Allgemeine Chemie
Die Allgemeine Chemie umfasst die grundlegenden Themen und Begrifflichkeiten der Chemie und ihrer Unterbereiche. Sie kann auch als Einführung in das Fach verstanden werden und soll grundlegende Konzepte und Prinzipien vermitteln.
In das Feld der Allgemeinen Chemie gehören unter anderem Themen wie der Atombau, Aufbau und Bedeutung des Periodensystems, Theorien der verschiedenen chemischen Bindungen, Redox-Reaktionen oder Säure-Base-Theorien.
Zum grundlegenden Verständnis der Chemie gehört die Kenntnis über den theoretischen Aufbau von Atomen und ihre daraus resultierenden Eigenschaften. In der Regel besteht ein Atom aus einem positiv geladenen Kern und negativ geladenen Teilchen, die sich in bestimmten Bereichen um den Kern aufhalten. Der Atomkern besteht dabei aus positiv geladenen Protonen und ladungsneutralen Neutronen und wird von negativ geladenen Elektronen umkreist.
Die Theorien über den konkreten Aufbau der Atome wurden über die Jahrzehnte stetig verändert und verfeinert. Angefangen beim Modell nach Rutherford, welches die negativ geladenen Teilchen auf definierten Kreisbahnen um den positiv geladenen Kern sieht.
Niels Bohr entwickelte dieses Modell weiter und postulierte verschiedene, energetisch unterschiedliche und definierte Bahnen, auf denen sich die Elektronen ausschließlich um den Kern bewegen können. Mit diesem Modell ließen sich die Spektrallinien des Wasserstoffatoms erklären, was mit der Theorie Rutherfords nicht bis dahin nicht möglich war.
Ein sehr umfassendes Modell wurde unter anderem von de Broglie, Heisenberg und Schrödinger entwickelt, welches die Unschärferelation mit einbezieht. Zusammen mit weiteren Berechnungen ergeben sich daraus Orbitale um den Atomkern, in denen sich Elektronen mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten aufhalten.
Um die Elemente nach ihren Eigenschaften und ihrer Kernladung zu ordnen, ersann Dmitri Mendelejew eine tabellarische Anordnung, die heute Periodensystem der Elemente genannt wird. Die Elemente sind in aufsteigender Reihenfolge entsprechend ihrer Ordnungszahl in Hauptgruppen und Perioden eingeteilt. Die Ordnungszahl entspricht dabei der Anzahl an Protonen im Kern des jeweiligen Atoms und somit auch der Anzahl an Elektronen des jeweiligen Elements.
Es gibt sieben Perioden (1 bis 7) und sieben Schalen (K bis Q), welche die horizontalen Zeilen des Periodensystems bilden. Als Schalen bezeichnet man den Bereich um den Atomkern, in dem sich die Elektronen aufhalten und welcher die chemischen Eigenschaften eines Elements bestimmt. Diese Schalen werden nach einem bestimmten Schema mit Elektronen aufgefüllt, welches sich aus den Theorien zu den Orbitalen ergibt.
In der Vertikalen werden in Spalten die 18 Gruppen dargestellt, wobei acht Hauptgruppen und zehn Nebengruppen unterschieden werden. Eine Gruppe fasst dabei Elemente mit ähnlichen Eigenschaften und der gleichen Anzahl an Valenzelektronen zusammen. Als Valenzelektronen bezeichnet man jene Elektronen, die sich in der äußersten Schale befinden und an der Bildung von Bindungen zu anderen Atomen beteiligt sind.
Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Atomen, ergeben sich auch unterschiedliche chemische Bindungen.
Neben der Ordnungszahl und der Atommasse wird Elementen im Periodensystem auch eine Elektronegativität zugeordnet. Dieser Wert bezeichnet auf empirischer Grundlage die Fähigkeit eines Atoms, Elektronen während der Bildung einer Bindung anzuziehen. Die unterschiedlichen Elektronegativitäten führen zu verschiedenen Arten von chemischen Bindungen, die Atome untereinander eingehen können. Man unterscheidet zwischen unpolaren kovalenten und polaren kovalenten Atombindungen, Metallbindungen und Ionenbindungen.
Ionenbindungen zeichnen sich durch eine große Differenz zwischen den Werten der Elektronegativität aus und bestehen aus positiv geladenen Kationen und negativ geladenen Anionen. In der Regel bilden sich Kristallstrukturen (Kristallgitter) aus, in welchen sich die Ionen abhängig von ihrer Ladung und ihrem Ionenradius anordnen.
Atombindungen, oder auch kovalente Bindungen, entstehen für gewöhnlich zwischen Atomen mit kleiner oder gar keiner Differenz der Elektronegativität. Hier sind die Valenzelektronen der verschiedenen Atome für die Ausbildung einer Bindung verantwortlich. Wird ein Elektronenpaar aus je einem Valenzelektron von zwei Atomen gebildet, entsteht eine Einfachbindung zwischen diesen beiden Atomen. Außer zwischen zwei gleichen Atomen, ist diese Bindung immer zu einem Teil polarisiert, da einer der Bindungspartner immer eine höhere Elektronegativität aufweist.
Metallbindungen heben sich etwas von den anderen Arten chemischer Bindungen ab, da hier die positiv geladenen Atomrümpfe ebenfalls in einem Gitter angeordnet sind. Die Elektronen hingegen sind aufgrund der schwachen Anziehung des Kerns über das gesamte Gitter delokalisiert. Daraus ergeben sich die typischen Eigenschaften von Metallen wie elektrische und thermische Leitfähigkeit, Verformbarkeit und Intransparenz gegenüber dem sichtbaren Licht.
Klebstoffe wirken auf hauptsächlich zwei Arten, um zwei Gegenstände zusammen zu bringen: Klebstoffe arbeiten häufig auch mit chemischen Bindungen. Viele Klebstoffe greifen aber auch auf physikalische Verbindungen zurück. Klebstoffe haben ein weites Anwendungsgebiet. Als Endverbrauche kennen wir Klebstoffe, die auf dem Schreibtisch genutzt werden, um Papier zusammenzuhalten oder Leim, mit dem Möbel zusammengeleimt werden. Klebstoffe werden aber auch in der Industrie genutzt und halten dort ganze Häuser zusammen. Viele Produkte werden heutzutage zusammen geklebt, statt dass sie verschraubt werden, was vor allen Dingen bei modernen Smartphones der Fall ist. Auch Aufkleber nutzen Klebstoffe, wie der Security Seal Sticker, der es ermöglicht, ein Siegel auf verschiedenen Öffnungen anzubringen, um sicherzustellen, dass niemand sonst hier zwischenzeitlich hineingeschaut hat. Eine andere Anwendung, die jeder kennt, ist der sogenannte Klebezettel. Die Erfindung des Klebezettels war eher eine Zufallserfindung. Als der Chemiker schon wieder einen schlecht funktionierenden Klebstoff entwickelt hatte, entdeckte er, dass er den missglückten Versuch ideal für Zettel zur Beschriftung im Labor verwenden konnte, die sich ohne Rückstände abziehen ließen. Das war der Beginn einer weltweiten Erfolgsgeschichte des Klebezettels, so wie wir ihn heute in jedem Büro finden.