Chemie
Chemie – eine Naturwissenschaft, deren Nennung zu einer Vielzahl von Emotionen führt – kompliziert, schwierig, unnatürlich, böse – im Gegensatz zur "guten" Biologie. Nicht selten wird mit "rein biologisch – ohne Chemie" geworben. So einfach ist die Sache aber nicht, denn Chemie ist überall, alle Dinge, alle Lebewesen, unser Wasser, die Luft, alles ist Chemie bzw. korrekter: besteht aus chemischen Stoffen. Es gibt keine nicht-chemischen Stoffe. Ohne Chemie ist nur das Vakuum.
Aber von Anfang an. Der Name Chemie stammt vom griechischen Wort chymeía, welches mit Metallgießen übersetzt werden kann. Dies deutet auf den Ursprung der Wissenschaft Chemie hin, welche ihre Wurzeln in der Alchemie hat. Seit der Antike such(t)en Alchemisten nach dem Stein der Weisen, welcher nicht nur ewiges Leben versprach, sondern mit dem auch unedle Metalle in edle Metalle wie Gold umgewandelt werden können. Aus heutiger Sicht war diese Suche zum Scheitern verurteilt, denn Gold ist ein Metall, besteht also nur aus einer Teilchensorte, und kann deshalb nicht durch chemische Reaktion entstehen. Elemente können nur durch radioaktiven Zerfall (z.B. Protactinium aus Uran) oder Kernfusion (z.B. Helium aus Wasserstoff) aus anderen Elementen entstehen, eine Goldsynthese ist auf diesem Weg aber nicht möglich.
Die Natur besteht aus kleinsten Teilchen, wobei wir hier zwischen Atomen, Molekülen und Ionen unterscheiden:
Atome sind die kleinsten Teilchen (griechisch átomos: unteilbar), aus welchen die Materie aufgebaut ist – zumindest dachte man das lange Zeit. Dank Ernest Rutherford und seinem Streuungsexperiment (1904) bzw. Niels Bohr (1913) wissen wir heute, dass ein Atom aus einem Atomkern und einer Atomhülle besteht, im Kern befinden sich positiv geladene Protonen und ungeladene Neutronen, in der Hülle befinden sich negativ geladene Elektronen. Die Masse des Atoms wird hauptsächlich vom Kern bestimmt.
Die Elektronen befinden sich auf verschiedenen Energiestufen, welche sich in bestimmten Abständen vom Kern befinden. Dieses Energiestufenmodell kann zwar chemische Reaktionen erklären, nicht jedoch den räumlichen Bau von Molekülen. 1926 wurden die bisher bekannten Atommodelle um das Orbitalmodell ergänzt. Den Elektronen werden bestimmte Aufenthaltsbereiche (Bereiche mit hoher Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen) zugeordnet, der räumliche Bau dieser Orbitale wird durch die Schrödinger-Gleichung berechnet.
Elemente (Stoffebene: "was man sieht") bestehen nur aus einer Atomsorte (Teilchenebene: "was man sich vorstellt"), Verbindungen bestehen aus mehreren Atomsorten. Es gibt Elemente, welche aus "freien" Atomen aufgebaut sind, z.B. die Edelgase (Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon). Einige Elemente bestehen jedoch aus zweiatomigen Molekülen (Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Chlor, Brom, Iod, Fluor). Andere wiederum bestehen aus großen Atomverbänden (z.B. Kohlenstoff, Gold, Silber). Reagieren zwei Stoffe miteinander, so werden die Atome oder Moleküle dieser Stoffe umgruppiert:
Dabei kann die Reaktivität von Stoffen relativ gut vorhergesagt werden: Acht Valenzelektronen (Außenelektronen) auf der höchsten besetzten Energiestufe sind ein besonders günstiger Zustand (Elektronenoktett). Wie viele Elektronen sich auf der höchsten Energiestufe befinden, kann dem Periodensystem der Elemente, dem wichtigsten Werkzeug eines Chemikers, entnommen werden. Hier sind alle bisher bekannten Elemente nach der Zahl ihrer Protonen (= Ordnungszahl) geordnet. Alle Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften stehen in Spalten untereinander, den Hauptgruppen. Somit ergeben sich Spalten (Hauptgruppen) und Reihen (Peroden). Die Valenzelektronenzahl entspricht der Hauptgruppennummer, somit ist die Valenzelektronenzahl maßgeblich für das chemische Verhalten von Atomen.
Das Elektronenoktett kann durch Abgeben, Aufnehmen oder "Teilen" von Elektronen erreicht werden. Reagieren Metalle mit Nichtmetalle, so geben die Metallatome Elektronen ab und werden zu positiv geladenen Kationen, die Nichtmetallatome nehmen Elektronen auf und werden zu negativ geladenen Anionen, die entstehende Verbindung ist ein Salz. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Salzen sind völlig anders als die der Elemente, aus denen sie entstanden sind: Natrium ist ein hoch reaktives Metall, welches heftig mit Wasser reagiert (dabei entstehen Wasserstoff und Natronlauge), Chlor ist ein hochgiftiges Gas, welches stark oxidierend wirkt. Das Salz Natriumchlorid (Kochsalz) ist relativ reaktionsträge und für uns lebensnotwendig. Die tödliche Dosis für einen Erwachsenen beträgt 0,5 g – 5 g pro kg Körpergewicht. Wie für alle chemischen Stoffe / Chemikalien gilt also auch hier: Alle Ding’ sind Gift und nichts ist ohn’ Gift; allein die Dosis macht, dass ein Ding kein Gift ist. (Paracelsus, 1494 – 1541).
Reagieren Nichtmetalle miteinander, so werden weder Elektronen abgegeben noch aufgenommen, die beteiligten Atome "teilen" sich die Elektronen und aus den Atomorbitalen werden gemeinsame Molekülorbitale gebildet: eine Atombindung oder Elektronenpaarbindung entsteht. Auch hier unterscheiden sich die Eigenschaften der entstehenden Stoffe (Produkte) grundlegend von denen der Ausgangsstoffe (Edukte) – wie bei jeder chemischen Reaktion.
Metalle reagieren nicht miteinander, sie bilden Legierungen. Halbmetalle zeigen sowohl Eigenschaften von Metallen als auch von Nichtmetallen. Die Edelgase gehören zu den Nichtmetallen, Edelgasatome haben den Oktettzustand bereits erreicht, sie sind "edel", d.h. sie reagieren nicht mit anderen Stoffen (zumindest nicht freiwillig). Deshalb eignen sie sich als Schutzgas für die Synthese (Herstellung) oder Aufbewahrung empfindlicher Stoffe.
Wovon hängen die genannten chemischen und physikalischen Eigenschaften von Stoffe ab?
Die meisten chemischen Eigenschaften lassen sich tatsächlich mit der Oktettregel und der Elektronegativität (das Bestreben eines Atoms, die Elektronen in einer Elektronenpaarbindung anzuziehen) erklären: je näher die beteiligten Atome dem Oktettzustand kommen, desto weniger reaktiv sind sie. Je größer die "Kompromisse", desto höher die Reaktivität.
Physikalische Eigenschaften wie Löslichkeit, Dichte, Schmelz- / Siede- und Sublimationstemperatur können mit der Molekülstruktur erklärt werden, da von dieser auch die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen (zwischenmolekulare Wechselwirkungen: Wasserstoffbrücken, Dipol-Dipol-Kräfte, Van-der-Waals-wechselwirkungen / London-Dispersionskräfte) abhängen. Sind die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen groß, so wird viel Energie benötigt, um die Moleküle voneinander zu trennen, die Schmelz- / Siede- / Sublimationstemperatur steigt. Elektronenpaarbindungen werden hierbei nicht zerstört.
Stoffe sind dann miteinander mischbar, bzw. ineinander löslich, wenn sie die gleiche Art an zwischenmolekularen Kräften besitzen, hier gilt der Grundsatz Ähnliches löst sich in Ähnlichem.
Je höher die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen, desto höher ist auch die Dichte eines Stoffes, da die Teilchen dadurch näher beieinander sind.
Da sich in allen Naturwissenschaften bestimmte Methoden in der Chemie regelmäßig wiederholen, wurden diese zu Basiskonzepten zusammengefasst:
- Stoff-Teilchen-Konzept
- Struktur-Eigenschafts-Konzept
- Donator-Akzeptor-Konzept
- Energiekonzept
- Gleichgewichtskonzept
Vielleicht hilft diese kurze Einführung in die Grundlagen der Chemie, mehr Sympathie für eine Naturwissenschaft aufzubringen, ohne die wir unsere Umwelt nicht verstehen und erklären könnten. Natürlich führen chemische Prozesse zu (Umwelt)Problemen – ohne chemische Reaktionen wäre aber kein Leben möglich und ohne die moderne Chemie würde unser Alltag ganz anders aussehen.
Das Gymnasium Roth ist ein naturwissenschaftlich-technisches und sprachliches Gymnasium.
Die Grundlagen der Chemie werden bereits in der 5. Jahrgangsstufe im Fach Natur und Technik gelegt:
Im Schwerpunkt Naturwissenschaftliches Arbeiten lernen die Schüler/innen das Teilchenmodell kennen und wenden dieses an, um Alltagsphänomene, z.B. Aggregatzustände oder die Dichteanomalie des Wassers zu erklären. Es werden einfach chemische Nachweisreaktionen und Analysen durchgeführt.
Im Schwerpunkt Biologie lernen die Schüler/innen bei der Zellatmung und Fotosynthese die chemische Reaktion als Umgruppierung von Teilchen kennen.
Einen wichtigen Stellenwert nimmt das Erlernen des naturwissenschaftlichen Erkenntnisweges ein: Am Anfang steht eine Beobachtung oder ein Problem. Daraus ergibt sich eine Fragestellung, die zur Formulierung einer Hypothese führt, an welche sich die Versuchsplanung anschließt. Nach der systematischen Durchführung der Versuche erfolgt eine Auswertung und eine Bewertung der ursprünglichen Hypothese sowie eine Fehleranalyse. Bei der Versuchsplanung und -durchführung ist es besonders wichtig, darauf zu achten, dass möglichst alle Parameter konstant gehalten werden und nur ein Faktor variiert wird, um die Aussagekraft des Ergebnisses nicht massiv zu beeinträchtigen.
Am naturwissenschaftlich-technischen Gymnasium ist Chemie ab der 8. Jahrgangsstufe dreistündiges Kernfach, es werden zwei Schulaufgaben pro Jahr geschrieben. Am sprachlichen Gymnasium wird Chemie ab der 9. Jahrgangsstufe als zweistündiges Nebenfach unterrichtet, es werden zwei Kurzarbeiten pro Jahr geschrieben. Kenntnisse in Chemie helfen nicht nur, Alltagsphänomene zu erklären, sondern sind auch notwendig, um z.B. Pressemitteilungen und Inhaltsstoffe von Nahrungsmitteln fundiert beurteilen zu können.
In der Oberstufe kann Chemie sowohl als Kurs als auch als Leitfach für P- und W-Seminar gewählt werden. Hier ist zu beachten, dass auch für das Fach Biologie in der Oberstufe fundierte chemische Grundkenntnisse erforderlich sind.
NTG
- 8. Jgst.: www.lehrplanplus.bayern.de/fachlehrplan/gymnasium/8/chemie
- 9. Jgst.: www.lehrplanplus.bayern.de/fachlehrplan/gymnasium/9/chemie/ch-ntg
- 10. Jgst.: www.lehrplanplus.bayern.de/fachlehrplan/gymnasium/10/chemie/ch-ntg
- 11. Jgst.: www.lehrplanplus.bayern.de/fachlehrplan/gymnasium/11/chemie
- 12. Jgst.: wird ergänzt sobald verfügbar
- 13. Jgst.: wird ergänzt sobald verfügbar
SG
- 9. Jgst.: www.lehrplanplus.bayern.de/fachlehrplan/gymnasium/9/chemie/ch
- 10. Jgst.: www.lehrplanplus.bayern.de/fachlehrplan/gymnasium/10/chemie/ch
- 11. Jgst.: -
- 12. Jgst.: wird ergänzt sobald verfügbar
- 13. Jgst.: wird ergänzt sobald verfügbar
8. Jahrgangsstufe:
C.C. Buchner Verlag: Chemie 8 NTG, Gymnasium Bayern
https://www.ccbuchner.de/reihe/chemie-bayern-450
9. Jahrgangsstufe:
Cornelsen Verlag: Galvani Chemie 9 NTG, Gymnasium Bayern
Cornelsen Verlag: Galvani Chemie 9 S, Gymnasium Bayern
10. Jahrgangsstufe:
Cornelsen Verlag: Galvani Chemie 10 NTG, Gymnasium Bayern
Cornelsen Verlag: Galvani Chemie 10 S, Gymnasium Bayern
11. Jahrgangsstufe:
Cornelsen Verlag: Galvani Chemie 11, Gymnasium Bayern
Cornelsen Verlag: Galvani Chemie 12, Gymnasium Bayern
Link zu allen Galvani-Büchern:
https://www.cornelsen.de/reihen/galvani-chemie-fuer-gymnasien-900000820000