Chemie

Das Wort Chemie stammt aus einer Modifikation des Wortes Alchemie , die sich auf eine frühere Reihe von Praktiken bezog, die Elemente der Chemie, Metallurgie , Philosophie , Astrologie , Astronomie , Mystik und Medizin umfassten . Alchemie wird oft als verbunden mit der Suche nach der Umwandlung von Blei oder anderen unedlen Metallen in Gold angesehen, obwohl sich Alchemisten auch für viele Fragen der modernen Chemie interessierten. ^[8]

Das moderne Wort Alchemie wiederum leitet sich vom arabischen Wort al-kīmīā (الكیمیاء) ab. Dies kann ägyptischen Ursprungs sein, da al-kīmīā vom griechischen χημία abgeleitet ist, das wiederum vom Wort Kemet abgeleitet ist , das in der ägyptischen Sprache der alte Name Ägyptens ist. ^[9] Alternativ kann al-kīmīā von χημεία abgeleitet sein, was "zusammengeworfen" bedeutet. ^[10]

Laboratory , Institut für Biochemie, Universität zu Köln in Deutschland .

Das aktuelle Modell der Atomstruktur ist das quantenmechanische Modell . ^{[11] Die} traditionelle Chemie beginnt mit der Untersuchung von Elementarteilchen , Atomen , Molekülen , ^[12] Substanzen , Metallen , Kristallen und anderen Materieaggregaten . Materie kann in fester, flüssiger, Gas und Plasma untersucht werden Zustände , für sich allein oder in Kombination. Die Wechselwirkungen , Reaktionen und Transformationen, die in der Chemie untersucht werden, sind normalerweise das Ergebnis von Wechselwirkungen zwischen Atomen, die zu Umlagerungen der chemischen Bindungen führen, die Atome zusammenhalten. Solche Verhaltensweisen werden in einem Chemielabor untersucht .

Das Chemielabor verwendet stereotyp verschiedene Formen von Laborglaswaren . Glaswaren spielen jedoch keine zentrale Rolle in der Chemie, und viel experimentelle (sowie angewandte / industrielle) Chemie wird ohne sie durchgeführt.

Lösungen von Substanzen in Reagenzflaschen, einschließlich Ammoniumhydroxid und Salpetersäure , in verschiedenen Farben beleuchtet

Eine chemische Reaktion ist die Umwandlung einiger Substanzen in eine oder mehrere verschiedene Substanzen. ^[13] Grundlage einer solchen chemischen Umwandlung ist die Umlagerung von Elektronen in den chemischen Bindungen zwischen Atomen. Es kann symbolisch durch eine chemische Gleichung dargestellt werden , an der normalerweise Atome als Subjekte beteiligt sind. Die Anzahl der Atome links und rechts in der Gleichung für eine chemische Umwandlung ist gleich. (Wenn die Anzahl der Atome auf beiden Seiten ungleich ist, wird die Umwandlung als Kernreaktion oder radioaktiver Zerfall bezeichnet .) Die Art der chemischen Reaktionen, die eine Substanz eingehen kann, und die damit verbundenen Energieänderungen werden durch bestimmte Grundregeln eingeschränkt. bekannt als chemische Gesetze .

Energie- und Entropieüberlegungen sind in fast allen chemischen Studien ausnahmslos wichtig. Chemische Substanzen werden nach ihrer Struktur , Phase sowie ihrer chemischen Zusammensetzung klassifiziert . Sie können mit den Werkzeugen der chemischen Analyse , z . B. Spektroskopie und Chromatographie , analysiert werden . Wissenschaftler, die in der chemischen Forschung tätig sind, werden als Chemiker bezeichnet . ^[14] Die meisten Chemiker sind auf eine oder mehrere Unterdisziplinen spezialisiert. Für das Studium der Chemie sind mehrere Konzepte unerlässlich. Einige von ihnen sind: ^[15]

Angelegenheit

In der Chemie wird Materie als alles definiert, was Ruhemasse und -volumen hat (sie nimmt Platz ein) und aus Partikeln besteht . Die Teilchen, aus denen die Materie besteht, haben ebenfalls eine Ruhemasse - nicht alle Teilchen haben eine Ruhemasse wie das Photon . Materie kann eine reine chemische Substanz oder ein Stoffgemisch sein . ^[16]

Atom

Ein Diagramm eines Atoms basierend auf dem Bohr-Modell

Das Atom ist die Grundeinheit der Chemie. Es besteht aus einem dichten Kern, dem Atomkern, der von einem Raum umgeben ist, der von einer Elektronenwolke eingenommen wird . Der Kern besteht aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen (zusammen Nukleonen genannt ), während die Elektronenwolke aus negativ geladenen Elektronen besteht, die den Kern umkreisen. In einem neutralen Atom gleichen die negativ geladenen Elektronen die positive Ladung der Protonen aus. Der Kern ist dicht; Die Masse eines Nukleons beträgt ungefähr das 1,836-fache eines Elektrons, der Radius eines Atoms jedoch etwa das 10.000-fache seines Kerns. ^{[17] [18]}

Das Atom ist auch die kleinste Einheit, die in Betracht gezogen werden kann, um die chemischen Eigenschaften des Elements wie Elektronegativität , Ionisationspotential , bevorzugte Oxidationsstufe (n), Koordinationszahl und bevorzugte Arten der zu bildenden Bindungen (z. B. metallisch , ionisch) beizubehalten , kovalente ).

Element

Standardform des Periodensystems der chemischen Elemente. Die Farben repräsentieren verschiedene Kategorien von Elementen

Ein chemisches Element ist eine reine Substanz, die aus einem einzigen Atomtyp besteht, der durch seine besondere Anzahl von Protonen in den Kernen seiner Atome gekennzeichnet ist, die als Ordnungszahl bekannt ist und durch das Symbol Z dargestellt wird . Die Massenzahl ist die Summe der Anzahl der Protonen und Neutronen in einem Kern. Obwohl alle Kerne aller Atome, die zu einem Element gehören, dieselbe Ordnungszahl haben, müssen sie nicht unbedingt dieselbe Massenzahl haben; Atome eines Elements mit unterschiedlichen Massenzahlen werden als Isotope bezeichnet . Zum Beispiel sind alle Atome mit 6 Protonen in ihren Kernen Atome des chemischen Elements Kohlenstoff , aber Kohlenstoffatome können Massenzahlen von 12 oder 13 haben. ^[18]

Die Standarddarstellung der chemischen Elemente befindet sich im Periodensystem , das die Elemente nach Ordnungszahl ordnet. Das Periodensystem ist in Gruppen oder Spalten und Perioden oder Zeilen angeordnet. Das Periodensystem ist nützlich, um periodische Trends zu identifizieren . ^[19]

Verbindung

Kohlendioxid (CO ₂ ), ein Beispiel für eine chemische Verbindung

Eine Verbindung ist eine reine chemische Substanz, die aus mehr als einem Element besteht. Die Eigenschaften einer Verbindung haben wenig Ähnlichkeit mit denen ihrer Elemente. ^[20] Die Standardnomenklatur der Verbindungen wird von der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie (IUPAC) festgelegt. Organische Verbindungen werden nach dem organischen Nomenklatursystem benannt . ^[21] Die Namen für anorganische Verbindungen werden nach dem anorganischen Nomenklatursystem erstellt. Wenn eine Verbindung mehr als eine Komponente hat, werden sie in zwei Klassen unterteilt, die elektropositive und die elektronegative Komponente. ^[22] Darüber hinaus hat der Chemical Abstracts Service eine Methode zur Indexierung chemischer Substanzen entwickelt. In diesem Schema ist jeder chemische Stoff durch eine Nummer identifizierbar, die als CAS-Registrierungsnummer bekannt ist .

Molekül

Eine Ball-and-Stick-Darstellung des Koffeinmoleküls (C ₈ H ₁₀ N ₄ O ₂ ).

Ein Molekül ist der kleinste unteilbare Teil einer reinen chemischen Substanz , der seine einzigartigen chemischen Eigenschaften aufweist, dh sein Potenzial, eine bestimmte Reihe chemischer Reaktionen mit anderen Substanzen einzugehen. Diese Definition funktioniert jedoch nur für Substanzen, die aus Molekülen bestehen, was für viele Substanzen nicht gilt (siehe unten). Moleküle sind typischerweise eine Reihe von Atomen, die durch kovalente Bindungen miteinander verbunden sind , so dass die Struktur elektrisch neutral ist und alle Valenzelektronen entweder in Bindungen oder in Einzelpaaren mit anderen Elektronen gepaart sind .

Daher existieren Moleküle im Gegensatz zu Ionen als elektrisch neutrale Einheiten. Wenn diese Regel verletzt wird und das "Molekül" eine Ladung erhält, wird das Ergebnis manchmal als Molekülion oder mehratomiges Ion bezeichnet. Die diskrete und getrennte Natur des molekularen Konzepts erfordert jedoch gewöhnlich, dass molekulare Ionen nur in gut getrennter Form vorliegen, wie beispielsweise ein gerichteter Strahl im Vakuum in einem Massenspektrometer . Geladene mehratomige Sammlungen in Festkörpern (z. B. gewöhnliche Sulfat- oder Nitrationen) werden in der Chemie im Allgemeinen nicht als "Moleküle" betrachtet. Einige Moleküle enthalten ein oder mehrere ungepaarte Elektronen, die Radikale erzeugen . Die meisten Radikale sind vergleichsweise reaktiv, aber einige wie Stickoxid (NO) können stabil sein.

Eine 2-D- Strukturformel eines Benzolmoleküls (C ₆ H ₆ )

Die "inerten" oder Edelgaselemente ( Helium , Neon , Argon , Krypton , Xenon und Radon ) bestehen aus einzelnen Atomen als kleinste diskrete Einheit, aber die anderen isolierten chemischen Elemente bestehen entweder aus Molekülen oder aus Netzwerken von Atomen, die aneinander gebunden sind irgendwie. Identifizierbare Moleküle setzen bekannte Substanzen wie Wasser, Luft und viele organische Verbindungen wie Alkohol, Zucker, Benzin und die verschiedenen Pharmazeutika zusammen .

Allerdings bestehen nicht alle Substanzen oder chemischen Verbindungen aus diskreten Molekülen, und tatsächlich sind die meisten festen Substanzen, aus denen die feste Kruste, der Erdmantel und der Erdkern bestehen, chemische Verbindungen ohne Moleküle. Diese anderen Arten von Substanzen, wie ionische Verbindungen und Netzwerk - Feststoffe , sind in einer solchen Art und Weise organisiert , wie die Existenz von identifizierbaren Moleküle fehlt per se . Stattdessen werden diese Substanzen in Form von Formeleinheiten oder Einheitszellen als kleinste sich wiederholende Struktur innerhalb der Substanz diskutiert . Beispiele für solche Substanzen sind Mineralsalze (wie Tafelsalz ), Feststoffe wie Kohlenstoff und Diamant, Metalle und bekannte Kieselsäure- und Silikatmineralien wie Quarz und Granit.

Eines der Hauptmerkmale eines Moleküls ist seine Geometrie, die oft als Struktur bezeichnet wird . Während die Struktur von zweiatomigen, triatomischen oder tetraatomaren Molekülen trivial sein kann (linear, eckig pyramidenförmig usw.), kann die Struktur von mehratomigen Molekülen, die aus mehr als sechs Atomen (aus mehreren Elementen) bestehen, für ihre chemische Natur entscheidend sein .

Substanz und Mischung

Beispiele für rein chemische Substanzen. Von links nach rechts: die Elemente Zinn (Sn) und Schwefel (S), Diamant (ein Allotrop aus Kohlenstoff ), Saccharose (reiner Zucker) und Natriumchlorid (Salz) und Natriumbicarbonat (Backpulver), die beide ionische Verbindungen sind .

Eine chemische Substanz ist eine Art Materie mit einer bestimmten Zusammensetzung und einer Reihe von Eigenschaften . ^[23] Eine Sammlung von Substanzen wird als Gemisch bezeichnet. Beispiele für Gemische sind Luft und Legierungen . ^[24]

Mol und Menge der Substanz

Der Mol ist eine Maßeinheit, die eine Substanzmenge bezeichnet (auch chemische Menge genannt). Ein Maulwurf soll genau enthalten6.022 140 76 × 10 ²³ Teilchen ( Atome , Moleküle , Ionen oder Elektronen ), wobei die Anzahl der Teilchen pro Mol als Avogadro-Konstante bekannt ist . ^{[25] Die} molare Konzentration ist die Menge einer bestimmten Substanz pro Volumen der Lösung und wird üblicherweise in mol / dm ^{3 angegeben} . ^[26]

Phase

Diagramm, das die Beziehungen zwischen den Phasen und die zur Beschreibung der Phasenänderungen verwendeten Begriffe zeigt.

Zusätzlich zu den spezifischen chemischen Eigenschaften, die unterschiedliche chemische Klassifikationen unterscheiden, können Chemikalien in mehreren Phasen vorliegen. Die chemischen Klassifikationen sind größtenteils unabhängig von diesen Massenphasenklassifikationen; Einige exotischere Phasen sind jedoch mit bestimmten chemischen Eigenschaften nicht kompatibel. Eine Phase ist eine Reihe von Zuständen eines chemischen Systems, die über einen Bereich von Bedingungen wie Druck oder Temperatur ähnliche strukturelle Eigenschaften aufweisen .

Physikalische Eigenschaften wie Dichte und Brechungsindex fallen tendenziell in die für die Phase charakteristischen Werte. Die Phase der Materie wird durch den Phasenübergang definiert, bei dem Energie, die in das System ein- oder aus dem System entnommen wird, die Struktur des Systems neu ordnet, anstatt die Massenbedingungen zu ändern.

Manchmal kann die Unterscheidung zwischen Phasen kontinuierlich sein, anstatt eine diskrete Grenze zu haben. In diesem Fall wird die Angelegenheit als überkritisch angesehen . Wenn sich drei Zustände basierend auf den Bedingungen treffen, wird dies als Tripelpunkt bezeichnet. Da dies unveränderlich ist, ist es eine bequeme Möglichkeit, eine Reihe von Bedingungen zu definieren.

Die bekanntesten Beispiele für Phasen sind Feststoffe , Flüssigkeiten und Gase . Viele Substanzen weisen mehrere feste Phasen auf. Zum Beispiel gibt es drei Phasen von festem Eisen (Alpha, Gamma und Delta), die je nach Temperatur und Druck variieren. Ein Hauptunterschied zwischen festen Phasen ist die Kristallstruktur oder Anordnung der Atome. Eine andere Phase, die üblicherweise bei der Untersuchung der Chemie auftritt , ist die wässrige Phase, bei der es sich um den Zustand von Substanzen handelt, die in wässriger Lösung (dh in Wasser) gelöst sind.

Weniger bekannte Phasen sind Plasmen , Bose-Einstein-Kondensate und fermionische Kondensate sowie die paramagnetischen und ferromagnetischen Phasen magnetischer Materialien. Während sich die meisten bekannten Phasen mit dreidimensionalen Systemen befassen, ist es auch möglich, Analoga in zweidimensionalen Systemen zu definieren, was aufgrund seiner Relevanz für Systeme in der Biologie Beachtung gefunden hat .

Verbindung

Eine Animation des Prozesses der Ionenbindung zwischen Natrium (Na) und Chlor (Cl) unter Bildung von Natriumchlorid oder Kochsalz. Bei der Ionenbindung nimmt ein Atom Valenzelektronen von einem anderen (im Gegensatz zum Teilen, das bei der kovalenten Bindung auftritt).

Atome, die in Molekülen oder Kristallen zusammenkleben, sollen miteinander verbunden sein. Eine chemische Bindung kann als das Multipolgleichgewicht zwischen den positiven Ladungen in den Kernen und den um sie schwingenden negativen Ladungen sichtbar gemacht werden . ^[27] Die Energien und Verteilungen sind mehr als nur eine einfache Anziehung und Abstoßung. Sie kennzeichnen die Verfügbarkeit eines Elektrons für die Bindung an ein anderes Atom.

Eine chemische Bindung kann eine kovalente Bindung , eine Ionenbindung , eine Wasserstoffbindung oder nur aufgrund der Van-der-Waals-Kraft sein . Jede dieser Arten von Anleihen wird einem gewissen Potenzial zugeschrieben. Diese Potentiale erzeugen die Wechselwirkungen, die Atome in Molekülen oder Kristallen zusammenhalten . In vielen einfachen Verbindungen können die Valenzbindungstheorie , das Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßungsmodell ( VSEPR ) und das Konzept der Oxidationszahl verwendet werden, um die molekulare Struktur und Zusammensetzung zu erklären.

Eine Ionenbindung entsteht, wenn ein Metall eines oder mehrere seiner Elektronen verliert und zu einem positiv geladenen Kation wird. Die Elektronen werden dann vom Nichtmetallatom gewonnen und zu einem negativ geladenen Anion. Die zwei entgegengesetzt geladenen Ionen ziehen sich gegenseitig an, und die Ionenbindung ist die elektrostatische Anziehungskraft zwischen ihnen. Beispielsweise verliert Natrium (Na), ein Metall, ein Elektron, um ein Na ⁺ -Kation zu werden, während Chlor (Cl), ein Nichtmetall, dieses Elektron gewinnt, um Cl ^{- zu werden} . Die Ionen werden aufgrund elektrostatischer Anziehung zusammengehalten und diese Verbindung Natriumchlorid (NaCl) oder gewöhnliches Tafelsalz wird gebildet.

Im Methanmolekül (CH ₄ ) teilt das Kohlenstoffatom mit jedem der vier Wasserstoffatome ein Paar Valenzelektronen. Somit ist die Oktettregel für das C-Atom erfüllt (es hat acht Elektronen in seiner Valenzschale) und die Duettregel ist für die H-Atome erfüllt (sie haben zwei Elektronen in ihrer Valenzschale).

In einer kovalenten Bindung teilen sich zwei Atome ein oder mehrere Paare von Valenzelektronen : Die resultierende elektrisch neutrale Gruppe gebundener Atome wird als Molekül bezeichnet . Atome teilen Valenzelektronen so, dass für jedes Atom eine Edelgaselektronenkonfiguration (acht Elektronen in ihrer äußersten Hülle) entsteht. Atome, die dazu neigen, sich so zu verbinden, dass sie jeweils acht Elektronen in ihrer Valenzschale haben, sollen der Oktettregel folgen . Einige Elemente wie Wasserstoff und Lithium benötigen jedoch nur zwei Elektronen in ihrer äußersten Hülle, um diese stabile Konfiguration zu erreichen. sollen diese Atome die folgen Duett Regel , und sie auf diese Weise erreichen die Elektronenkonfiguration des Edelgases Helium , das in seiner äußeren Schale zwei Elektronen hat.

In ähnlicher Weise können Theorien aus der klassischen Physik verwendet werden, um viele Ionenstrukturen vorherzusagen. Bei komplizierteren Verbindungen wie Metallkomplexen ist die Valenzbindungstheorie weniger anwendbar, und alternative Ansätze wie die Molekülorbitaltheorie werden im Allgemeinen verwendet. Siehe Diagramm zu elektronischen Orbitalen.

Energie

Im Kontext der Chemie ist Energie ein Attribut einer Substanz als Folge ihrer atomaren , molekularen oder aggregierten Struktur . Da eine chemische Umwandlung mit einer Änderung einer oder mehrerer dieser Arten von Strukturen einhergeht, geht sie ausnahmslos mit einer Zunahme oder Abnahme der Energie der beteiligten Substanzen einher . Ein Teil der Energie wird in Form von Wärme oder Licht zwischen der Umgebung und den Reaktanten der Reaktion übertragen . Somit können die Produkte einer Reaktion mehr oder weniger Energie haben als die Reaktanten.

Eine Reaktion wird als exergonisch bezeichnet, wenn der Endzustand auf der Energieskala niedriger ist als der Anfangszustand; Bei endergonischen Reaktionen ist die Situation umgekehrt. Eine Reaktion wird als exotherm bezeichnet, wenn die Reaktion Wärme an die Umgebung abgibt; Bei endothermen Reaktionen nimmt die Reaktion Wärme aus der Umgebung auf.

Chemische Reaktionen sind ausnahmslos nur möglich, wenn die Reaktanten eine Energiebarriere überwinden, die als Aktivierungsenergie bekannt ist . Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion (bei gegebener Temperatur T) hängt mit der Aktivierungsenergie E durch den Boltzmann-Populationsfaktor zusammen${\ displaystyle e ^ {- E / kT}}$- das ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Molekül bei der gegebenen Temperatur T eine Energie größer oder gleich E hat. Diese exponentielle Abhängigkeit einer Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur ist als Arrhenius-Gleichung bekannt . Die Aktivierungsenergie, die für das Auftreten einer chemischen Reaktion erforderlich ist, kann in Form von Wärme, Licht, Elektrizität oder mechanischer Kraft in Form von Ultraschall vorliegen . ^[28]

Ein verwandtes Konzept der freien Energie , das auch Entropieüberlegungen berücksichtigt, ist ein sehr nützliches Mittel zur Vorhersage der Durchführbarkeit einer Reaktion und zur Bestimmung des Gleichgewichtszustands einer chemischen Reaktion in der chemischen Thermodynamik . Eine Reaktion ist nur möglich, wenn die Gesamtänderung der freien Gibbs-Energie negativ ist.${\ displaystyle \ Delta G \ leq 0 \,}$;; wenn es gleich Null ist, wird die chemische Reaktion als im Gleichgewicht befindlich bezeichnet .

Es gibt nur begrenzte mögliche Energiezustände für Elektronen, Atome und Moleküle. Diese werden durch die Regeln der Quantenmechanik bestimmt , die die Quantisierung der Energie eines gebundenen Systems erfordern . Die Atome / Moleküle in einem Zustand höherer Energie sollen angeregt sein. Die Moleküle / Atome der Substanz in einem angeregten Energiezustand sind oft viel reaktiver; das heißt, für chemische Reaktionen zugänglicher.

Die Phase eines Stoffes wird immer durch seine Energie und die Energie seiner Umgebung bestimmt. Wenn die intermolekularen Kräfte einer Substanz so sind, dass die Energie der Umgebung nicht ausreicht, um sie zu überwinden, tritt sie in einer geordneteren Phase wie flüssig oder fest auf, wie dies bei Wasser der Fall ist (H ₂ O); eine Flüssigkeit bei Raumtemperatur, weil ihre Moleküle durch Wasserstoffbrücken gebunden sind . ^[29] Während Schwefelwasserstoff (H ₂ S) bei Raumtemperatur und Standarddruck ein Gas ist, da seine Moleküle durch schwächere Dipol-Dipol-Wechselwirkungen gebunden sind .

Die Übertragung von Energie von einer chemischen Substanz zu einem anderen hängt von der Größe der Energiequanten von einer Substanz emittiert wird . Wärmeenergie wird jedoch häufig leichter von fast jeder Substanz auf eine andere übertragen, da die Phononen, die für die Schwingungs- und Rotationsenergieniveaus in einer Substanz verantwortlich sind, viel weniger Energie haben als Photonen, die für die elektronische Energieübertragung aufgerufen werden. Da Schwingungs- und Rotationsenergieniveaus enger beieinander liegen als elektronische Energieniveaus, kann Wärme zwischen Substanzen im Vergleich zu Licht oder anderen Formen elektronischer Energie leichter übertragen werden. Beispielsweise wird ultraviolette elektromagnetische Strahlung nicht so effektiv von einer Substanz auf eine andere übertragen wie thermische oder elektrische Energie.

Das Vorhandensein charakteristischer Energieniveaus für verschiedene chemische Substanzen ist nützlich für deren Identifizierung durch die Analyse von Spektrallinien . In der chemischen Spektroskopie werden häufig verschiedene Arten von Spektren verwendet , z. B. IR , Mikrowelle , NMR , ESR usw. Die Spektroskopie wird auch verwendet, um die Zusammensetzung entfernter Objekte - wie Sterne und entfernter Galaxien - durch Analyse ihrer Strahlungsspektren zu identifizieren.

Emissionsspektrum von Eisen

Der Begriff chemische Energie wird häufig verwendet, um das Potenzial einer chemischen Substanz anzuzeigen, eine Umwandlung durch eine chemische Reaktion zu erfahren oder andere chemische Substanzen umzuwandeln.

Reaktion

Während chemischer Reaktionen brechen und bilden sich Bindungen zwischen Atomen, was zu unterschiedlichen Substanzen mit unterschiedlichen Eigenschaften führt. In einem Hochofen reagiert Eisenoxid, eine Verbindung , mit Kohlenmonoxid unter Bildung von Eisen, einem der chemischen Elemente , und Kohlendioxid.

Wenn eine chemische Substanz infolge ihrer Wechselwirkung mit einer anderen Substanz oder mit Energie umgewandelt wird, soll eine chemische Reaktion stattgefunden haben. Eine chemische Reaktion ist daher ein Konzept, das sich auf die "Reaktion" eines Stoffes bezieht, wenn er in engem Kontakt mit einem anderen Stoff steht, sei es als Gemisch oder als Lösung . Exposition gegenüber irgendeiner Form von Energie oder beidem. Dies führt zu einem gewissen Energieaustausch zwischen den Bestandteilen der Reaktion sowie mit der Systemumgebung, bei der es sich möglicherweise um Gefäße handelt - häufig um Laborglaswaren .

Chemische Reaktionen können zur Bildung oder Dissoziation von Molekülen führen, dh zu Molekülen, die auseinander brechen, um zwei oder mehr Moleküle zu bilden, oder zur Umlagerung von Atomen innerhalb oder zwischen Molekülen. Chemische Reaktionen beinhalten normalerweise das Herstellen oder Aufbrechen chemischer Bindungen. Oxidation, Reduktion , Dissoziation , Säure-Base- Neutralisation und molekulare Umlagerung sind einige der häufig verwendeten Arten chemischer Reaktionen.

Eine chemische Reaktion kann symbolisch durch eine chemische Gleichung dargestellt werden . Während bei einer nichtnuklearen chemischen Reaktion Anzahl und Art der Atome auf beiden Seiten der Gleichung gleich sind, gilt dies für eine Kernreaktion nur für die Kernteilchen, d. H. Protonen und Neutronen. ^[30]

Die Abfolge von Schritten, in denen die Reorganisation chemischer Bindungen im Verlauf einer chemischen Reaktion stattfinden kann, wird als Mechanismus bezeichnet . Man kann sich vorstellen, dass eine chemische Reaktion in mehreren Schritten stattfindet, von denen jeder eine andere Geschwindigkeit haben kann. Viele Reaktionszwischenprodukte mit variabler Stabilität können daher im Verlauf einer Reaktion ins Auge gefasst werden. Reaktionsmechanismen werden vorgeschlagen, um die Kinetik und den relativen Produktmix einer Reaktion zu erklären . Viele physikalische Chemiker sind darauf spezialisiert, die Mechanismen verschiedener chemischer Reaktionen zu erforschen und vorzuschlagen. Einige empirische Regeln, wie die Woodward-Hoffmann-Regeln, sind oft nützlich, wenn sie einen Mechanismus für eine chemische Reaktion vorschlagen.

Nach dem IUPAC- Goldbuch ist eine chemische Reaktion "ein Prozess, der zur gegenseitigen Umwandlung chemischer Spezies führt". ^[31] Dementsprechend kann eine chemische Reaktion eine Elementarreaktion oder eine schrittweise Reaktion sein . Eine zusätzliche Einschränkung besteht darin, dass diese Definition Fälle einschließt, in denen die gegenseitige Umwandlung von Konformern experimentell beobachtbar ist. Solche nachweisbaren chemischen Reaktionen umfassen normalerweise Sätze molekularer Einheiten, wie in dieser Definition angegeben, aber es ist häufig konzeptionell zweckmäßig, den Begriff auch für Änderungen zu verwenden, an denen einzelne molekulare Einheiten beteiligt sind (dh "mikroskopische chemische Ereignisse").

Ionen und Salze

Die Kristallgitterstruktur von Kaliumchlorid (KCl), einem Salz, das durch die Anziehung von K ⁺ -Kationen und Cl ^- Anionen entsteht. Beachten Sie, wie die Gesamtladung der ionischen Verbindung Null ist.

Ein Ion ist eine geladene Spezies, ein Atom oder ein Molekül, das ein oder mehrere Elektronen verloren oder gewonnen hat. Wenn ein Atom ein Elektron verliert und somit mehr Protonen als Elektronen hat, ist das Atom ein positiv geladenes Ion oder Kation . Wenn ein Atom ein Elektron gewinnt und somit mehr Elektronen als Protonen hat, ist das Atom ein negativ geladenes Ion oder Anion . Kationen und Anionen können ein kristallines Gitter aus neutralen Salzen bilden , wie die Na ^{+ -} und Cl ^- -Ionen, die Natriumchlorid oder NaCl bilden. Beispiele für mehratomige Ionen , die sich bei Säure-Base-Reaktionen nicht aufspalten, sind Hydroxid (OH ^- ) und Phosphat (PO ₄ ³⁻ ).

Plasma besteht aus gasförmigem Material, das normalerweise durch hohe Temperaturen vollständig ionisiert wurde.

Säure und Basizität

Bromwasserstoff liegt in der Gasphase als zweiatomiges Molekül vor

Eine Substanz kann oft als Säure oder Base klassifiziert werden . Es gibt verschiedene Theorien, die das Säure-Base-Verhalten erklären. Die einfachste ist die Arrhenius-Theorie , die besagt, dass Säure eine Substanz ist, die Hydroniumionen produziert , wenn sie in Wasser gelöst wird, und eine Base eine, die Hydroxidionen produziert , wenn sie in Wasser gelöst wird. Nach Brønsted-Lowry - Säure-Base - Theorie , Säuren sind Substanzen , die ein positives spenden Wasserstoff - Ionen auf einem andere Substanz in einer chemischen Reaktion; Eine Base ist die Substanz, die dieses Wasserstoffion empfängt.

Eine dritte gängige Theorie ist die Lewis-Säure-Base-Theorie , die auf der Bildung neuer chemischer Bindungen basiert. Die Lewis-Theorie erklärt, dass eine Säure eine Substanz ist, die in der Lage ist, während des Bindungsbildungsprozesses ein Elektronenpaar von einer anderen Substanz aufzunehmen, während eine Base eine Substanz ist, die ein Elektronenpaar zur Bildung einer neuen Bindung bereitstellen kann. Nach dieser Theorie sind die entscheidenden Dinge, die ausgetauscht werden, Gebühren. ^[32] Es gibt verschiedene andere Möglichkeiten, wie ein Stoff als Säure oder Base eingestuft werden kann, wie aus der Geschichte dieses Konzepts hervorgeht. ^[33]

Die Säurestärke wird üblicherweise mit zwei Methoden gemessen. Eine Messung, basierend auf der Arrhenius-Definition des Säuregehalts, ist der pH-Wert , bei dem es sich um eine Messung der Hydroniumionenkonzentration in einer Lösung handelt, ausgedrückt auf einer negativen logarithmischen Skala. Somit haben Lösungen, die einen niedrigen pH-Wert haben, eine hohe Hydroniumionenkonzentration und können als saurer bezeichnet werden. Die andere Messung, die auf der Brønsted-Lowry-Definition basiert, ist die Säuredissoziationskonstante (K _a ), die die relative Fähigkeit einer Substanz misst, unter der Brønsted-Lowry-Definition einer Säure als Säure zu wirken. Das heißt, Substanzen mit einem höheren K _{a geben} bei chemischen Reaktionen eher Wasserstoffionen ab als solche mit niedrigeren K _a -Werten.

Redox

Redox ( rot uction- ox dierung) Reaktionen umfassen alle chemischen Reaktionen , bei denen Atome ihres haben Oxidationszustand von entweder gewinnen Elektronen (Reduktion) oder den Verlust von Elektronen (Oxidation) geändert. Substanzen, die andere Substanzen oxidieren können, gelten als oxidativ und werden als Oxidationsmittel , Oxidationsmittel oder Oxidationsmittel bezeichnet. Ein Oxidationsmittel entfernt Elektronen aus einer anderen Substanz. In ähnlicher Weise werden Substanzen, die die Fähigkeit haben, andere Substanzen zu reduzieren, als reduktiv bezeichnet und sind als Reduktionsmittel , Reduktionsmittel oder Reduktionsmittel bekannt.

Ein Reduktionsmittel überträgt Elektronen auf eine andere Substanz und wird so selbst oxidiert. Und weil es Elektronen "spendet", wird es auch als Elektronendonor bezeichnet. Oxidation und Reduktion beziehen sich richtig auf eine Änderung der Oxidationszahl - der tatsächliche Elektronentransfer kann niemals stattfinden. Daher ist Oxidation besser als Zunahme der Oxidationszahl und Reduktion als Abnahme der Oxidationszahl definiert.

Gleichgewicht

Obwohl das Konzept des Gleichgewichts in den Wissenschaften weit verbreitet ist, tritt es im Kontext der Chemie immer dann auf, wenn eine Reihe unterschiedlicher Zustände der chemischen Zusammensetzung möglich sind, beispielsweise in einer Mischung mehrerer chemischer Verbindungen, die miteinander reagieren können. oder wenn eine Substanz in mehr als einer Art von Phase vorhanden sein kann.

Ein System chemischer Substanzen im Gleichgewicht ist, obwohl es eine unveränderliche Zusammensetzung aufweist, meistens nicht statisch ; Moleküle der Substanzen reagieren weiterhin miteinander und führen so zu einem dynamischen Gleichgewicht . Somit beschreibt das Konzept den Zustand, in dem die Parameter wie die chemische Zusammensetzung über die Zeit unverändert bleiben.

Chemische Gesetze

Chemische Reaktionen unterliegen bestimmten Gesetzen, die zu grundlegenden Konzepten in der Chemie geworden sind. Einige von ihnen sind:

Die Geschichte der Chemie erstreckt sich von sehr alten Zeiten bis zur Gegenwart. Seit mehreren Jahrtausenden v. Chr. Verwendeten Zivilisationen Technologien, die schließlich die Grundlage für die verschiedenen Zweige der Chemie bilden sollten. Beispiele hierfür sind das Extrahieren von Metallen aus Erzen , das Herstellen von Keramik und Glasuren, das Fermentieren von Bier und Wein, das Extrahieren von Chemikalien aus Pflanzen für Medizin und Parfüm, das Umwandeln von Fett in Seife , das Herstellen von Glas und das Herstellen von Legierungen wie Bronze . Der Chemie ging die Protowissenschaft Alchemie voraus , die ein intuitiver, aber nicht wissenschaftlicher Ansatz zum Verständnis der Bestandteile der Materie und ihrer Wechselwirkungen ist. Es gelang ihm nicht, die Natur der Materie und ihre Transformationen zu erklären, aber durch die Durchführung von Experimenten und die Aufzeichnung der Ergebnisse stellten Alchemisten die Voraussetzungen für die moderne Chemie. Die Chemie als Wissensbestand, der sich von der Alchemie unterscheidet, begann sich zu entwickeln, als Robert Boyle in seiner Arbeit The Skeptical Chymist (1661) eine klare Unterscheidung zwischen ihnen machte . Während sich sowohl die Alchemie als auch die Chemie mit Materie und ihren Transformationen befassen, wurde der entscheidende Unterschied durch die wissenschaftliche Methode gegeben , die Chemiker in ihrer Arbeit verwendeten. Die Chemie gilt mit der Arbeit von Antoine Lavoisier als etablierte Wissenschaft , die ein Gesetz zur Erhaltung der Masse entwickelte , das eine sorgfältige Messung und quantitative Beobachtung chemischer Phänomene erforderte. Die Geschichte der Chemie ist mit der Geschichte der Thermodynamik verflochten , insbesondere durch die Arbeit von Willard Gibbs . ^[34]

Der Definition

Die Definition der Chemie hat sich im Laufe der Zeit geändert, da neue Entdeckungen und Theorien die Funktionalität der Wissenschaft erweitern. Der Begriff "Chymologie" bedeutete nach Ansicht des bekannten Wissenschaftlers Robert Boyle im Jahr 1661 das Thema der materiellen Prinzipien gemischter Körper. ^[35] 1663 beschrieb der Chemiker Christopher Glaser "Chymie" als eine wissenschaftliche Kunst, durch die man lernt, Körper aufzulösen und aus ihnen die verschiedenen Substanzen ihrer Zusammensetzung zu ziehen und sie wieder zu vereinen und zu einem zu erheben höhere Perfektion. ^[36]

Die Definition des Wortes "Chemie" von 1730, wie sie von Georg Ernst Stahl verwendet wurde , bedeutete die Kunst, gemischte, zusammengesetzte oder aggregierte Körper in ihre Prinzipien aufzulösen. und solche Gremien aus diesen Grundsätzen zusammenzusetzen. ^[37] 1837 betrachtete Jean-Baptiste Dumas das Wort "Chemie" als die Wissenschaft, die sich mit den Gesetzen und Wirkungen molekularer Kräfte befasst. ^[38] Diese Definition wurde weiterentwickelt, bis sie 1947 die Wissenschaft der Substanzen bedeutete: ihre Struktur, ihre Eigenschaften und die Reaktionen, die sie in andere Substanzen verwandeln - eine Charakterisierung, die von Linus Pauling akzeptiert wurde . ^[39] In jüngerer Zeit, 1998, erweiterte Professor Raymond Chang die Definition von "Chemie", um das Studium der Materie und die damit verbundenen Veränderungen zu bezeichnen. ^[40]

Von Disziplin

Demokrits atomistische Philosophie wurde später von Epikur (341–270 v. Chr.) Übernommen.

Frühe Zivilisationen wie die Ägypter ^[41], Babylonier und Inder ^[42] sammelten praktisches Wissen über die Künste der Metallurgie, Keramik und Farbstoffe, entwickelten jedoch keine systematische Theorie.

Eine grundlegende chemische Hypothese wurde erstmals im klassischen Griechenland mit der Theorie der vier Elemente aufgestellt , die von Aristoteles endgültig aufgestellt wurde und besagt, dass Feuer , Luft , Erde und Wasser die grundlegenden Elemente sind, aus denen alles als Kombination gebildet wird. Der griechische Atomismus stammt aus dem Jahr 440 v. Chr. Und taucht in Werken von Philosophen wie Demokrit und Epikur auf . 50 v. Chr. Erweiterte der römische Philosoph Lucretius die Theorie in seinem Buch De rerum natura (Über die Natur der Dinge). ^{[43] [44]} Im Gegensatz zu modernen Wissenschaftskonzepten war der griechische Atomismus rein philosophischer Natur, ohne Rücksicht auf empirische Beobachtungen und ohne Rücksicht auf chemische Experimente. ^[45]

Eine frühe Form der Idee der Erhaltung der Masse ist die Vorstellung, dass " Nichts kommt aus dem Nichts " in der antiken griechischen Philosophie , die in Empedokles (ca. 4. Jahrhundert v. Chr.) Zu finden ist: "Denn es ist unmöglich, dass etwas entsteht." von dem, was nicht ist, und es kann nicht herbeigeführt oder davon gehört werden, was ist, sollte vollständig zerstört werden. " ^[46] und Epikur (3. Jahrhundert v. Chr.), Der die Natur des Universums beschrieb und schrieb, dass "die Gesamtheit der Dinge immer so war, wie sie jetzt ist und immer sein wird". ^[47]

Künstlerischer Eindruck des 15. Jahrhunderts von Jābir ibn Hayyān (Geber), einem perso-arabischen Alchemisten und Pionier der organischen Chemie .

In der hellenistischen Welt verbreitete sich die Kunst der Alchemie zunächst und vermischte Magie und Okkultismus mit dem Studium natürlicher Substanzen mit dem ultimativen Ziel, Elemente in Gold umzuwandeln und das Elixier des ewigen Lebens zu entdecken. ^{[48] ​​Die} Arbeiten, insbesondere die Entwicklung der Destillation , wurden in der frühen byzantinischen Zeit fortgesetzt, wobei der berühmteste Praktizierende der griechisch-ägyptische Zosimos von Panopolis aus dem 4. Jahrhundert war . ^[49] Alchemy setzte im ganzen entwickelt und praktiziert wurde arabische Welt nach den muslimischen Eroberungen , ^[50] und von dort und aus den byzantinischen Resten, ^[51] diffundiert in Mittelalter und die Renaissance Europa durch lateinische Übersetzungen.

Die Entwicklung der modernen wissenschaftlichen Methode war langsam und mühsam, aber unter den frühen muslimischen Chemikern begann sich eine frühe wissenschaftliche Methode für die Chemie zu entwickeln, beginnend mit dem perso-arabischen Chemiker Jābir ibn Hayyān aus dem 9. Jahrhundert , der im Volksmund als "Vater der Chemie" bekannt ist. Die ihm zugeschriebenen arabischen Werke führten eine systematische Klassifizierung chemischer Substanzen ein und lieferten Anweisungen zur chemischen Ableitung einer anorganischen Verbindung ( Salammoniak oder Ammoniumchlorid ) aus organischen Substanzen (wie Pflanzen, Blut und Haar). ^[52] Einige arabisch-jabirische Werke (z. B. das "Buch der Barmherzigkeit" und das "Buch der Siebziger") wurden später unter dem lateinisierten Namen "Geber" ins Lateinische übersetzt ^[53] und im Europa des 13. Jahrhunderts als anonymer Schriftsteller , gewöhnlich als Pseudo-Geber bezeichnet , begann unter diesem Namen alchemistische und metallurgische Schriften zu produzieren. ^[54] Später einflussreiche muslimische Philosophen wie Abū al-Rayhān al-Bīrūnī ^[55] und Avicenna ^[56] bestritten die Theorien der Alchemie, insbesondere die Theorie der Transmutation von Metallen .

Unter dem Einfluss der neuen empirischen Methoden von Sir Francis Bacon und anderen begann eine Gruppe von Chemikern in Oxford , Robert Boyle , Robert Hooke und John Mayow , die alten alchemistischen Traditionen in eine wissenschaftliche Disziplin umzuwandeln. Insbesondere Boyle gilt aufgrund seiner wichtigsten Arbeit, dem klassischen Chemietext The Skeptical Chymist, in dem zwischen den Behauptungen der Alchemie und den empirisch-wissenschaftlichen Entdeckungen der neuen Chemie unterschieden wird, als Gründungsvater der Chemie. ^[57] Er formulierte das Boyle'sche Gesetz , lehnte die klassischen "vier Elemente" ab und schlug eine mechanistische Alternative von Atomen und chemischen Reaktionen vor , die strengen Experimenten unterzogen werden könnten. ^[58]

Antoine-Laurent de Lavoisier gilt als "Vater der modernen Chemie". ^[59]

Die Theorie des Phlogistons (eine Substanz, die die Wurzel jeder Verbrennung bildet) wurde vom Deutschen Georg Ernst Stahl im frühen 18. Jahrhundert aufgestellt und erst Ende des Jahrhunderts vom französischen Chemiker Antoine Lavoisier , dem chemischen Analogon von Newton, aufgehoben Physik; Wer hat mehr als jeder andere getan, um die neue Wissenschaft auf der richtigen theoretischen Grundlage zu etablieren, indem er das Prinzip der Massenerhaltung erläuterte und ein neues System der chemischen Nomenklatur entwickelte, das bis heute verwendet wird. ^[60]

Vor seiner Arbeit wurden jedoch viele wichtige Entdeckungen gemacht, insbesondere in Bezug auf die Natur der „Luft“, die sich aus vielen verschiedenen Gasen zusammensetzt. Der schottische Chemiker Joseph Black (der erste experimentelle Chemiker) und der flämische Jan Baptist van Helmont entdeckten 1754 Kohlendioxid oder das, was Black "feste Luft" nannte. Henry Cavendish entdeckte Wasserstoff und klärte seine Eigenschaften auf, und Joseph Priestley und Carl Wilhelm Scheele isolierten unabhängig voneinander reinen Sauerstoff .

Der englische Wissenschaftler John Dalton schlug die moderne Theorie der Atome vor ; dass alle Substanzen aus unteilbaren 'Atomen' der Materie bestehen und dass verschiedene Atome unterschiedliche Atomgewichte haben.

Die Entwicklung der elektrochemischen Theorie chemischer Kombinationen erfolgte im frühen 19. Jahrhundert als Ergebnis der Arbeit von insbesondere zwei Wissenschaftlern, Jöns Jacob Berzelius und Humphry Davy , die durch die vorherige Erfindung des Voltaikstapels durch Alessandro Volta ermöglicht wurden . Davy entdeckte neun neue Elemente, einschließlich der Alkalimetalle, indem er sie mit elektrischem Strom aus ihren Oxiden extrahierte . ^[61]

In seinem Periodensystem sagte Dmitri Mendeleev die Existenz von 7 neuen Elementen voraus ^[62] und platzierte alle 60 zu diesem Zeitpunkt bekannten Elemente an ihren richtigen Stellen. ^[63]

Der Brite William Prout schlug zunächst vor, alle Elemente nach ihrem Atomgewicht zu ordnen, da alle Atome ein Gewicht hatten, das ein genaues Vielfaches des Atomgewichts von Wasserstoff war. JAR Newlands entwarf eine frühe Tabelle von Elementen, die dann in den 1860er Jahren von Dmitri Mendeleev und unabhängig von mehreren anderen Wissenschaftlern, darunter Julius Lothar Meyer, zum modernen Periodensystem der Elemente ^{[64] entwickelt wurde} . ^{[65] [66]} Die Inertgase, später Edelgase genannt, wurden Ende des Jahrhunderts von William Ramsay in Zusammenarbeit mit Lord Rayleigh entdeckt und füllten damit die Grundstruktur der Tabelle aus.

Oben: Erwartete Ergebnisse: Alpha-Partikel , die ungestört durch das Pflaumenpuddingmodell des Atoms gelangen.
Unten: Beobachtete Ergebnisse: Ein kleiner Teil der Partikel wurde abgelenkt, was auf eine kleine, konzentrierte Ladung hinweist .

Um die Wende des 20. Jahrhunderts wurden die theoretischen Grundlagen der Chemie schließlich durch eine Reihe bemerkenswerter Entdeckungen verstanden, die es schafften, die Natur der inneren Struktur von Atomen zu untersuchen und zu entdecken. Im Jahr 1897 entdeckte JJ Thomson von der Universität Cambridge das Elektron und kurz darauf untersuchten der französische Wissenschaftler Becquerel sowie das Ehepaar Pierre und Marie Curie das Phänomen der Radioaktivität . In einer Reihe bahnbrechender Streuexperimente entdeckte Ernest Rutherford von der Universität Manchester die innere Struktur des Atoms und die Existenz des Protons, klassifizierte und erklärte die verschiedenen Arten der Radioaktivität und wandelte das erste Element erfolgreich um, indem er Stickstoff mit Alpha-Partikeln beschoss .

Seine Arbeit zur Atomstruktur wurde von seinen Schülern, dem dänischen Physiker Niels Bohr und Henry Moseley, verbessert . Die elektronische Theorie der chemischen Bindungen und Molekülorbitale wurde von den amerikanischen Wissenschaftlern Linus Pauling und Gilbert N. Lewis entwickelt .

Das Jahr 2011 wurde von den Vereinten Nationen zum Internationalen Jahr der Chemie erklärt. ^[67] Es war eine Initiative der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie sowie der Organisation der Vereinten Nationen für Erziehung, Wissenschaft und Kultur, an der chemische Gesellschaften, Wissenschaftler und Institutionen weltweit beteiligt waren, und stützte sich auf individuelle Initiativen zur Organisation lokaler und regionaler Aktivitäten .

Organische Chemie wurde entwickelt von Justus von Liebig und anderen, nach Friedrich Wöhler ist die Synthese von Harnstoff , die bewiesen , dass lebende Organismen waren in der Theorie, reduzierbar auf Chemie. ^[68] Andere entscheidende Fortschritte des 19. Jahrhunderts waren; Verständnis der Valenzbindung ( Edward Frankland 1852) und der Anwendung der Thermodynamik auf die Chemie ( JW Gibbs und Svante Arrhenius in den 1870er Jahren).

Subdisziplinen

Die Chemie ist typischerweise in mehrere Hauptunterdisziplinen unterteilt. Es gibt auch mehrere fachübergreifende und spezialisierte Hauptbereiche der Chemie. ^[69]

• Analytische Chemie ist die Analyse von Materialproben, um deren chemische Zusammensetzung und Struktur zu verstehen . Die analytische Chemie umfasst standardisierte experimentelle Methoden in der Chemie. Diese Methoden können in allen Unterdisziplinen der Chemie angewendet werden, mit Ausnahme der rein theoretischen Chemie.
• Biochemie ist die Untersuchung der Chemikalien , chemischen Reaktionen und chemischen Wechselwirkungen , die in lebenden Organismen stattfinden . Biochemie und organische Chemie sind eng miteinander verbunden, wie in der medizinischen Chemie oder der Neurochemie . Die Biochemie ist auch mit der Molekularbiologie und Genetik verbunden .
• Anorganische Chemie ist die Untersuchung der Eigenschaften und Reaktionen anorganischer Verbindungen. Die Unterscheidung zwischen organischen und anorganischen Disziplinen ist nicht absolut und es gibt viele Überschneidungen, vor allem in der Unterdisziplin der metallorganischen Chemie .
• Die Materialchemie ist die Herstellung, Charakterisierung und das Verständnis von Substanzen mit einer nützlichen Funktion. Das Fachgebiet ist eine neue Studienbreite in Graduiertenkollegs und integriert Elemente aus allen klassischen Bereichen der Chemie, wobei der Schwerpunkt auf grundlegenden Fragen liegt, die nur für Materialien gelten. Zu den primären Untersuchungssystemen gehören die Chemie kondensierter Phasen (Feststoffe, Flüssigkeiten, Polymere ) und Grenzflächen zwischen verschiedenen Phasen.
• Neurochemie ist das Studium von Neurochemikalien ; einschließlich Transmitter, Peptide, Proteine, Lipide, Zucker und Nukleinsäuren; ihre Interaktionen und die Rolle, die sie bei der Bildung, Aufrechterhaltung und Veränderung des Nervensystems spielen.
• Die Kernchemie ist die Untersuchung, wie subatomare Teilchen zusammenkommen und Kerne bilden. Die moderne Transmutation ist ein wichtiger Bestandteil der Kernchemie, und die Tabelle der Nuklide ist ein wichtiges Ergebnis und Werkzeug für dieses Gebiet.
• Organische Chemie ist die Untersuchung der Struktur, Eigenschaften, Zusammensetzung, Mechanismen und Reaktionen von organischen Verbindungen . Eine organische Verbindung ist definiert als jede Verbindung, die auf einem Kohlenstoffgerüst basiert.
• Physikalische Chemie ist das Studium der physikalischen und fundamentalen Grundlagen chemischer Systeme und Prozesse. Insbesondere die Energetik und Dynamik solcher Systeme und Prozesse sind für physikalische Chemiker von Interesse. Wichtige Studienbereiche sind chemische Thermodynamik , chemische Kinetik , Elektrochemie , statistische Mechanik , Spektroskopie und in jüngerer Zeit Astrochemie . ^{[70] Die} physikalische Chemie überschneidet sich stark mit der Molekularphysik . Die physikalische Chemie beinhaltet die Verwendung von Infinitesimalrechnung zur Ableitung von Gleichungen. Es ist normalerweise mit der Quantenchemie und der theoretischen Chemie verbunden. Die physikalische Chemie ist eine andere Disziplin als die chemische Physik , aber auch hier gibt es sehr starke Überlappungen.
• Theoretische Chemie ist das Studium der Chemie durch grundlegendes theoretisches Denken (normalerweise in Mathematik oder Physik ). Insbesondere die Anwendung der Quantenmechanik auf die Chemie wird als Quantenchemie bezeichnet . Seit dem Ende des Zweiten Weltkriegs hat die Entwicklung von Computern eine systematische Entwicklung der Computerchemie ermöglicht , die die Kunst ist, Computerprogramme zur Lösung chemischer Probleme zu entwickeln und anzuwenden . Die theoretische Chemie überschneidet sich stark mit der (theoretischen und experimentellen) Festkörperphysik und der Molekularphysik .

Andere Disziplinen innerhalb der Chemie werden traditionell nach der Art der zu untersuchenden Materie oder der Art des Studiums gruppiert. Dazu gehören anorganische Chemie , das Studium anorganischer Stoffe; organische Chemie , das Studium organischer (auf Kohlenstoff basierender) Materie; Biochemie , die Untersuchung von Substanzen, die in biologischen Organismen gefunden werden ; physikalische Chemie , das Studium chemischer Prozesse unter Verwendung physikalischer Konzepte wie Thermodynamik und Quantenmechanik ; und analytische Chemie , die Analyse von Materialproben, um ein Verständnis ihrer chemischen Zusammensetzung und Struktur zu erhalten . In den letzten Jahren sind viele weitere spezialisierte Disziplinen entstanden, z. B. die Neurochemie und die chemische Untersuchung des Nervensystems (siehe Unterdisziplinen ).

Andere Felder umfassen Agrochemie , Astrochemie (und Kosmochemie ), Atmosphärenchemie , Chemieingenieurwesen , chemische Biologie , Chemoinformatik , Elektrochemie , Umweltchemie , Femtochemie , Aroma Chemie , Strömungschemie , Geochemie , grüne Chemie , Histochemie , Geschichte der Chemie , Hydrierung Chemie , Immunchemie , Meereschemie , Materialwissenschaften , mathematische Chemie , Mechanochemie , medizinische Chemie , Molekularbiologie , Molekularmechanik , Nanotechnologie , Naturstoffchemie , Önologie , metallorganische Chemie , Petrochemie , Pharmakologie , Photochemie , physikalisch-organische Chemie , Phytochemie , Polymerchemie , Radiochemie , Festkörperchemie , Sonochemie , supramolekulare Chemie , Oberflächenchemie , synthetische Chemie , Thermochemie und viele andere.

Industrie

Die chemische Industrie ist weltweit eine wichtige wirtschaftliche Aktivität. Die 50 weltweit führenden Chemieproduzenten erzielten 2013 einen Umsatz von 980,5 Milliarden US-Dollar bei einer Gewinnspanne von 10,3%. ^[71]

Professionelle Gesellschaften

• Atkins, Peter ; de Paula, Julio (2009) [1992]. Elemente der Physikalischen Chemie (5. Aufl.). New York: Oxford University Press . ISBN 978-0-19-922672-6.
• Burrows, Andrew; Holman, John; Parsons, Andrew; Pilling, Gwen; Price, Gareth (2009). Chemie ³ . Italien: Oxford University Press . ISBN 978-0-19-927789-6.
• Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. (2008) [2001]. Anorganische Chemie (3. Aufl.). Harlow, Essex: Pearson Education . ISBN 978-0-13-175553-6.

Beliebte Lektüre

• Atkins, PW Galileos Finger ( Oxford University Press ) ISBN  0-19-860941-8
• Atkins, PW Atkins 'Moleküle (Cambridge University Press) ISBN  0-521-82397-8
• Kean, Sam. Der verschwindende Löffel - und andere wahre Geschichten aus dem Periodensystem (Black Swan) London, 2010 ISBN  978-0-552-77750-6
• Levi, Primo Das Periodensystem (Penguin Books) [1975] übersetzt aus dem Italienischen von Raymond Rosenthal (1984) ISBN  978-0-14-139944-7
• Stwertka, A. Ein Leitfaden zu den Elementen (Oxford University Press) ISBN  0-19-515027-9
• "Wörterbuch der Ideengeschichte" . Archiviert vom Original am 10. März 2008.
• "Chemie"  . Encyclopædia Britannica . 6 (11. Aufl.). 1911. S. 33–76.

Einführende Lehrbücher für Studenten

• Atkins, PW, Overton, T., Rourke, J., Weller, M. und Armstrong, F. Shriver und Atkins anorganische Chemie (4. Auflage) 2006 (Oxford University Press) ISBN  0-19-926463-5
• Chang, Raymond. Chemie 6. Aufl. Boston: James M. Smith, 1998. ISBN  0-07-115221-0 .
• Clayden, Jonathan ; Greeves, Nick; Warren, Stuart ; Wothers, Peter (2001). Organische Chemie (1. Aufl.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850346-0.
• Voet und Voet- Biochemie (Wiley) ISBN  0-471-58651-X

Fortgeschrittene Lehrbücher für Studenten oder Absolventen

• Atkins, PW Physikalische Chemie (Oxford University Press) ISBN  0-19-879285-9
• Atkins, PW et al. Molekulare Quantenmechanik (Oxford University Press)
• McWeeny, R. Coulsons Valenz (Oxford Science Publications) ISBN  0-19-855144-4
• Pauling, L. Die Natur der chemischen Bindung (Cornell University Press) ISBN  0-8014-0333-2
• Pauling, L. und Wilson, EB Einführung in die Quantenmechanik mit Anwendungen in der Chemie (Dover Publications) ISBN  0-486-64871-0
• Smart and Moore Solid State Chemistry: Eine Einführung (Chapman and Hall) ISBN  0-412-40040-5
• Stephenson, G. Mathematische Methoden für Studenten der Naturwissenschaften (Longman) ISBN  0-582-44416-0

• Allgemeine chemische Prinzipien, Muster und Anwendungen .