Bauweise geändert hat. Es bleibt aber bei Akkus immer eine gewissen Ladezeit, die notwendig ist. Diese Redox-Flow-Batterie geht da einen ganz anderen Weg, denn hier lädt man auf, indem man quasi tankt. Ein Elektrolyt wird in die Batterie eingefüllt und aufgebraucht bzw. benutzt. Wenn dann keine Energie mehr in dem Elektrolyt drinsteckt kann es ausgetauscht werden. Und ähnlich wie beim Betanken eines Autos würde das wesentlich schneller gehen als das Aufladen eines normalen Akkus an der Steckdose. Großflächig sind Redox-Flow-Batterien noch in Nutzung und da diese Elektrolyte nicht allzuviel Strom speichern können, ist zu bezweifeln, dass sie sich in Auto durchsetzen können. Mal schauen, was daraus wird!

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Chemiker analysieren die Umwelt auf Gifte oder die Reinheit wichtiger Stoffe.

• Die Analyse der Umwelt ist wichtig, denn die Chemiker kennen Methoden um Gifte und die Zusammensetzung von Stoffen bestimmen zu können. Dies spielt bei der Kontrolle von Lebensmitteln (auch Wasser) und etwa Arzneimittel eine große Rolle.

Eine Analyse ist in der Chemie unter anderem eine systematische Untersuchung, bei der der untersuchte Stoff mit Hilfe von schon bekannten Eigenschaften erkannt werden kann. Solche Analyse können sehr einfach sein. Im Bild links wurde ein Stück Kupferdraht zuerst in den zu untersuchenden Stoff und dann in den Bunsenbrenner gehalten. Die Grünfärbung ist der Nachweis dafür, dass der Stoff gebundenes Chlor enthält. Das kann wichtig sein, denn wenn man von diesem Stoff dann größere Mengen verbrennen würde, könnten giftige Dämpfe entstehen. Solche einfachen Handversuche, mit denen man schnell bestimmte Stoffe nachweisen kann gibt es einige in der Chemie. Du wirst sie selber kennenlernen und nutzen dürfen. Der Wikipedia-Artikel zur  Qualitative Analyse  gibt einen auch für Schüler gut verständliche Einführung in die Geschichte der Chemischen Analyse und warum man damit begonnen hat.

In diesem Bild ist eine Analysen-Methode zu sehen, die man Papier- bzw. genauer eine Dünnschichtchromatographie nennt. Das sieht vielleicht schon etwas komplizierter aus, aber eigentlich kannst du dieses Experiment auch mit einfacheren Hilfsmitteln, die jeder zuhause haben sollte, durchführen. Am Ende dieses Abschnittes bekommst du eine Anleitung, wie du dieses Chromatographie durchführen kannst, wenn du Interesse hast. Genutzt wird hier im Bild eine spezielle Unterlage - das was wie weißes Papier aussieht - und eine Flüssigkeit, die von diesem "Papier" dann aufgesaugt und weitertransportiert wird. Der Name Chromatographie deutet daraufhin woher das Verfahren kommt und man kann es auch im Bild sehen: der Name kommt aus dem griechischen und bedeutet "Farbe schreiben". Im Bild sieht man, wie ein Farbgemisch (vielleicht eine schwarze Tinte?) in seine Bestandteile zerlegt wurde.

Die Analyse-Methoden haben sich mit der Entwicklung der Computer aber weiterentwickelt. Hand anlegen im Labor und Experimente durchführen um Stoffe nachzuweisen müssen nur noch die Chemie-Studenten. Inzwischen werden zum Beispiel Computergesteuerte Gaschromatographen genutzt, um automatisch Stoffe und in welcher Menge sie vorkommen, nachzuweisen. Das ist wesentlich schneller und auch genauer als die einfachen Laborversuche. Das Prinzip der Gaschromatographen ist übrigens das Gleiche wie bei der Farb-Chromatographie oben. Nur hat man anstatt einer Flüssigkeit ein Gas, dass als "Transportmittel" dient. Weitere typische Analyse-Geräte sind Spektrometer, von denen es viele verschiedene Varianten gibt. Recht wichtig sind die Massenspektrometer zur Identifizierung unbekannter Stoffe und die UV-VIS-Spektrometer mit dem man zum Beispiel auch in der Astronomie die Zusammensetzung von weit entfernten Sternen bestimmen kann.

Nun hast du einige Informationen für den Anfang bekommen und hoffentlich bereits einen Einblick in die Welt der Chemie erhalten. Nun aber sollst du gleich mal aktiv werden. Deshalb ein paar Vorschläge für Aktivitäten:

Aktivitäten? Die folgenden Kästen, von denen es verschiedene Variante gibt, bieten dir Möglichkeiten aktiv zu werden. Das können Experimente sein, aber auch Informationen und Übungen zu theoretischen Themen, die an dieser Stelle notwendig sind, damit du nach und nach etwas lernst. Manchmal wird auch auf einen Film verwiesen, der entweder Teil einer Aufgabe sein kann oder einfach nur unterhaltsame Informationen liefern soll. Neben den verschiedenen Arten an Informationen gibt es auch Aktivitäten die Verpflichtend sind, solche bei denen du dich entscheiden kannst, wie du es machst und andere die freiwillige Zusatzangebote sind.

Aktivität: Heft anlegen und erster Eintrag (Pflicht) Erste Hausaufgaben ist das Anlegen des Chemie-Heftes oder Ordners. → Heft anlegen und Informationen dazu

Aktivität: Was bedeutet für dich und deine Familie "Chemie"? (Ergänzung) → Was ist Chemie für mich?

Aktivität: Video "Chemie ist nicht alle, aber alles ist Chemie" (Ergänzung) Die Macher dieses Video haben - nach unserer Meinung einen echten Hit gelandet. Auch wenn du das fachliche aus dem Video, dass auch alles richtig ist, noch nicht versteht, so ist die Hauptaussage doch einfach und du kannst es dir auch für später merken. → Chemie ist nicht alles, aber alles ist Chemie

Aktivität: Mach es kalt! (Ergänzung) Für den Anfang gibt es kleines → Experiment "Mach es kalt!"