Chemie-Buch I zum Lehrplan in Rheinland-Pfalz/Einstieg in das neue Fach Chemie
Was ist eigentlich Chemie?
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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:
- ist die Wissenschaft der Stoffe
- ihres Aufbaus
- ihrer Eigenschaften
- und der Reaktionen, welche sie in andere Stoffe umwandeln.”
, Nobelpreis für Chemie 1954Alles 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 ist, 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
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.
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.
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.
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.
Damit zu zeigen kannst, dass du die Ideen des letzten Abschnitts verstanden hast, sollst du dieses Quiz bearbeiten.
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.
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.
Links im Bild wird das Methanol{Wird bei Rennautos auch als Supertreibstoff verwendet.} 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 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 {"Redox" steht für einen elektrischen Vorgang bei dem Elektronen ausgetauscht werden.}-Flow-Batterie geht da einen ganz anderen Weg, denn hier lädt man auf, indem man quasi tankt. Ein Elektrolyt {Stromleitfähige Flüssigkeit} 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!Damit zu zeigen kannst, dass du die Ideen des letzten Abschnitts verstanden hast, sollst du dieses Quiz bearbeiten.
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.
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{Analyse des Inhalts und nicht der Menge.} gibt einen auch für Schüler gut verständliche Einführung in die Geschichte der Chemischen Analyse und warum man damit begonnen hat.
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.
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 {UV-Licht und VIS=visible=sichtbares Licht} mit dem man zum Beispiel auch in der Astronomie die Zusammensetzung von weit entfernten Sternen bestimmen kann.Damit zu zeigen kannst, dass du die Ideen des letzten Abschnitts verstanden hast, sollst du dieses Quiz bearbeiten.
Und nun du!
Du hast jetzt einige Informationen für den Anfang bekommen und hoffentlich bereits einen Einblick in die Welt der Chemie erhalten. Nun aber sollst du auch mal aktiv werden. Im Rahmen dieses digitalen Schulbuches wirst du dazu immer wieder Aktivitäten vorgestellt bekommen.
Aktivitäten sind immer konkrete Arbeitsaufträge, die teilweise mehrere Bestandteile haben und meist auf einer Unterseite genauer beschrieben werden. Nicht alle Aktivitäten sind verpflichtend! Die Bearbeitung der ergänzende Aktivitäten ist dir freigestellt sind, wenn dich Chemie so sehr interessiert, dass du mehr davon haben willst.
Zeigst du deine Ergebnisse dazu vor, so wird sich das positiv auf deine Note auswirken.
Hier nun die ersten Aktivitäten.
- Beachte: Pflicht-Aktivitäten musst du erledigen und wenn du sie vergessen hast, musst du sie auf jeden Fall nacharbeiten!!
Erste Hausaufgaben ist das Anlegen des Chemie-Heftes oder Ordners.
Überlege dir selber, was du mit dem Begriff "Chemie" verbindest. Oder frage deine Eltern, was sie von "Chemie" halten.
Halte in deinem Heft dazu unter der Überschrift "Was denke ich (und meine Familie) über Chemie!" fest, indem du einen kleinen Text schreibst.
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 verstehst, so ist die Hauptaussage doch einfach und du kannst es dir auch für später merken.
Für den Anfang gibt es kleines Experiment, ohne großen Hintergrund.
Wie angekündigt, hier die Beschreibung wie du eine Chromatographie durchführen kannst.
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