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Was ist Chemie?

Skripte
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Eine Gruppe Bauarbeiter steht um ein Gleis. An der Verbindungsstelle zwischen zwei Schienen bauen sie eine Tonapparatur auf. Hinein füllen sie ein unscheinbares, braunes Pulver. Einer von ihnen zündet das Pulver an
Abb. 1: Brennendes Thermit.
Abb. 1: Brennendes Thermit.
… und entfesselt damit eine der heftigsten Reaktionen, die die moderne Chemie kennt. Das Thermit-Verfahren. Wie heftig ist die Reaktion fragst du dich? Die Temperatur liegt bei über $2\,000°$C. Das ist mehr als ein Drittel der Temperatur der Oberfläche der Sonne. Eine Temperatur, die hoch genug ist, um Stahl zu schmelzen. Der sicherste Safe der Welt würde bei Thermit einfach durchschmelzen.
An das Löschen dieser Reaktion musst du gar nicht erst denken. Wasser ist vollkommen wirkungslos. Selbst flüssiger Stickstoff, der eine Temperatur von $-195°$C erreicht und normalerweise alles, mit dem er in Kontakt kommt, erstarren lässt, kann nichts gegen diese gewaltige Reaktion ausrichten. Nein. Alles was du tun kannst, ist warten, bis das Thermit aufhört zu brennen.
Ihren Ursprung hat die Chemie im antiken Ägypten. Vor über $5.000$ Jahren erforschte man bereits die geheimnisvollen Auswirkungen chemischer Reaktionen. Dies zog sich durch das Reich der Griechen bis man schließlich im Mittelalter mit der Alchemie nach einem legendären Stoff suchte: Dem Stein der Weisen. Dieses mytische Material sollte in der Lage sein, Kohle in Gold umzuwandeln und unendliches Leben zu verleihen.
Abb. 2: So sah Nicholas Flamel
eventuell aus.
Abb. 2: So sah Nicholas Flamel eventuell aus.
Abb. 3: Der berühmte englische
Alchemist John Dee.
Abb. 3: Der berühmte englische Alchemist John Dee.
Über $500$ Jahre später wollen wir nun mit dir in die Fußstapfen der berühmten Alchemisten Nicholas Flamel und John Dee treten und erforschen, ob der sagenumwobene Stein der Weisen jemals existiert hat. Wir wollen quer durch die Fachgebiete der Chemie wandeln und die unterschiedlichsten Vorgänge genauer unter die Lupe nehmen. Dabei wollen wir klären warum Stoffe brennen, wie Batterien Strom erzeugen und wie genau wir Medikamente herstellen können. Wir wollen die Stoffe unserer Welt bis ins kleinste Detail betrachten, bis wir zu ihren grundlegendsten Bausteinen, den Atomen, vorstoßen. Begleite uns auf einer Reise, die die Welt um dich herum erklärbar macht und werde selbst zu einem Fachmann, vor dem selbst Nicholas Flamel, sofern er denn heute noch leben würde, seinen Hut ziehen würde.

Was ist Chemie?

Um erklären zu können, was Chemie eigentlich ist, wollen wir eine Trennlinie zu anderen Naturwissenschaften ziehen.
Abb. 4: Gefahrenstoffsymbole weisen
dich auf die Risiken von Chemikalien hin.
Abb. 4: Gefahrenstoffsymbole weisen dich auf die Risiken von Chemikalien hin.
Die Physik z.B. befasst sich mit der Erklärung von Naturphänomenen. Sie versucht dabei deren Eigenschaften und Verhalten mit Gesetzmäßigkeiten und Modellen festzuhalten. Dabei geht sie vorallem auf die Materie, die Energie und auch auf die Wechselwirkungen in Raum und Zeit ein.
Auf der anderen Seite befasst sich die Biologie mit allem Leben auf dieser Welt. Sie befasst sich damit, wie das Leben funktioniert und wie es aufgebaut ist. Typisch für die Biologie wäre es z.B. den inneren Aufbau eines Lebewesen zu erforschen. Dabei fängt sie mit dem Skelett oder inneren Organen an und wandert hinab, bis zur einzelnen Zelle und was darin steckt.
In der Chemie geben wir uns nun nicht zufrieden, nur zu wissen wie ein Lebewesen aufgebaut ist oder wie ein Naturphänomen zustande kommt. Wir wollen tiefer hinab. Wir schauen uns eine Zelle an und fragen uns z.B. aus was unsere Erbinformation besteht. Irgendwann haben wir die Antwort gefunden: DNA. Doch dann fragen wir uns, aus was denn DNA besteht und aus was die Dinge bestehen, aus denen die DNA aufgebaut ist. Wenn wir irgendwann an dem Punkt angekommen sind, an dem wir nicht mehr kleiner werden können, dann fragen wir uns, was diese Dinge ausmacht. Wieso reagieren sie so wie sie reagieren? Wieso haben sie die Eigenschaften, die sie haben?
Die Chemie befasst sich mit dem Aufbau, den Eigenschaften und der Umwandlung von Stoffen. Mit Hilfe der Chemie können wir erklären, warum eine Säure ätzend ist und warum die DNA so aufgebaut ist, wie sie ist.
Abb. 5: In der Biochemie verschmelzen Biologie
und Chemie. Hier z.B. bei der Erforschung von
Bakterienkulturen.
Abb. 5: In der Biochemie verschmelzen Biologie und Chemie. Hier z.B. bei der Erforschung von Bakterienkulturen.
Jetzt denkst du dir vielleicht: Moment mal? Die DNA hat mit der Erbinformation zu tun und Vererbung und Leben ist doch das Fachgebiet der Biologie. Damit hast du recht. Eine Naturwissenschaft ist kein streng abgegrenzter Bereich. An manchen Stellen überlappen sie sich und bilden Fachgebiete dazwischen, wie in diesem Fall z.B. die Biochemie, die sich mit der Aufklärung von Stoffwechsel und Vererbung auf kleinster Ebene auseinander setzt.

Wie arbeitet die Chemie?

Abb. 6: Wie arbeitet man in der Chemie?
Abb. 6: Wie arbeitet man in der Chemie?
Die Chemie arbeitet auf die selbe Art, wie jede andere Naturwissenschaft auch. Wir beobachten ein Phänomen. Vielleicht hast du dich schon einmal gefragt, warum Rotkohl manchmal blau und manchmal rot ist? Das lässt sich mit der Chemie aufklären.
Wir beobachten, dass sich der Rotkohl rot färbt, wenn wir beim Kochen z.B. einen Apfel darauf legen. Der Rest des Kohls ist blau. Aus dieser Beobachtung formulieren wir zuerst unsere Fragestellung: Warum färbt sich der Rotkohl rot, wenn ein Apfel darauf liegt? Anschließend formulieren wir eine erste These. Vielleicht liegt es ja daran, dass ein Apfel viel Fruchtzucker enthält.
Diese These müssen wir nun mit einem Experiment überprüfen. Wir kochen ein weiteres mal Rotkohl und geben dieses mal anstelle eines Apfels einen Teelöffel mit Furchtzucker darauf. Wir können beobachten, dass sich der Rotkohl nicht rot färbt. Er bleibt blau. Damit ist unsere bisherige These nicht mehr tragbar und wir müssen eine andere Erklärung finden.
Vielleicht liegt es ja an der Säure, die der Apfel enthält? Wir überprüfen das, indem wir den Saft einer Zitrone dazu geben und siehe da: Der Rotkohl färbt sich rot. Wir vermuten also stark, dass die Säure mit dem Farbumschlag des Rotkohls zu tun hat. Aus dieser belegten These formulieren wir nun unsere Theorie, dass Rotkohl sich bei der Zugabe von Säure rot färbt.
Im weiteren können wir uns nun intensiver mit diesem Phänomen beschäftigen und die einzelnen Stoffe, die der Rotkohl besitzt, die sogenannten Moleküle untersuchen, welches davon für die Farbe verantwortlich ist und wieso das so ist.
Dabei ist die Chemie nicht unfehlbar. Eine Theorie wird nur so lange unterstützt, bis sie eindeutig wiederlegt werden kann. Ist das der Fall, dann muss die Theorie grundlegend überdacht oder entsprechend angepasst werden.

Was kann die Chemie?

Zum Schluss wollen wir uns noch mit den Möglichkeiten der Chemie befassen. Wozu ist sie gut? Was bringt es uns zu wissen, wieso der Rotkohl rot oder blau ist?
Eine Anwendung haben wir bereits ganz am Anfang kennengelernt: Das Verschweißen von Schienen. Generell befassen sich ganze Teilgebiete der Chemie mit der Verarbeitung und Herstellung von Stahl und anderen Metallen. Auf eine Möglichkeit Gold aus Kohle herzustellen ist man bisher nicht gestoßen. Das es wirklich effizient möglich ist, wird heute leider jedoch stark angezweifelt.

Abb. 7: Die molekulare Struktur von Vitamin A.

Abb. 7: Die molekulare Struktur von Vitamin A.
Die Chemie ist auch in der Lage die Struktur eines Moleküls präzise designen zu können, ähnlich wie ein Tischler, der einen Stuhl genau nach seinen Wünschen und Bedürfnissen herstellt. Das ist vorallem in der Medikamentenherstellung wichtig, denn bereits kleinste molekulare Veränderungen können große Auswirkungen auf die Wirkungsweise eines Stoffes haben.
Abb. 8: Mit so einer Destillationsapparatur kann
man Stoffe auftrennen.
Abb. 8: Mit so einer Destillationsapparatur kann man Stoffe auftrennen.
Die Chemie findet auch Anwendung in der Lebensmittelindustrie. Um die Gesundheit der Verbraucher zu schützen, müssen wir sicher gehen, dass keine giftigen Stoffe oder andere schädliche Mittel in unserem Essen vorhanden sind. Die analytische Chemie befasst sich damit, die Zusammensetzung eines Stoffgemisches zu ergründen und die einzelnen Bestandteile quantitativ zu bestimmen.
Nicht zuletzt hat uns die Chemie auch einige andere Annehmlichkeiten beschert: Wenn es an Silvester eisig kalt ist, dann hält ein Handwärmer, dessen Wärme aus einer chemischen Reaktion stammt, deine Finger warm, während du das bunte Feuerwerk bestaunst. Übrigens, auch die bunten Farben haben ihren Ursprung in der Chemie.
Die Chemie ist eine vielfältige Naturwissenschaft mit ettlichen Fachbereichen. Wir wünschen dir viel Spaß beim Erkunden der Welt der kleinsten Bausteine.

Abb. 9: Buntes Feuerwerk dank der Chemie.

Abb. 9: Buntes Feuerwerk dank der Chemie.
Bildnachweise [nach oben]
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https://goo.gl/f9BA56 – Thermit zerstört eine gusseiserne Pfanne, Unununium272; bearbeitet durch SchulLV CC-BY-SA
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© 2016 – SchulLV
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