50 Schlüsselideen Chemie

Atome sind die Bausteine der Chemie – und unseres Universums. Sie bilden die Elemente, die Planeten, die Sterne und uns. Atome zu verstehen – wie sie aufgebaut sind und wie sie aufeinander einwirken – kann fast alles erklären, was bei chemischen Reaktionen im Labor und in der Natur passiert.

Chemiker bemühen sich sehr, neue Elemente, die grundlegenden chemischen Stoffe, zu entdecken. Das Periodensystem der Elemente hilft uns, ihre Entdeckungen zu ordnen. Doch es ist nicht nur ein Verzeichnis. Muster im Periodensystem geben uns Hinweise auf das Wesen jedes Elements und wie es sich verhalten könnte, wenn es auf andere Elemente trifft.

Isotope sind nicht nur tödliche Stoffe, die beim Bau von Bomben und zur Vergiftung von Menschen eingesetzt werden. Isotope gibt es von vielen chemischen Elementen, die eine leicht unterschiedliche Zusammensetzung an kleinsten, subatomaren Teilchen haben. Sie kommen in der Luft vor, die wir atmen, ebenso wie im Wasser, das wir trinken. Wir können mit ihnen sogar – vollkommen ungefährlich – Eis sinken lassen.

In der Chemie gibt es Stoffe, die nur Atome eines Elements enthalten, und Stoffe, die aus mehreren Elementen zusammengesetzt sind: Verbindungen. Erst wenn verschiedene Elemente zusammengefügt werden, zeigt sich die außerordentliche Vielfalt der Chemie. Es ist schwer abzuschätzen, wie viele Verbindungen es gibt, und neue Verbindungen werden jedes Jahr hinzuerfunden. Sie haben eine Vielzahl von Anwendungen.

Wie hält Salz zusammen? Warum kocht Wasser bei 100 Grad Celsius? Und, am wichtigsten, warum verhält sich ein Klumpen Metall wie eine Hippie- Kommune? All diese Fragen und noch mehr lassen sich beantworten, wenn wir auf die winzigen, negativ geladenen Elektronen achten, die zwischen den Atomen und um sie herum flitzen.

Wenige Dinge bleiben dauerhaft gleich. Chemiker sprechen von Übergängen zwischen verschiedenen Phasen, doch das ist nur eine spezielle Art, um auszudrücken, dass sich Dinge verändern. Stoffe können verschiedene Formen annehmen, und neben dem Alltäglichen fest, flüssig und gasförmig gibt es noch weitere, eher unübliche Zustandsformen.

Energie ist wie ein übernatürliches Wesen: mächtig, aber jenseits menschlicher Kenntnis. Obwohl wir ihre Wirkungen sehen, zeigt sie uns nie ihre wirkliche Form. Im 19. Jahrhundert legte James Joule die Grundsteine für eines der grundlegenden Gesetze der Naturwissenschaft. Diesem Gesetz unterliegen die Energieveränderungen, die bei allen chemischen Reaktionen vorkommen.

Chemische Reaktionen sind nicht nur die lautstarken Explosionen, mit denen sich in Trickfilmen die Versuchsküchen der Zauberer in Luft auflösen. Sie sind auch alltägliche Vorgänge, die friedlich in den Zellen der Lebewesen ablaufen – auch in uns. Sie finden statt, ohne dass wir es bemerken. Doch eine kräftige, laute Explosion ist auch nicht schlecht!

Manche Reaktionen führen nur in eine Richtung, während andere ständig vor und zurück pendeln. Bei diesen „flexiblen“ Reaktionen gibt ein Gleichgewicht den Ausschlag. Gleichgewichte finden wir überall, in unserem Blut genauso wie im Treibstoffsystem, das die Astronauten von Apollo 11 zur Erde zurückbrachte.

Thermodynamik ist eine Methode, mit der Chemiker die Zukunft vorhersagen. Anhand von ein paar grundlegenden Gesetzen können sie herausfinden, ob eine Reaktion stattfinden wird oder nicht. Wenn es Ihnen schwerfällt, sich für die Thermodynamik zu begeistern, denken Sie daran, dass sie viel über Tee und über das Ende des Universums aussagt.

Wie kommt es, dass wir unsere Salatsoße mit Essig zubereiten, die Soße an den Salat geben und essen können, während Fluor-Antimonsäure die Salatschüssel selbst auffressen würde? Es hängt von einem winzigen Atom ab, das in jeder Säure vorhanden ist, von der Salzsäure in unserem Magen bis hin zu den stärksten Supersäuren der Welt.

Manche Reaktionen kommen ohne Hilfe einfach nicht voran. Sie brauchen einen kleinen Anstoß. Bestimmte Elemente und Verbindungen können diesen Anstoß geben, sie werden „Katalysatoren“ genannt. Bei industriellen Prozessen sind Katalysatoren oft Metalle; durch sie werden die Reaktionen gesteuert. Auch unser Körper benutzt winzige Mengen von Metallen, eingebaut in sogenannte Enzyme, um biologische Vorgänge zu beschleunigen.

Viele alltägliche Reaktionen werden dadurch vorangetrieben, dass Elektronen von einem Molekül zum anderen hin- und hergeschoben werden. Rost und die Photosynthese grüner Pflanzen sind Beispiele für diese Reaktionsart. Doch warum nennen wir sie Redox-Reaktion?

Vom Steinzeitwein zu eingelegtem Gemüse und vom Bier des Altertums zu isländischen Haifisch-Spezialitäten ist die Geschichte der Gärung eng mit der Geschichte menschlicher Ernährung und Trinkgewohnheiten verbunden. Archäologen haben herausgefunden, dass wir Gärungsreaktionen durch Mikroorganismen nutzten, lange bevor wir wussten, dass es Mikroorganismen überhaupt gibt.

Es gab eine Zeit, als Öl nur als Brennstoff in altmodischen Lampen diente. Seither hat sich viel getan – und das Dank Cracken, dem chemischen Prozess, mit dem Kohlenwasserstoffe aus Erdöl in kleinere Stoffe gespalten werden, aus denen nützliche (und belastende) Produkte unserer heutigen Welt werden, von Benzin bis zu Einkaufstaschen.

Wie viele der Produkte, die wir zu Hause tagtäglich benutzen, enthalten synthetische – von Menschen hergestellte – Verbindungen? Vielleicht ist Ihnen bewusst, dass Medikamente und Zusätze in vielen unserer Nahrungsmittel Produkte der chemischen Industrie sind, haben Sie aber auch an Ihre elastische Unterwäsche oder die Füllung Ihres Sofas gedacht?

Einer der wichtigsten Fortschritte des 20. Jahrhunderts war Fritz Habers Entdeckung, wie Ammoniak preiswert hergestellt werden kann. Ammoniak wird benutzt, um Düngemittel zu produzieren, die die Ernährung von Milliarden Menschen sicherstellen. Es ist jedoch auch Grundstoff für Sprengstoffe – eine Tatsache, die bei der Errichtung der ersten großen Produktionsanlage zu Beginn des Ersten Weltkriegs mitspielte.

Zwei Moleküle können fast identisch aussehen und sich dennoch ganz unterschiedlich verhalten. Diese merkwürdige Laune der Chemie kommt von der Chiralität – dem Prinzip, dass manche Moleküle Spiegelbilder haben, sie als rechts- und linkshändige Variante vorkommen. Die Folge ist, dass es bei jeder chiralen Verbindung eine Variante gibt, die ihren Job erledigt, und eine, die etwas ganz anderes tut.

In den letzten Jahrzehnten ist „grüne Chemie“ ein Thema geworden – eine nachhaltigere Art, Chemie im Labor und in der Industrie zu betreiben, die Umweltverschmutzung und Abfälle eindämmen und Reaktionen umweltverträglich planen will. All das begann, als Planierraupen in einen Hinterhof in Quincy, Massachusetts, eindrangen.

Ob es darum geht, das Kaffeepulver von unserem morgendlichen Gebräu zu trennen, den Duft des Jasmins aus den Blüten zu gewinnen oder Heroin aus dem Blut am Schauplatz eines Verbrechens, nur wenige Techniken sind in der Chemie nützlicher als diejenigen, mit denen Stoffe voneinander getrennt werden. Der holländische Begriff für Chemie bedeutet „die Kunst, zu trennen“.

Für die meisten von uns sind Spektren gezackte oder gewellte Diagramme, die im Ergebnisteil von wissenschaftlichen Artikeln stehen. Doch für den kundigen Betrachter enthüllen diese Muster die verworrenen Details der molekularen Strukturen von Verbindungen. Eine der Methoden, die zu derartigen Diagrammen führen, ist auch die Grundlage eines Schlüsselverfahrens der medizinischen Diagnostik – der Magnetresonanztomographie (MRT).

Mit Röntgenstrahlen auf Material zu schießen, klingt fast wie Science-Fiction – insbesondere, wenn dafür Ausrüstung mit Millionenwert eingesetzt wird. Kristallographie bewegt sich klar auf dem Boden der wissenschaftlichen Tatsachen, doch sie ist deshalb nicht weniger eindrucksvoll.

An der Wende zum 19. Jahrhundert wurde die Batterie erfunden, und Chemiker begannen, mit Elektrizität zu experimentieren. Schon bald nutzten sie eine neue Methode namens Elektrolyse, mit der sie Stoffe auseinandernehmen konnten und neue Elemente entdeckten. Die Elektrolyse wurde auch ein Verfahren, mit dem chemische Stoffe wie zum Beispiel Chlor hergestellt werden konnten.

Wir haben vielleicht Hunderte oder Tausende Mikrochips zuhause, von denen jeder einzelne eine ingenieurtechnische Großtat darstellt. Er ist jedoch auch das Ergebnis wichtiger chemischer Fortschritte. Ein Chemiker ätzte die ersten Muster in Silicium-Plättchen. Auch wenn die Halbleiterchips heute wesentlich kleiner sind als vor 50 Jahren, die Chemie des Siliciums ist dieselbe geblieben.

Moleküle sind zu klein, um durch normale Mikroskope gesehen zu werden. Deshalb gibt es auch nur begrenzte Möglichkeiten für die Forscher, sie mit normalen Werkzeugen zu handhaben. Stattdessen können sie die Moleküle umgestalten, sodass sie sich selbst organisieren. Sich selbst organisierende Strukturen könnten eingesetzt werden, um Miniaturgeräte und -maschinen direkt aus den Seiten der Science-Fiction-Bücher zu schaffen.

Die Lab-on-a-Chip-Technologie hat das Potenzial, die Medizin zu verändern. Sie ermöglicht es, vor Ort Tests durchzuführen von Nahrungsmittelver - giftungen bis zum Ebola-Virus, und das ohne Spezialkenntnisse. Es ist jetzt schon möglich, auf einem kleinen Chip, der in die Hosentasche passt, Hunderte von Experimenten gleichzeitig durchzuführen.

Als begeisterter Biologe und Vogelkundler schien Martin Karplus ein unwahrscheinlicher Kandidat für den Titel „Vater der computergestützten Chemie“. Er glaubte jedoch daran, dass die theoretische Chemie die Grundlage bieten könnte, das Leben selbst zu verstehen, und hatte recht damit – allerdings musste er zunächst mit einem fünf Tonnen schweren Computer zurechtkommen.

Kohlenstoff ist das Element, das in Form von Kohlendioxid für den Klimawandel verantwortlich gemacht wird. Doch es ist auch die Grundlage für das Leben auf der Erde – alles, was lebt und je gelebt hat, besteht aus kohlenstoffhaltigen Molekülen. Wie kann ein kleines Atom sich auf jedem Fleckchen der Erde einschleichen? Und wie können zwei Verbindungen, die ausschließlich aus Kohlenstoff bestehen, völlig unterschiedlich sein?

Sie würden nicht erwarten, dass Wasser allzu viele Geheimnisse hat – wir können direkt hindurchschauen –, doch Wasser hat verborgene Tiefen. Wenn Kohlenstoff-Verbindungen Grundlage des Lebens sind, dann ist Wasser das Umfeld, in dem es blüht und gedeiht. Doch trotz jahrzehntelanger Erforschung seiner Struktur lässt sich noch immer nicht für jede Situation vorhersagen, wie Wasser sich verhält – oder warum.

Die Ursprünge des Lebens auf der Erde haben Wissenschaftler und Philosophen von jeher beschäftigt, lange vor Charles Darwin oder den heutigen Chemikern. Jeder möchte wissen, wie das Leben begann, doch ehrlich gesagt lässt sich diese Frage kaum eindeutig beantworten. Für all das Grübeln gibt es jedoch einen Anknüpfungspunkt: Wir können die Grundbedingungen suchen, die erfüllt sein müssen, um künstliches Leben im Reagenzglas hervorzubringen.

Die Leere des Weltraums könnte darauf hindeuten, dass da draußen nicht viel los ist. Doch da draußen gibt es mehr als genug, um Chemiker, die sich für den Ursprung des Lebens interessieren, in Atem zu halten, von außerirdischem Leben ganz zu schweigen. Von Offensichtlichem wie Wasser auf dem Mars einmal abgesehen – was suchen sie alle?

Proteine sollen angeblich einen guten Teil der Nährstoffe ausmachen, die wir täglich zu uns nehmen. Doch warum ist das so? Was machen Proteine in unserem Körper? Tatsächlich tun sie viel mehr, als wir vermuten. Proteine sind die Vielzweck-Moleküle der Zelle – es gibt sie in einer unvorstellbaren Zahl unterschiedlicher Formen, und jedes einzelne ist in einzigartiger Weise für seine Aufgabe geeignet.

Als biologische Katalysatoren steuern Enzyme Reaktionen, dazu gehören Stoffwechselprozesse in unserem Körper genauso wie die Reaktionen, mit denen sich Viren in unseren Zellen vervielfältigen. Zwei Modelle der Enzymaktivität haben unsere Vorstellungen darüber, wie Enzyme arbeiten, im letzten Jahrhundert geprägt. Beide versuchen zu erklären, warum jedes Enzym spezifisch für die Reaktion ist, die es katalysiert.

Zucker sind die Brennstoffe der Natur. Zusammen mit Proteinen und Enzymen gehören sie zu den wichtigsten Biomolekülen. Zucker geben unseren Muskeln die Energie, um sich zu bewegen, und unseren Hirnen die Energie, um zu denken. Doch sie lassen uns auch dick werden und ermöglichen es Viren, in unsere Zellen einzudringen.

James Watson und Francis Crick werden oft als die Hauptdarsteller in der Geschichte der DNA bezeichnet. Wir sollten jedoch nicht vergessen, dass die frühe Forschung zu den chemischen Bestandteilen der Zellen zum Teil entscheidend war für die Entdeckung des genetischen Materials – und vielleicht sogar interessanter.

Viele der chemischen Verbindungen, die wir täglich nutzen, von lebensrettenden Antibiotika bis zu den Farbstoffen unserer Kleidung, haben wir anderen Lebewesen abgeschaut. Die Verbindungen können wir direkt von diesen Lebewesen gewinnen. Wenn wir jedoch ihre Biosynthesewege herausfinden, können wir sie im Labor selbst herstellen, durch chemische Reaktionen oder mithilfe von anderen Organismen wie Hefen.

Als die Pflanzen begannen, Energie aus Licht zu gewinnen, verfielen sie auf einen raffinierten Trick. Die Photosynthese ist nicht nur der Ursprung der Energie, die wir über unsere Nahrungsmittel zu uns nehmen, sie ist auch der Ursprung des lebensnotwendigen Moleküls in der Atemluft: Sauerstoff.

Wir Menschen haben die Sprache entwickelt, um miteinander zu kommunizieren. Doch lange bevor wir sprechen konnten, haben unsere Zellen schon miteinander kommuniziert. Sie schicken Botschaften von einem Teil unseres Körpers in einen anderen und sie übermitteln die Nervenimpulse, die es uns erst ermöglichen, uns zu bewegen und nachzudenken. Wie machen sie das?

Das Automobil hat uns die Freiheit gegeben, zu leben und zu arbeiten, wie es uns gefällt. Wo wären wir heute ohne Öl und die chemischen Fortschritte bei der Erdölaufarbeitung, die zu den Kraftstoffen geführt haben? Doch Kraftstoffe sind auch die Brennstoffe, die vielleicht am allermeisten zum Klimawandel und der Verschmutzung der Atmosphäre beigetragen haben.

Wie haben wir es vor der Erfindung der Kunststoffe nur geschafft, zurechtzukommen? Worin haben wir unsere Einkäufe nach Hause getragen? Woraus haben wir Kartoffelchips gefischt? Woraus war alles gemacht? Es ist kaum vorstellbar, dass diese Zeit noch gar nicht lange her ist.

Jahrelang galten CFKWs (Chlorfluorkohlenwasserstoffe, früher FCKWs) als sichere Alternative zu den giftigen Gasen, die früher als Kältemittel in Kühlschränken benutzt wurden. Es gab nur ein Problem: Sie zerstören die Ozonschicht der Atmosphäre. Bis dieses Problem vollständig erkannt und anerkannt war, hatte das Loch in der Ozonschicht die Größe eines Kontinents erreicht. Der Einsatz von CFKWs wurde schließlich 1987 verboten.

Warum nur ein Material benutzen, wenn zwei besser sind? Die Kombination verschiedener Stoffe kann Hybridmaterialien mit außerordentlichen Eigenschaften schaffen, zum Beispiel mit der Fähigkeit, Temperaturen bis zu mehreren Tausend Grad Celsius auszuhalten oder den Aufprall eines Geschosses abzufedern. Weiterentwickelte Verbundwerkstoffe schützen Astronauten, Soldaten, Polizeikräfte und sogar Ihr empfindliches Smartphone.

Die meisten der heutigen Sonnenkollektoren wurden aus Silicium hergestellt, in vielen von ihnen sind Verbundwerkstoffe verarbeitet. Doch Wissenschaftler arbeiten daran, das zu ändern. Sie suchen nach preiswerteren und sozusagen „durchsichtigeren“ Grundstoffen. Noch besser wären durchsichtige Solarzellen, die wir selbst als Spray auf unsere Fenster aufbringen können. Stellen Sie sich vor, Sie könnten Ihre Heizung über die Fenster betreiben!

Wie gehen Chemiker vor, um einen Arzneistoff herzustellen? Woher kommt die Idee, und wie wird sie zu einer wirksamen Verbindung oder Mischung umgesetzt? Viele Produkte der pharmazeutischen Industrie haben natürliche Verbindungen zum Vorbild, andere sind „Treffer“, die erzielt werden, wenn Tausende oder Millionen verschiedener Verbindungen daraufhin getestet werden, ob sie die gewünschte Wirkung erzielen.

Vor nur wenigen Jahrzehnten kam einer der großen Wissenschaftler des 20. Jahrhunderts auf verrückte Ideen über molekulare Manipulation und Miniaturmaschinen. Im Nachhinein scheinen seine Ideen nicht einmal mehr halb so verrückt – sie wirken wie genaue Vorhersagen über das, was uns die Nanotechnologie zu bieten hat.

Wer hätte gedacht, dass ein Stückchen Graphit, wie es in unseren Bleistiftminen steckt, ein Supermaterial enthält, das so stark, so dünn, so flexibel und so gut elektrisch leitend ist, dass es sich mit keinem anderen Material auf unserem Planeten vergleichen lässt? Wer hätte gedacht, dass es so einfach aus dem Graphit herauszubekommen ist? Und wer hätte gedacht, dass dieses Material unsere Mobiltelefone so nachhaltig verändern würde?

Druck scheint auf den ersten Blick kein Thema, für das wir uns begeistern müssten. Doch dann würden wir die außerordentlichen Möglichkeiten vernachlässigen, die 3D-Druck bietet. Von Autos aus Kunststoff bis hin zu künstlichen Ohren aus Hydrogelen – es gibt kaum Grenzen, die die Möglichkeiten dieser Technologie einschränken. Raumfahrtingenieure drucken sogar Metallteile für Raketen und Flugzeuge.

Wie lässt sich eine riesige Menge an Leistung aus etwas erhalten, das hauchzart wirkt? Denken Sie an die mageren Radsportler, die während der Tour de France französische Berge erklettern. Das Geheimnis liegt im Leistungs-Gewichts-Verhältnis, doch wie lässt sich das künstlich erreichen? Die Forschung an künstlichen Muskeln erzielt bereits noch eindrucksvollere Ergebnisse.

Die Fortschritte bei der chemischen Synthese von DNA ermöglichen es Wissenschaftlern, ganze Genome nach eigenen Entwürfen zusammenzubauen und Organismen zu erschaffen, die in der Natur nicht vorkommen. Das klingt ehrgeizig. Eines Tages könnte es jedoch so einfach sein, Organismen von Grund auf neu zu erschaffen, wie Bauklötze zusammenzustecken.

Was wird geschehen, wenn die Vorräte an fossilen Brennstoffen zu Ende gehen? Werden wir alle Energie über Sonnenkollektoren und Windräder gewinnen müssen? Nicht unbedingt. Chemiker beschäftigen sich mit neuen Methoden, Brennstoffe zu gewinnen, die die Atmosphäre nicht mit Kohlendioxid belasten. Der knifflige Teil besteht darin, diese Brennstoffe herzustellen, ohne noch mehr kostbare Rohstoffe zu verbrauchen.