L50_chemie_naturwissenschaft - HMTC

L 50: Die Naturwissenschaft Chemie
Lehrbuch Chemie
Systembegriff in der Chemie
Die Chemie zählt zu den Naturwissenschaften. Wie auch in den anderen
Naturwissenschaften werden die messbaren Eigenschaften der Natur untersucht.
Naturwissenschaft
Das spezielle Arbeitsgebiet der Chemie ist die Untersuchung von Stoffen, ihren
Eigenschaften und ihre Veränderung. Ziel der Untersuchung ist das Herausfinden von
Regeln, was zu einer Veränderung der Stoffe und der Stoffeigenschaften führt.
Arbeitsfeld Chemie
Zur Untersuchung der Natur wird ein kleiner
Ausschnitt von ihr abgetrennt betrachtet. Den
Ausschnitt aus der Natur nennt man ein
System, den Rest Umgebung. Jedes
abgeschlossene System in der Natur bildet
ein Gleichgewicht aus. Unter einem
Gleichgewicht versteht man vereinfacht einen
Zustand, bei dem sich in dem betrachteten
Zeitabschnitt nichts ändert.
System Gleichgewicht
Es gibt verschiedene Arten von Gleichgewichten. Das sind zum einen die statischen
Gleichgewichte, bei denen alles in Ruhe und ausgeglichen ist. Außerdem gibt es die
dynamischen Gleichgewichte, bei denen Bewegung herrscht, aber nach gewisser Zeit immer
wieder der gleiche Zustand wiederkehrt.
Gleichgewichte
Bild: Natur –System – Gleichgewicht
Statische und dynamische Gleichgewichte
kann man verändern, indem man einem
System von außen Energie zuführt oder
Stoffe von einem Ort zu einem anderen Ort
bewegt. Die Störung eines natürlichen
Gleichgewichts führt zu einem angeregten
Zustand der Natur, in dem diese
Energieveränderung gespeichert ist.
Gleichzeitig muss das Gleichgewicht der
Umgebung, aus der die Energie oder die
Stoffe entnommen wurden, entgegengesetzt
verändern.
Einwirken auf
Gleichgewichte
Unter der Annahme, dass die Masse der
Stoffe und die Energie in der Natur konstant
bleiben, ergibt sich eine Art Spannung
zwischen dem System und der Umgebung.
Nun ist aber das Bestreben in der Natur
festzustellen, diese Spannungen
auszugleichen, sofern dies möglich ist und
weiter kein Einfluss genommen wird.
Rückkehr ins
Gleichgewicht
Bild: Systemänderung durch Stoffverschiebung
und Energiezufuhr
Bild: Rückkehr des Systems und der Umgebung
durch Stoffverschiebung und Energiezufuhr
zum natürlichen Gleichgewicht
Für chemische Reaktionen gilt allgemein: Stoffe können nur miteinander reagieren, wenn sie
sich berühren.
Anwendung der
Erkenntnisse
Sind die Regeln der Stoffumwandlungen bekannt, besteht die Möglichkeit zur Nutzung der
chemischen Erkenntnisse. Das geschieht in der Chemietechnik bzw. in der Chemischen
Industrie. Chemietechnik und Chemische Industrie schaffen neue Stoffe, die zum Wohle und
der Erleichterung der Lebensbedingungen genutzt werden sollen.
Stoffe sind Erscheinungsformen der Natur. Alle Stoffe besitzen einen Platzbedarf, eine Masse
und einen Energiegehalt. Diese Eigenschaften der Stoffe sind von der Größe der Stoffportion
abhängig. Darüber hinaus haben Stoffe auch verschiedener Eigenschaften, die von der
Stoffportion unabhängig sind. Sie werden spezifische Eigenschaften genannt und dienen
dann zur Erkennung der Stoffe. Dazu zählen die Farbe, die Dichte, die Härte, der Geruch und
© 2005-2006 HMTC Halbmikrotechnik Chemie GmbH; Lernbuch
Stoff-Begriff
Experiment
viele Eigenschaften mehr.
Man untersucht nun, wie sich die Stoffe unter dem Einfluss von Veränderungen in den
Umgebungsbedingungen verhalten. Im Blickpunkt der thermodynaischen Untersuchung
chemischer Reaktionen steht der Stoffaustausch und der Energieaustausch mit der Umgebung.
Arten von
thermodynamischen
System
Dazu unterscheidet man vier verschiedene Systeme:
1.
2.
3.
das offene System: hierbei wird Energie und Stoffe mit der Umgebung
ausgetauscht; ein Beispiel ist der lebende Mensch;
das geschlossene System: hierbei wird mit der Umgebung nur Energie aber
keine Stoffe ausgetauscht;ein Beispiel ist ein Dampfdruck-Kochtopf.
das isolierte System: hierbei wird weder Energie noch Stoffe mit der
Umgebung ausgetauscht; ein Beispiel ist die Warmhaltekanne (Isolierkanne) im
Haushalt.
Aus apparativer Sicht ist noch das halbgeschlossenen (halboffenes) System von Bedeutung.
Hierbei handelt es sich um ein Systystem, bei dem Stoffe oder Energie nur in einer Richtung
ausgetauscht werden. Halboffene System sind von besonderer Bedeutung in der Chemischen
Industrie. Bei industriell chemischen Prozessen wird eine Apparatur zunächst mit Chemikalien
beschickt und dann verschlossen. Im Laufe der Reaktion werden nun häufig fortwährend
Energien frei oder benötigt. Ebenso werden oft kontinuierlich Stoffe frei oder müssen zugeführt
werden. Der kontrollierte Ablauf bei Energiezufuhr oder Stofffzufuhr ist in der Regel leicht zu
kontrollieren. Besonders sorgfältige Planung und Überwachung benötigen halbgeschlossenen
Apparaturen, bei denen Energie oder Stoffe abgeführt werden müssen. Diese chemischen
Reaktionen können leicht zu einer Gefährdung der Umgebung, der Umwelt, führen, wenn nicht
laufend sicher eine Entsorgung gewährleistet ist.
Deshalb muss dafür gesorgt werden, dass nur umweltunschädliche Stoffe aus der Apparatur
austreten können. Gefahrstoffe bzw. Schadstoffe dürfen nur in dem in der Natur vorhandenen
oder verträglichen Gleichgewichtskonzentrationen frei werden. Unbekannte Stoffe müssen wie
Gefahrstoffe behandelt werden.
Die Veränderung von Stoffen durch einen Einfluss von außen nennt man chemische Reaktion.
Da sich in der Natur immer Gleichgewichte bilden, befinden sich auch die Stoffe der Natur im
Gleichgewicht. Sie reagieren nicht (mehr) miteinander. Werden nun durch Zufuhr von Energie
aus den natürlich vorkommenden Stoffen neue Stoffe gebildet, so nennt man dies Stoffe
Chemikalien. Chemikalien befinden sich damit nicht im Gleichgewicht mit der natürlichen
Umgebung. Bei der Bildung befindet sich die Natur weiterhin im Gleichgewicht, jedoch ist die
zugeführte Energie nun von den neugebildeten Stoffen aufgenommen worden und in den
Stoffen als chemische Energie gespeichert.
Für die Bildung und das Verhalten neuer Stoffe gelten die folgenden Grundsätze1:
1
1.
Alle Stoffe in der Natur befinden sich in einen natürlichen Gleichgewicht; sie
verändern sich nicht. (Trägheitsprinzip).
2.
Will man natürlich vorkommende Stoffe verändern, so muss man Energie
zuführen. Entstehen dabei neue Stoffe mit neuen Eigenschaften, dann nennt
man die Art der Veränderung eine chemische Reaktionen. Bei der Bildung neuer
Stoffe wird die Energie chemisch gespeichert. (Aktionsprinzip).
3.
Die gebildeten neuen Chemikalien verhalten sich chemisch gegensätzlich: Lässt
man die gebildeten Stoffe in einem geschlossenen System längere Zeit
aufeinander einwirken, so kehrt sich die chemische Reaktion um. Der
Ausgangsstoff wird unter Abgabe von Energie zurückbildet. (Reaktionsprinzip)
Halbgeschlossenes
System
Chemische Reaktion
Erhaltungssatz
Die Betrachtung folgt den von Isaac Newton formulierten Erhaltungssätzen der Kraft
© 2004-2005 HMTC GmbH
75805630
2