• Beitrags-Kategorie:Chemie
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Wenn wir uns zuhause umschauen, sehen wir viele verschiedene Dinge: das Bücherregal, unser Smartphone, die Zimmerwand. Manchmal riechen wir auch etwas: das Parfum eines Freundes, den Knoblauchgeruch aus der Küche oder eine vergammelte Mandarine im Rucksack.

Unsere Welt ist extrem vielgestaltig: die Gegenstände und Lebewesen um uns herum können weich oder hart, grün oder blau, flüssig, fest oder gasförmig, durchsichtig oder undurchsichtig, schwer oder leicht sein. Schon die alten Griechen stellen sich die Frage, woher diese Vielfalt kommt und aus welchen Bestandteilen die materielle Welt besteht. Im folgenden Beitrag werden wir uns die materielle Welt wie mit einem Mikroskop vergrößert anschauen. Wir werden sehen, dass die Vielfalt aus sehr wenigen Grundbausteinen zusammen gesetzt ist.

Bei dieser Reise geht es nur um einen groben Einblick in die Struktur der Materie, um sich bei einem ersten Kontakt mit den diesbezüglichen Fragen nicht zu sehr in Einzelheiten zu verirren. In weiteren Beiträgen werden Einzelaspekte dann vertieft werden.

  1. Reine Stoffe und Gemische
  2. Atome sind die kleinsten Einheiten der Chemie
  3. Zusammenfassung

Reine Stoffe und Gemische

Stoffe wie Wasser oder Zahnpasta sehen einheitlich (homogen) aus, andere wie Granit oder Holz erscheinen uneinheitlich (heterogen) und bestehen offensichtlich aus unterschiedlichen Anteilen.

Bei homogenen Materialien unterscheidet man zwischen reinen und gemischten Stoffen, wobei der Augenschein oftmals keine Unterschiede feststsellen kann. Wasser ist beispielsweise ein reiner Stoff, Zahnpasta nicht (man schaue sich nur mal die Zusammensetzung in der Produktbeschreibung an).

Granit

Unterschiedliche Materialien werden durch dunkle und helle Bereiche angezeigt.

Holz

Die Maserung zeigt Bereiche unterschiedlicher Beschaffenheit an

Bei sehr starker Vergrößerung stellt man fest, dass reine Stoffe aus einheitlichen kleinsten Teilchen (Molekülen oder Atomen) bestehen, die nicht mehr weiter teilbar sind, ohne den Charakter des Stoffes zu verändern. Die allermeisten reinen Stoffe bestehen aus Molekülen, die Ihrerseits mehrere unterschiedliche Atome enthalten. Stoffe, die verschiedene Arten von Molekülen oder Atomen beherbergen, sind Mischungen.

Nur wenige reine Substanzen bestehen aus einer Atomsorte: die chemischen Elemente, von denen es in der Natur 92 Stück gibt. Alle anderen reinen Substanzen haben Moleküle aus verschiedenen Atomsorten als kleinste Teilchen. Schauen wir uns Atome und Moleküle etwas genauer an.

Atome sind die kleinsten Einheiten der Chemie

Elektronen sind für das chemische Verhalten verantwortlich

Die Aussage, dass Atome die kleinsten Teilchen der Materie sind, stammt aus den Anfängen der Chemie als Wissenschaft. Aus den Ergebnissen diverser experimenteller Untersuchungen schloss man, dass Materie nicht unendlich weiter teilbar ist, sondern aus kleinsten Teilchen besteht, die man Atome (atomos: griechisch für unteilbar) nannte. Wer mehr über die Richtigkeit der Atomhypothese wissen will, kann sich underen Beitrag Woher wissen wir, dass es Atome gibt? an

Heute wissen wir, dass Atome nicht unteilbar sind, sondern ihrerseits einen Kern und eine Hülle besitzen. Der Atomkern setzt sich aus Protonen und Neutronen zusammen, die Hülle wird von Elektronen gebildet. Protonen tragen eine positive, Elektronen eine negative elektrische Elementarladung. Neutronen sind, wie der Name sagt, elektrisch neutral. Wichtig ist, dass die chemischen Eigenschaften der Atome so gut wie aussschließlich vom Verhalten der Elektronen bestimmt werden. Insofern kann man sagen, das Atome die kleinsten Einheiten der Chemie sind. Wie die Elektronen das chemische Verhalten bestimmen, schauen wir uns in anderen Beiträgen an.

Modell des Heliumatoms
Schema eines Heliumatoms (blau: Proton; grau: Neutron; rot: Elektron)

Wodurch unterscheiden sich die Atome der 92 Elemente

Wir haben schon erwähnt, dass fast alle reinen Stoffe gleichartige Moleküle als kleinste Einheit haben. Alle Moleküle sind aus Atomen der 92 Elemente zusammen gesetzt.

Die Atome der chemischen Elemente unterscheiden sich in der Anzahl der Protonen im Kern bzw. der Elektronen in der Hülle. In jedem Atom gibt es gleich viele (positiv geladene) Protonen und (negativ geladene) Elektronen, so dass es insgesamt elektrisch neutral ist. Im Kern können noch unterschiedlich viele Neutronen vorhanden sein; diese haben aber kaum Einfluss auf die chemischen Eigenschaften. Neutronen sind nur wichtig für die Stabilität eines Atomkerns, da sie – anschaulich gesprochen – die sich abstoßenden positiven Ladungen der Protonen im Kern „verdünnen“.

Das einfachste Element ist der Wasserstoff, dessen Atome nur ein Proton und ein Elektron enthalten. Das nächst schwere Element ist das Helium mit zwei Protonen bzw. Elektronen. Am oberen Ende der Elementliste steht das Uran mit 92 Protonen/Elektronen.

Eines der einfachsten Moleküle ist das von Wasser: zwei Wasserstoffatome sind mit einem Sauerstoffatom fest verbunden.

Wasser Molekül Atome
Wasser besteht aus Molekülen, die ihrerseits aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom zusammen gesetzt sind

Doch es geht auch komplizierter!

Hämoglobin ist das Molekül, das in unserem Blut den Sauerstofftransport übernimmt. Es ist ein komplexes Protein – ein Eiweißstoff – mit einem Kanal in dem Sauerstoff für den Transport gebunden wird.

Nebenbei: Blut ist eines der komplexesten Substanzgemische, dessen Zusammensetzung bis heute nicht vollständig entschlüsselt wurde.

Chemische Struktur eines Hämoglobin-Moleküls

Zusammenfassung

  1. Alle existierenden Stoffe organischen oder anorganischen Ursprungs sind aus kleinsten Einheiten zusammen gesetzt.
  2. Die kleinsten Einheiten fast aller Substanzen sind Moleküle, die ihrerseits mehrere fest miteinander verbundene Atome enthalten.
  3. Atome haben einen Kern aus elektrisch positiven Protonen und ungeladenen Neutronen und eine Hülle aus elektrisch negativen Elektronen. Protonen und Elektronen tragen jeweils eine elektrische Elementarladung (±1,6⋅10-19 Coulomb).
  4. Die Anzahl der Protonen und Elektronen im Atom ist gleich; das Atom ist elektrisch neutral.
  5. Nur die 92 natürlich vorkommenden chemischen Elemente bestehen aus Atomen einer einzigen Sorte.
  6. Die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt, welches chemische Element vorliegt.
Bildung von Molekülen aus Atomen bzw. Protonen, Neutronen und Elektronen
Schema: Aufbau eines Moleküls aus atomaren Elementarteilchen