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2017 | Buch

Faszinierende Chemie

Eine Entdeckungsreise vom Ursprung der Elemente bis zur modernen Chemie

verfasst von: Sylvia Feil, Jörg Resag, Kristin Riebe

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

In diesem Buch wird die Welt der Chemie farbenfroh und verständlich präsentiert − von den Grundlagen chemischer Prozesse über die Entstehung der Elemente bis zur Biochemie, der industriellen Chemie und der Chemie der Zukunft. Auf jeweils einer Doppelseite wird dem Leser mit vielen Bildern ein kompakter und klarer Einstieg in eines von insgesamt über 140 spannenden Themen geboten.

Weshalb leuchten Glühwürmchen? Wie stellt man aus Spinnenseide Biotinte her? Wächst Aspirin auf Bäumen? Wieso gibt es so viel Sand in der Wüste? Was sind flüssige Salze? Was entdeckten die Alchemisten? Wieso macht Kaffee wach? Die Autoren greifen vielfältige Themen auf und erklären diese anschaulich und allgemein verständlich. Eindrucksvolle Abbildungen helfen dabei, chemische Zusammenhänge zu erkennen, Kristalle zu entdecken oder Moleküle sichtbar zu machen.

Faszinierende Chemie nimmt Sie mit auf eine Entdeckungsreise in die wunderbare Welt dieser beeindruckenden Wissenschaft. Ein Buch zum Schmökern, Querlesen, Durchblättern und Genießen!

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Die Basis der Chemie
Zusammenfassung
Was geschieht, wenn sich Atome zu Molekülen verbinden? Woher wissen wir eigentlich, dass es Atome gibt? Was gibt Atomen ihre Eigenschaften und wie sehen sie in ihrem Inneren aus? Das sind die Grundfragen, mit denen sich das erste Kapitel dieses Buchs beschäftigt.
Bereits im antiken Griechenland vermuteten die Menschen, dass Materie aus kleinsten Bausteinen – den Atomen – besteht. Aber erst im frühen 20. Jahrhundert gelang es der Chemie und der Physik, die atomare Struktur der Materie offenzulegen und den inneren Aufbau der Atome zu entschlüsseln: Ein winziger massiver Atomkern bildet das Zentrum jedes Atoms, in dessen elektrischem Feld sich stehende Quantenwellen aus Elektronen ausbilden.
Viele der empirischen Erkenntnisse der Vergangenheit lassen sich so endlich verstehen: Jedes chemische Element hat einen festen Platz im Periodensystem, festgelegt durch die Zahl der Protonen in seinem Atomkern. Aus der Balance der Protonen und Neutronen im Atomkern ergibt sich, ob Atome stabil sind oder radioaktiv zerfallen. Die Elektronenwellen der Atomhülle legen wiederum das chemische Verhalten der Atome fest, wobei der zufällige Tanz der Atome und Moleküle eine chemische Reaktion vorantreibt – der Begriff der Entropie spielt daher eine wichtige Rolle. Katalysatoren können hier den Teilchen helfen, energetische Hürden zu überwinden.
Um das vielfältige Verhalten der Atome und Moleküle zu erfassen, haben sich in der Chemie viele Begriffe und Schreibweisen herausgebildet: praktische Formelschreibweisen für Reaktionen, anschauliche Darstellungsmöglichkeiten für Moleküle, quantitative Begriffe wie der pH-Wert sowie Faustregeln wie die Oktettregel. All dies und noch mehr behandelt dieses Kapitel.
Sylvia Feil, Jörg Resag, Kristin Riebe
2. Vom Urknall zu den Elementen
Zusammenfassung
Wie sind die chemischen Elemente entstanden, die wir heute im Universum vorfinden? Lassen sich ihre sehr unterschiedlichen Häufigkeiten erklären?
Heute sind wir in der Lage, diese Fragen naturwissenschaftlich zu beantworten: Alle Atome entstanden aus den Protonen, Neutronen und Elektronen, die sich vor 13,8 Milliarden Jahren aus der Energie des Urknalls materialisierten. Dabei funktionierte das Universum in seinen ersten Lebensminuten wie ein Fusionsofen, in dem sich die vorhandenen Neutronen mit einem Teil der Protonen zu Heliumkernen vereinten. Wasserstoff und Helium sind auch heute noch die bei weitem häufigsten Elemente im Universum.
Alle anderen Elemente konnten erst Jahrmillionen später im Kernbrennofen der Sterne entstehen. Unsere Erde und auch wir selbst bestehen zum großen Teil aus der nuklearen Asche längst vergangener Sterngenerationen. Ohne diese ausgebrannten Sterne der Vergangenheit wäre die Chemie eine ziemlich langweilige Angelegenheit.
Die Atome der verschiedenen Elemente finden sich heute an vielen Orten im Universum: In Sternen und Planeten ebenso wie in den Gaswolken zwischen den Sternen, in denen sogar komplexe Moleküle entstehen können. Einige von ihnen könnten eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben.
Sylvia Feil, Jörg Resag, Kristin Riebe
3. Chemie der Erde und der Planeten
Zusammenfassung
Sauerstoff, Eisen, Silicium und Magnesium sind die wichtigsten Elemente, aus denen unsere Erde besteht. Während sich das schwere Eisen zum großen Teil in den Tiefen des Erdkerns unseren Blicken entzieht, bilden die Elemente des Erdmantels und der Erdkruste Tausende verschiedene Minerale, die sich wiederum in Form winziger Kristalle zu ganz unterschiedlichen Gesteinen vereinen. Die Kräfte der Plattentektonik und der Erosion verändern dabei ständig das Gesicht der Erde, schmelzen alte Gesteine ein und lassen neue Gesteine entstehen. Unsere Erde ist geologisch ein sehr aktiver Planet, ganz anders als beispielsweise unser Mond. Und die Erde ist etwas ganz Besonderes: Sie ist der einzige bekannte Planet, auf dessen Oberfläche es flüssiges Wasser und Leben gibt.
Wie viele Minerale gibt es eigentlich, welches sind die Wichtigsten, wie entstehen sie und wie verschwinden sie wieder? Warum gibt es in der Wüste so viel Sand? Was geschieht mit Materie, wenn sie im Inneren von Planeten oder bei Meteoriteneinschlägen unter enormen Druck gerät? Wo ist das Kohlendioxid unserer Erde geblieben – unser Schwesterplanet Venus enthält jede Menge davon in seiner Atmosphäre. Wie alt sind die ältesten Minerale und Gesteine und was verraten sie uns über die Geschichte unserer Erde? Woher stammt das Salz der Ozeane? Wie entstehen Bodenschätze wie Erdöl oder Kohle? Und warum sehen andere Welten wie die Monde Io und Titan so ganz anders aus als die Erde?
Das sind einige der Fragen, mit denen sich Geologie, Geochemie und Planetologie beschäftigen und die wir uns in diesem Kapitel näher anschauen wollen.
Sylvia Feil, Jörg Resag, Kristin Riebe
4. Entstehung des Lebens
Zusammenfassung
Was ist Leben? Für Biologen zeichnet sich ein lebendes Wesen durch einen Stoffwechsel und Fortpflanzung aus. Der Physiker Erwin Schrödinger ging diese Frage aus thermodynamischer Sicht an und definierte Leben als etwas, das seine eigene Entropie niedrig hält. Chemiker untersuchen wiederum die Selbstorganisation der Moleküle in einer lebenden Zelle. Wann aber beginnt Leben? Etwa schon, wenn sich Moleküle zu einer umhüllenden Membran aneinanderlagern? Oder erst, wenn Merkmale und Informationen durch Makromoleküle gespeichert und vererbt werden?
Bei ihrer Suche nach außerirdischem Leben stellt sich der NASA die Frage: Wie kann man es überhaupt erkennen? Die Wissenschaftler orientieren sich z. B. an der Definition von Noam Lahav, der in seinem Buch Biogenesis (1999) schrieb, Leben sei „ein sich selbst erhaltendes chemisches System, das eine (…) Evolution erfahren kann“. Damit sind wichtige Aspekte umrissen, ohne auf die irdische Biologie einzuengen: Ein Stoffwechsel und Energieaufnahme sorgen für den Selbsterhalt, Energieträger sind chemische Verbindungen und das Potenzial zu einer Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen wird durch eine Evolution im Sinne Darwins möglich.
Wer nach dem Ursprung des Lebens sucht, dem stellen sich viele Fragen: Warum ist Wasser so wichtig für das Leben und seine Entstehung? Wie können sich erste Zellen gebildet haben? Wo herrschten die besten Randbedingungen, um Moleküle zu entwickeln, die einen Stoffwechsel aufbauen und steuern können? Woher nehmen Lebewesen die Energie für ihren Stoffwechsel? Wieso lagern sich Moleküle überhaupt geordnet zusammen? Seit wann gibt es überhaupt Leben auf der Erde und welche Spuren hat es hinterlassen? Diesen Fragestellungen wollen wir im vorliegenden Kapitel nachgehen.
Sylvia Feil, Jörg Resag, Kristin Riebe
5. Biochemie
Zusammenfassung
Lebende Zellen beherrschen die Tricks und Kniffe der Chemie mit einer Meisterschaft, die uns Menschen bis heute in Erstaunen versetzt. Zellen benötigen die unterschiedlichsten Moleküle, um eine Vielzahl von Aufgaben zu erfüllen und so ihre Lebensprozesse in Gang zu halten. Diese Prozesse müssen die Zellen in die Lage versetzen, sich von ihrer Umwelt abzugrenzen, Energiequellen und andere Ressourcen anzuzapfen, sich vor Gefahren zu schützen, sich fortzupflanzen, miteinander zu kommunizieren und vieles mehr.
Um die Bausteine des Lebens – Proteine, Fette, Zucker und andere Moleküle – je nach Bedarf herzustellen oder abzubauen, verfügt eine Zelle über ein großes Arsenal komplexer Nanomaschinen: Sie verbinden oder spalten Moleküle, pumpen Protonen und andere Ionen durch Membranen, transportieren Moleküle durch die Zelle, reichen Elektronen weiter und fangen sogar die Photonen des Lichts ein. Dabei spielen auch anorganische Stoffe wie gelöste Natrium-, Kalium- oder Eisenionen eine wichtige Rolle.
Zellen allein sind schon sehr komplex. Noch komplizierter wird es, wenn sie zusammenarbeiten und Organismen aus Billionen Zellen bilden – zum Beispiel uns selbst. Auch hier spielt die Chemie in vielfältiger Weise eine wichtige Rolle: Zellen kommunizieren über Botenstoffe miteinander, wobei Drogen und Gifte diese Kommunikation gefährlich durcheinanderbringen können. Pflanzen locken mit Duftstoffen Insekten an oder setzen sich mit Alkaloiden gegen Fressfeinde zur Wehr. Und manche Lebewesen erzeugen auf chemischem Weg sogar Licht.
Streifen Sie in diesem Kapitel mit uns durch die komplexe Welt der Biochemie und lernen Sie die Vielfalt der Moleküle und Prozesse kennen, die die Evolution im Lauf von über drei Milliarden Jahren hervorgebracht hat.
Sylvia Feil, Jörg Resag, Kristin Riebe
6. Chemie in der Menschheitsgeschichte
Zusammenfassung
Schon lange bevor Universitäten gegründet wurden, beschäftigten sich Gelehrte und Heiler mit der Umwandlung von Stoffen. Als unsere Vorfahren begannen, das Feuer zu nutzen, gingen sie damit nicht nur einen ersten Schritt in Richtung Zivilisation, sondern begannen auch, systematisch Stoffe nach ihren Bedürfnissen zu verändern. Ob in Asien, Ägypten oder später im hohen Norden: Überall wurden Stoffe aus der Natur isoliert und technisch weiterverarbeitet.
Es gibt Zeugnisse dafür, wie in einfachen Brennöfen aus Erzen Metalle gewonnen wurden. Vielleicht wurden dabei durch Zufall auch Veränderungen von tonhaltigen Erden beobachtet – jedenfalls entstand auch die Keramik durch Erhitzen. Weniger der Zufall, vielmehr genaue Beobachtung und mündliche Überlieferung waren über Jahrtausende die Quellen für die Heilkunst, bevor das tradierte Wissen durch die Alchemisten auch schriftlich weitergegeben wurde. Jagdgifte sind pharmazeutisch gesehen ausgeklügelte Substanzen, die Urvölker dagegen gewannen sie durch einfaches Reinigen und Konzentrieren von Naturstoffen und erhöhten so deren Wirksamkeit. Selbst die Biotechnologie ist eine alte Entdeckung, denn ohne sie wäre die Alkohol- und Essigherstellung nicht möglich gewesen.
Schließlich entwickelten sich aus den Verfahren auch Berufsstände wie Seifensieder, Gerber und Bierbrauer. Die Erfindung des Schwarzpulvers bereitete dem Bergbau den Weg. Andere Verfahren sollten den Dampfmaschinen Brennstoff liefern und damit zum Voranschreiten der industriellen Revolution beitragen. Kommen Sie mit auf einen Streifzug durch die erstaunlich entwickelte Frühzeit der Menschheitsgeschichte bis hin zu den Universalgenies, die noch das Wissen von der Medizin bis zum Bergbau vereinten.
Sylvia Feil, Jörg Resag, Kristin Riebe
7. Chemie der Moderne
Zusammenfassung
Zu Beginn dieses Kapitels steht Stickstoff im Fokus. Fritz Haber und Carl Bosch gelang es einst, dieses Gas mit einem der heute weltweit bedeutendsten Verfahren aus der Luft zu gewinnen und in biologisch verwertbaren Verbindungen zu fixieren. Damit stand Stickstoff für Kunstdünger zur Verfügung, aber auch für Sprengstoffe wie Dynamit.
Es schließt sich ein Streifzug durch die Welt der Metalle an – von ihrer Gewinnung bis zu ihrer Anwendung, von Schwermetallen bis zum Leichtmetall Aluminium, von besonders wertvollen Metallen wie Tantal bis zu ihrem Schutz vor Korrosion. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Lebensmittelchemie. Wie werden Lebensmittel vor Keimen geschützt? Was geschieht beim Anrösten? Warum riecht Kaffee so gut?
Viele weitere Themenfelder werden entscheidend von der Chemie geprägt. Einen kurzen Einblick in den Energiesektor gibt Methan. Wie kann eine Methanolwirtschaft aussehen? Welche Einsatzfelder gibt es für Silicium und seine Verbindungen wie das Katalysatormaterial Zeolith? Auch auf Phänomene wie die Lumineszenz oder den Lotuseffekt gehen wir hier ein.
Diese Themen zeigen schon, dass Chemie eine Grundlagenwissenschaft ist, die in zahlreichen Prozessen angewandt wird. Entdecken Sie in diesem Kapitel die Vielfalt der modernen Chemie!
Sylvia Feil, Jörg Resag, Kristin Riebe
8. Chemischer Ausblick
Zusammenfassung
Wie wird unsere Welt in zehn, zwanzig oder hundert Jahren aussehen? Viele der aktuellen Forschungsergebnisse werden noch Jahrzehnte benötigen, bis sie sich als neue Werkstoffe und Methoden bewähren. In anderen Fällen steckt dagegen selbst die Forschung noch in den Kinderschuhen.
Der Nobelpreisträger Peter Agre (geb. 1949) motiviert Studierende, immer weiter zu experimentieren und die Ergebnisse mit Forschern anderer Fachrichtungen zu diskutieren. Auf einer Konferenz für Nachwuchswissenschaftler feuerte Agre im Jahr 2014 in Norwegen die jungen Forscher an: „Du weißt nie, ob dies der Tag ist, an dem du das entscheidende Experiment machst!“ Diese Begeisterung dafür, Rätseln auf den Grund zu gehen, lassen Forscherinnen und Forscher Materialien wie Graphen entwickeln, für die es zunächst noch keine Anwendung gibt, mit denen man aber womöglich eines fernen Tages sogar einen Fahrstuhl bis hinauf in den Weltraum bauen könnte. Aerogel ist ein anderes Beispiel für einen Werkstoff, der zunehmend erste Schritte aus der Exotenecke heraus unternimmt.
Die Fluoreszenzmikroskopie könnte sich als Katalysator für neue Entdeckungen erweisen, denn mit ihr lässt sich das Auflösungsvermögen von Lichtmikroskopen enorm steigern. Eine simple Frage führte zum einfachsten und zuverlässigsten Werkzeug der Gentechnik, das bis jetzt entwickelt wurde: Wenn Bakterien Gene schneiden können, kann man das nicht auch in der Gentechnik nutzen?
Dieses Kapitel vereint sehr unterschiedliche Themen und fordert die Neugier heraus, um vom Weltall bis in mikroskopisch kleine Welten einzutauchen.
Sylvia Feil, Jörg Resag, Kristin Riebe
Backmatter
Metadaten
Titel
Faszinierende Chemie
verfasst von
Sylvia Feil
Jörg Resag
Kristin Riebe
Copyright-Jahr
2017
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-49920-7
Print ISBN
978-3-662-49919-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-49920-7

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.