Einleitung

»Das Allerwichtigste für das Verständnis der Chemie ist, dass man praktisch arbeiten und Experimente durchführen sollte; derjenige, der weder praktisch arbeitet noch Experimente durchführt, wird niemals zur Meisterschaft gelangen.«

Jäbir ibn Hayyän, 8. Jahrhundert

»Eines der Wunder dieser Welt besteht darin, dass schon die kleinsten Dinge Großes bewirken können: Jedes sichtbare Klümpchen – so winzig es auch sein möge – enthält mehr Atome als Sterne in unserer Galaxis vorhanden sind.«

Peter W. Atkins, 20. Jahrhundert

Die Chemie ist praktisch und gleichzeitig wundersam, bescheiden und zugleich majestätisch. Und für denjenigen, der sie zum ersten Mal studiert, kann Chemie auch ganz schön knifflig sein.

Aus diesem Grund haben wir dieses Buch geschrieben. Die Chemie ist erstaunlich. Arbeitsbücher sind praktisch. Dies ist ein Arbeitsbuch der Chemie.

Über dieses Buch

Wenn Sie sich im Dickicht der Stöchiometrie verlaufen haben oder bis zum Hals im Sumpf der Pufferlösungen stecken, dann haben Sie vermutlich wenig Sinn für die hinreißende Poesie des atomaren Glanzes des Universums. Was Sie brauchen, ist ein bisschen praktischer Beistand. Thema für Thema, Problem für Problem, dieses Buch reicht Ihnen eine helfende Hand, um sich aus jedem Sumpf und Dickicht zu befreien.

Die Themen, die dieses Buch behandelt, werden häufig in Grundkursen für Chemie gelehrt. Wir konzentrieren uns hier auf Aufgaben – Aufgaben, denen Sie wahrscheinlich häufig bei Hausarbeiten oder in Prüfungen begegnen. Wir vermitteln Ihnen gerade soviel Theorie, dass Sie verstehen, wo der Hund bei einem bestimmten Problem begraben liegt. Dann konfrontieren wir Sie mit einigen Beispielen. Und dann sind Sie an der Reihe, diese Aufgaben zu lösen.

Dieses Arbeitsbuch ist aus Modulen aufgebaut. Sie können sich einfach ein bestimmtes Kapitel und die dazugehörigen Aufgabentypen heraussuchen, mit denen Sie am meisten zu kämpfen haben; Sie müssen dieses Buch nicht von vorne bis hinten durchlesen, wenn Sie nicht unbedingt möchten. Wenn bei bestimmten Problemen zuvor Wissen über andere Themengebiete erforderlich ist, werden wir Ihnen das mitteilen und Sie in die richtige Richtung schicken. Und was ziemlich wichtig ist – fertig ausgearbeitete Lösungen und Erläuterungen werden für jedes Problem gleich mitgeliefert.

Konventionen in diesem Buch

Wir haben die folgenden Markierungen gewählt, um Sie durch dieses Buch zu leiten:

Törichte Annahmen über den Leser

Wir gehen davon aus, dass Sie bereits Gelegenheit gehabt haben, mit Algebra und Arithmetik auf Tuchfühlung zu gehen. Sie sollten wissen, wie man einfache Gleichungen mit einer Unbekannten löst. Sie sollten auch in der Lage sein, mit Exponenten und Logarithmen umzugehen. Soweit zu Ihren mathematischen Fähigkeiten, die wir voraussetzen. Seien Sie jedoch beruhigt, denn wir werden nicht von Ihnen verlangen, dass Sie sich zum Beispiel mit den Widersprüchlichkeiten zwischen der Schrödinger‐Gleichung und der stochastischen Wellenfunktion auseinandersetzen.

Wir nehmen an, dass Sie ein Schüler oder Student sind und mindestens ein weiteres Chemiebuch für Schule oder Studium besitzen oder irgendein anderes Grundlagenbuch wie zum Beispiel »Chemie für Dummies« (von John T. Moore, EdD, Wiley‐VCH Verlag). Wir vermitteln Ihnen in diesem Arbeitsbuch ausreichend Theorie, um Probleme verstehen und angehen zu können, aber Sie werden von ausführlicherer Literatur sicherlich profitieren. Mit zusätzlicher Literatur werden Sie besser verstehen, wie sich die kleinen Dinge in der Chemie zu einem übergreifenden Ganzen verbinden – Sie werden den Wald aus lauter Bäumen sehen, wenn man so will.

Wir nehmen zudem an, dass Sie keine Zeit verschwenden wollen. Das wollen wir auch nicht. Chemiker sind im Allgemeinen nicht gerade versessen darauf, Zeit zu verschwenden; wenn Sie also ungeduldig nach Fortschritt verlangen, sind Sie zumindest im Herzen bereits ein kleiner Chemiker.

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Dieses Arbeitsbuch ist nach Themen unterteilt. Es ist jedoch keineswegs absolut notwendig, alle Kapitel eines Teils durchzulesen, und es ist auch nicht erforderlich, im Buch brav von einem Teil zum nächsten zu wandern. Diese Vorgehensweise kann jedoch durchaus empfehlenswert sein, falls Sie sich noch im Zustand Totaler Chemischer Verwirrung (T.C.V.) befinden.

Teil I: Mit Zahlen, Atomen und Elementen anbandeln

Chemiker sind Wissenschaftler, daher behandeln sie Zahlen mit Sorgfalt und halten sich an allgemeingültige Regeln. Die Gründe für diese Akribie werden verständlich, wenn Sie sich bewusst werden, mit welch riesigen Teilchenzahlen Chemiker für gewöhnlich rechnen müssen. Die bekanntesten Teilchen heißen Atome. Dieser Abschnitt vermittelt Ihnen Basiswissen über Zahlen in der Chemie, beschreibt die grundlegende Struktur der Atome und erklärt, wie Atome zu den verschiedenen Elementen werden und wie sie in unterschiedlichen Substanzen miteinander interagieren.

Teil II: Verbindungen aufbauen und erneuern

Reaktionen sind dramatische Vorgänge in der Chemie. Atome verbinden sich zu Molekülen, und Moleküle reagieren miteinander zu Substanzen. Dieser Teil gibt Ihnen das grundlegende Werkzeug in die Hand, um diese Dramen zu verstehen. Wir vermitteln Basiswissen über Bindungen und erklären die Nomenklatur für chemische Substanzen. Wir machen Sie mit dem Mol bekannt, lassen Sie Kontakt mit chemischen Gleichungen aufnehmen und die Welt der Stöchiometrie erforschen; Sie finden hier einfache Konzepte, die für Sie in Ihrer Chemielaufbahn sicherlich von Nutzen sind – egal ob diese lang oder kurz sein wird.

Teil III: Veränderungen auf energetischer Ebene betrachten

Chemie ist gleich Veränderung. Veränderung kann stattfinden oder aber auch nicht. Veränderungen können schnell oder langsam ablaufen. Arbeitsam und fleißig wie Chemiker nun mal sind, wollen sie stets wissen, ob eine chemische Veränderung eintritt und wie lange diese anhalten wird. Dieser Teil beschäftigt sich mit den verschiedenen Arten der Veränderung, die in chemischen Systemen auftreten können, und betrachtet auch die Systeme – nennen wir sie Lösungen –, in denen diese Veränderungen ablaufen. Wir definieren den Unterschied zwischen Gleichgewicht (wird es sich einstellen?) und Reaktionsgeschwindigkeit (wie lange dauert es, bis etwas passiert?) und setzen beide in Beziehung zu verschiedenen energetischen Zuständen. Da in der Chemie sowohl Energie als auch Materie transformiert werden, erkunden wir einige Möglichkeiten, wie Chemiker die Energieänderungen erklären, durch die chemische Reaktionen angetrieben werden.

Teil IV: Ladung wechsle dich

Die Ladung ist ein wichtiges Thema in der Chemie. Geladene Teilchen sind die wichtigsten Spieler auf dem Spielfeld der Chemie, und dieser Teil des Buchs untersucht deren Spielstrategie näher. Säure‐Basen‐Reaktionen sind lebhafte, chemische Ereignisse, die stark von den Wirkungen geladener Teilchen wie Wasserstoff‐ und Hydroxidionen (H+ und OH–… dazu später mehr) abhängig sind. Oxidations‐Reduktions‐ (oder kurz »Redox«‐) Reaktionen bilden eine weitere wichtige Reaktionsgruppe; hier werden Elektronen übertragen, jene winzigen, negativ geladenen Partikel, die am meisten zu einer chemischen Reaktion beitragen. Abschließend werden wir Ihnen noch einen Überblick über die Kernchemie geben, den speziellen Zweig der Chemie, der sich mit Teilchentransformationen innerhalb des positiv geladenen Kerns eines Atoms beschäftigt.

Teil V: Jetzt wird's organisch

Da viele Chemiker quicklebendig sind, ist es nicht verwunderlich, dass sich viele von ihnen für die Chemie des Lebens interessieren. Die Chemie, die sich mit den Vorgängen in lebenden Organismen beschäftigt, wird insgesamt als Organische Chemie oder als Chemie der Kohlenstoffverbindungen bezeichnet. Obwohl die Organische Chemie für lebende Organismen kennzeichnend ist, beschränkt sie sich jedoch nicht ausschließlich darauf. Die Energie‐ und Materialindustrien sind zum Beispiel randvoll mit Wissenschaftlern, die sich mit Organischer Chemie beschäftigen. Dieser Teil liefert einen kurz gefassten Überblick über die Grundlagen der Organischen Chemie, beschreibt einfache Strukturen und Strukturmotive und stellt einige der für die Biologie wichtigen Gruppen organischer Moleküle vor.

Teil VI: Der Top‐Ten‐Teil

Es ist recht leicht, sich in einer Wissenschaft verloren zu fühlen, die sich so vielen Dingen widmet – angefangen von subatomaren Teilchen über Handy‐Akkus bis hin zu den Atomspektren weit entfernter Sterne. Wenn Ihnen von all dem schwindelig wird und Sie sich in einem T.C.V.‐Zustand befinden, hilft Ihnen der Top‐Ten‐Teil dabei, wieder festen Boden unter den Füßen zu bekommen. Dieser Teil ist erfreulich kurz und praktisch zugleich, bietet eine Sammlung von Gleichungen, die Sie wirklich brauchen, und hilfreiche Eselsbrücken zu kniffligen Sachverhalten. Die Zeit, die Sie damit verbringen im Top‐Ten‐Teil zu schmökern, ist nie verschwendete Zeit.

Symbole in diesem Buch

Sie werden einigen hilfreichen Symbolen begegnen, die von Zeit zu Zeit hübsch ordentlich an den Rändern dieses Arbeitsbuches auftauchen. Betrachten Sie sie als Orientierungshilfe oder als vertraute Verkehrsschilder, die Sie auf den Schnellstraßen der Chemie sicher leiten...