Physikalische Chemie für Einsteiger

Quantifizieren und Messen ist seit jeher die Voraussetzung für Handel, Technik und Wissenschaft. Schon im Altertum gab es einen intensiven Handel mit Waren. Es galt, Tuchlängen und Getreidemengen zu messen und zu bewerten. Die ersten Maßeinheiten benutzten den menschlichen Körper als Referenzgröße. So war die klassische Längeneinheit die Elle, der Abstand von Ellenbogen bis zu den Fingerspitzen. Diese Einheit war europaweit verbreitet und wurde in unseren Regionen bis ca. 1870 verwendet. Zwar war die Bezeichnung Elle in den Ländern und Regionen gleich, allerdings variierte deren Länge enorm, beispielsweise 55,4 cm für eine Bremer (◘ Abb. 1.1) und 81,1 cm für eine Regensburger Elle.

Ein Modell ist eine vereinfachte Abstraktion der Realität, eine idealisierte Theorie, mit der experimentelle Befunde erklärt werden können. So können beispielsweise mit dem Teilchenmodell physikalische Phänomene wie die Brown’sche Molekularbewegung, die Aggregatzustände von Materie, Temperatur etc. anschaulich erklärt werden.

Edelgase, die allesamt erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt wurden, gehen so gut wie keine chemischen Verbindungen ein. Nur die schweren Edelgase Krypton, Xenon und Radon reagieren mit dem extrem reaktiven Fluor. Da chemische Reaktionen in der Sphäre der Valenzelektronen ablaufen, lohnt es sich, die Elektronenkonfiguration der Edelgase genauer zu betrachten. Alle Edelgase weisen ausschließlich voll besetzte Elektronenschalen auf. Helium (Z = 2) hat zwei Elektronen im 1s-Orbital der ersten Hauptschale (1s²), die zugleich die Außenschale ist. Damit ist die erste Schale voll besetzt. Das nächste Edelgas Neon (Z = 10, n = 2) hat acht Elektronen in der Valenzschale (2s²2p⁶), wodurch diese ebenfalls voll besetzt ist. Analog dazu weist Argon mit der Elektronenkonfiguration 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ ebenfalls nur voll besetzte Schalen (n = 3) auf.

Die Stöchiometrie (stocheion, griech. für Grundstoff, und metron, griech. für Maß) ist das mathematische Grundgerüst zur Berechnung quantitativer Beziehungen basierend auf chemischen Reaktionsgleichungen. Sie befasst sich mit der mengenmäßigen Zusammensetzung chemischer Verbindungen und den Stoffmengenverhältnissen von Ausgangsstoffen (Edukten) und Produkten chemischer Reaktionen. Ausgangsstoffe im stöchiometrischen Verhältnis einzusetzen, bedeutet, sie gemäß der zugrunde liegenden chemischen Reaktionsgleichung im exakt richtigen Stoffmengenverhältnis zur Reaktion zu bringen.

Der Stoffbegriff im chemischen Sinne findet im Alltag breite Verwendung. So sind beispielsweise Elemente wie Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff Grundbausteine der uns umgebenden Materie einschließlich der belebten Natur. Kunststoffe, Treibstoffe, Arzneistoffe, Rohstoffe, Farbstoffe etc. finden vielfältige Anwendungen und sind schlichtweg aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Als Stoffwechsel bezeichnet man die Gesamtheit aller biochemischen Abläufe in lebendigen Organismen.

Die frühen Seefahrer verstanden sich auf die Kunst der astronomischen Navigation. Mithilfe eines Sextanten und der Gestirne bestimmten sie ihre Position. Ein gravierender Nachteil der astronomischen Navigation ist, dass sie nur bei freier Sicht oder wenigstens teilweise freiem Himmel möglich ist. Als arabische Seefahrer im 12. Jahrhundert die Kompassnadel (◘ Abb. 6.1) aus China nach Europa brachten, stellte dies eine große Erleichterung für die Seefahrt dar. Eine frei drehbar gelagerte Magnetnadel richtet sich im Erdmagnetfeld stets in Nord-Süd-Richtung aus. Dadurch kann man unabhängig vom Wetter seinen Standort bestimmen. Erst im 21. Jahrhundert wurde der Kompass teilweise durch die satellitenbasierte GPS-Technologie abgelöst.

Chemiker beschäftigen sich mit chemischen Stoffen. Synonyme Begriffe sind Substanzen und Materie. Generell wird zwischen Reinstoffen und Stoffgemischen unterschieden (◘ Abb. 7.1).

Bereits im 17. Jahrhundert entbrannte ein grundlegender Streit über die Natur des Lichts. Huygens (1629–1695) sprach Licht Wellencharakter zu, während Newton Licht als einen Strom schnell fliegender Teilchen betrachtete. Letztendlich setzte sich Newton aufgrund seiner wissenschaftlichen Autorität durch. Doch im Laufe der Zeit häuften sich empirische Phänomene wie Beugung, Polarisation und Interferenz, die sich nur mit einem Wellencharakter des Lichts erklären lassen. Andererseits entdeckten Planck und Einstein zu Beginn des 20. Jahrhunderts Phänomene wie den photoelektrischen Effekt, die nur mit einem Teilchencharakter des Lichts verständlich sind. Es war Planck und Einstein vorbehalten, den dualen Charakter des Lichts zu erkennen (◘ Abb. 8.1).

Physikalische Größen kann man in Skalare und Vektoren einteilen. Skalare Größen wie beispielsweise die molare Masse von Molekülen, die elektrische Ladung von Ionen, die innere Energie eines thermodynamischen Systems, ... sind ungerichtet, haben keine räumliche Vorzugsrichtung und können einzig und allein durch einen Zahlenwert meist kombiniert mit einer Maßeinheit beschrieben werden (► Abschn. 1.​1). Vektoren dagegen weisen neben einem Zahlenwert, der für die Vektrolänge (Betrag) steht, noch eine Richtungsangabe auf (Abb. 9.1). Mit Vektoren lassen sich Kräfte, Geschwindigkeit und Bewegung von Teilchen, räumliche Strukturen von Molekülen usw. beschreiben. 

Die chemische Thermodynamik (Wärmelehre) beschäftigt sich mit den Gesetzmäßigkeiten der Energieumwandlung bei chemischen Reaktionen. Da bei chemischen Reaktionen die Reaktionswärme eine entscheidende Rolle spielt, ist es das vorrangige Ziel der chemischen Thermodynamik, quantitative Zusammenhänge zwischen Stoff- und Wärmeumsatz herzustellen.

Der Energieerhaltungssatz besagt, dass Energie weder vernichtet noch erzeugt, sondern nur in andere Formen umgewandelt werden kann. Energieumwandlung erfolgt unter der Bedingung der Energieerhaltung (Kap. 11. Hauptsatz der Thermodynamik) undgeht einher mit einer zunehmenden Verteilung der Energie, was als Entropie bezeichnet wird (Kap. 12, 2. Hauptsatz der Thermodynamik). Obwohl dieses grundlegende Prinzip der Physik nach einigem Nachdenken einleuchtet, etablierte sich der Energieerhaltungssatz erst Mitte des 19. Jahrhunderts.

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Dennoch setzt der Stromversorger den „verbrauchten“ Strom in Rechnung. Ein beispiel, wenn wir mit einem elektrischen Radiator einen Raum beheizen, geht zwar keine Energie verloren, aber elektrische Eenergie wird in Wärmeenergie umgewandelt, die den Raum, die Wände und die Bewohner erwärmt. Die Wärmeenergie verteilt sich gleichmäßig in der Umgebung, sodass dieser Teil der Energie nicht mehr für weitere Umwandlungen genutzt werden kann.

Es ist Alltagserfahrung, dass chemische Reaktionen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ablaufen. Während manche Nahrungsmittel über Tage oder Wochen hinweg gelagert werden können, erfolgt beispielsweise die Verbrennung von Benzin in extrem kurzer Zeit (◘ Abb. 13.1). Zudem ist allgemein bekannt, dass chemische Reaktionen bei niedrigeren Temperaturen langsamer verlaufen. Aus gutem Grund lagern wir Milch und Fleisch in Kühlschränken bzw. Gefriertruhen.

Bisher haben wir ausschließlich Reaktionen betrachtet, die über eine einzige Geschwindigkeitskonstante k beschrieben werden können, sogenannte einfache Reaktionen (A → B).

Bevor wir auf elektrochemische Prozesse näher eingehen, wollen wir die elementaren Grundgrößen des elektrischen Stroms und die wesentlichen Charakteristika von Elektrolyten und Redoxgleichungen kennen lernen.

In Elektrolytlösungen dienen frei bewegliche Ionen als Ladungsträger. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen starken und schwachen Elektrolyten. Während starke Elektrolyten über den gesamten Konzentrationsbereich vollständig in ihre Ionen dissoziieren (α = 1), ist der Dissoziationsgrad schwacher Elektrolyten deutlich kleiner und häng von der Konzentration der Elektrolytlösung ab (α << 1).

1791 beobachtete der italienische Arzt Galvani, dass die Muskulatur von Froschschenkeln zusammenzuckt, wenn diese mit unterschiedlichen Metallen in Berührung kommen.

Während in galvanischen Zellen durch spontan ablaufende Redoxreaktionen elektrische Energie erzeugt wird, erzwingt man in Elektrolysezellen mithilfe des elektrischen Stroms gezielt chemische Reaktionen. Die Elektrolyse kann somit als Umkehrung galvanischer Prozesse erstanden werden.

Methoden der analytischen Chemie geben Antworten zu folgenden Fragenkomplexen:

Spektroskopische Analyseverfahren nutzen elektromagnetische Strahlung, um die Eigenschaften und die Struktur von Materie zu untersuchen.

Wasserstoff als einfachstes Element besteht aus einem Proton im Kern und einem Elektron auf der innersten Schale mit der Hauptquantenzahl n = 1. Höhere Elektronenschalen des Wasserstoffatoms (n = 2, 3, …) sind im Grundzustand, d. h. im energieärmsten Zustand des Atoms, nicht mit Elektronen besetzt.