Chemie

Die Chemie, eine exakte Naturwissenschaft, ist die Lehre vom Aufbau und Verhalten der Materie sowie den dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten.

Sie entstand in ihrer heutigen Form im 17.-18. Jahrhundert allmählich aus der Anwendung rationalen Denkens auf Beobachtungen und Experimente der Alchemie. Einige der ersten großen Chemiker waren Robert Boyle, Jöns Jacob Berzelius, Joseph Louis Gay-Lussac, Marie und Antoine Lavoisier und Justus von Liebig.

Was ist Chemie?

Stoff und Stoffumsetzung

Chemie ist die Wissenschaft von den Stoffen (Substanzen) und den Stoffumsetzungen (chemischen Reaktionen). Sie beschäftigt sich damit, die uns umgebenden Gemische in Reinstoffe aufzutrennen, und diese zu untersuchen. Eine weitere Hauptaufgabe ist die gezielte Herstellung von Stoffen, z.B. von naturidentischen Stoffen (etwa Farben, Aromen oder Heilmitteln) und von Stoffen mit zweckmäßigen bzw. verbesserten Eigenschaften (z.B. Kunststoffe, Pestizide und Medikamente).

Die beiden Hauptaufgaben der Chemie werden auch Analyse (Untersuchung der Zusammensetzung, Auftrennung) und Synthese (Aufbau, Herstellung von Stoffen) genannt. Die Grundstoffe, aus denen man mittels chemischer Reaktion alle uns umgebende Materialien gewinnen kann, sind die Elemente, alle anderen sind die chemischen Verbindungen. Eine Stoffumsetzung nennt man chemische Reaktion, sie steht im Zentrum der Chemie.

Atom und Molekül

Die Elemente, aus denen sich alle Verbindungen herstellen lassen, bestehen nur aus einer Sorte von Atomen, die die Bausteine der Materie sind. In den chemischen Verbindungen sind - entsprechend den Elementen, aus denen sie zusammengesetzt sind - mehrere Sorten von Atomen vorhanden. Die kleinste Einheit einer Verbindung ist das Molekül (oder das Ion; dieses trägt eine elektrische Ladung). Ein Molekül oder ein Ion ist dabei die kleiste Einheit einer chemischen Verbindung, die noch für diese typische Eigenschaften zeigt; das Molekül selbst besteht aus Atomen, die die 'Bausteine' sind, aus denen der Chemiker alle Substanzen aufbaut.

Für die Eigenschaften eines Stoffes ist nicht nur wichtig, welche Atome und wieviele er enthält, sondern es kommt auch sehr darauf an, wie diese angeordnet sind. Daher ist die Strukturbestimmung, das ist die Bestimmung der Lage der Atome eines Stoffes im Raum, eine der entscheidenden Aufgaben der Chemie (der Analytik). Ein Beispiel für eine räumliche Struktur einer Substanz ist die der Erbsubstanz DNA, die aus zwei aneinander gebundenen wendeltreppenartigen Strängen besteht (Doppelhelix).

Entsprechend besteht die Herausforderung bei der chemischen Synthese oft darin, eine bestimmte räumliche Sturktur herzustellen.

Definition der Chemie, Abgrenzung zur Atomphysik

Die Chemie ist die Wissenschaft von der Struktur der Materie: Ihre Aufgabe ist die Bestimmung der Art und Anzahl der Atome bzw. der Ionen im Molekül oder im Festkörper, sowie die Bestimmung ihrer genauen räumlichen Anordnung. Die weitere Aufgabe der Chemie ist die planmäßige Darstellung von Stoffen mit gewünschten Eigenschaften, und das bedeutet heute meist die gezielte Herstellung eines bestimmten Moleküls oder Festkörpers mit einer bestimmten Atomanordnung oder einer bestimmten räumlichen Struktur.

Auch die elektronische Struktur von Atomen und Molekülen ist für den Chemiker bedeutend, und für das Verständnis des Aufbaus von Molekülen sind auch Kentnisse des Atombaus (aus Protonen, Neutronen, Elektronen entsprechend den Gesetzen der Quantenmechanik) von Bedeutung. Noch tiefergehende Studien des Atombaus (z.B. den Aufbau aus Quarks) gehören nicht zur Chemie, sondern in den Bereich der Atomphysik.

Bedeutung der Chemie

Chemie im Alltag

Chemische Umwandlungen im Alltag finden zum Beispiel beim Kochen, Backen oder Braten statt, wobei oft gerade die hier ablaufenden, recht komplexen Stoffumwandlungen zum typischen Aroma der Speise beitragen. Weiters wird Nahrung chemisch zerlegt und mit körpereigenen Abbauvorgängen in Bestandteile und auch Energie umgewandelt (Biochemie). Eine gut beobachtbare chemische Reaktion ist die Verbrennung.

Im Alltag wird der Begriff 'Chemie' oft in einem eingeschränkten Sinn als Abkürzung für 'Produkt der chemischen Industrie' verwendet, z.B. bei der 'Chemischen Reinigung': Diese reinigt Textilien mit (synthetischen) Lösungsmitteln. Der Reinigungsvorgang selbst ist in der Regel ein Lösen der Verunreinigung (z.B. eines Fettflecks) im Lösungsmittel und damit kein chemischer Prozess (Stoffumwandlung) im eigentlichen Sinne, sondern ein physikalischer Vorgang (Lösen)! Im Gegensatz dazu ist das manchmal als 'Putzen ohne Chemie' gepriesene Auflösen von Kalkflecken mit Essig oder Zitronensaft sehr wohl ein chemischer Vorgang, da dabei Carbonat durch die Säuren zu Hydrogencarbonat oder Kohlendioxid umgesetzt wird.

Chemie als Wissenschaft

Die Chemie befasst sich mit den Eigenschaften der Elemente und Verbindungen, sie macht Vorhersagen für bislang unbekannte Elemente und Verbindungen, liefert Methoden zur Synthese neuer Verbindungen und Messmethoden um die Vorhersagen der Eigenschaften von Verbindungen zu testen.

Als recht umfangreiche Wissenschaft (einige Millionen Verbindungen sind bekannt) wird die Chemie von manchen als unanschaulich empfunden. Viele Fachleute, die sich mit ihr näher befassen, empfinden sie aber insofern als relativ einfach und anschaulich, da sämtlichen Stoffe der Chemie auf vergleichsweise wenige (etwa 100) Elemente zurückgeführt werden können. Die Atome der Elemente - die man sich etwas vereinfacht als Kugeln vorstellen kann - können wie bei einem Baukasten zusammengesetzt werden, und die Art der Zusammensetzung bestimmt die Eigenschaften des entstehenden Produkts.

Fortschritte in den verschiedenen Teilgebieten der Chemie sind oftmals die unabdingbare Voraussetzung für neue Erkenntnisse in anderen Disziplinen, besonders in den Bereichen Biologie und Medizin, aber auch im Bereich der Physik (z.B. Herstellung neuer Supraleiter). An der Schnittstelle zwischen Chemie und Biologie hat sich als weites Fachgebiet die Biochemie etabliert, die für das Verständnis der Lebensvorgänge, die untrennbar mit Stoffumsätzen verbunden sind, unentbehrlich ist. Dieser Sachverhalt wird manchmal mit dem Satz "Alles Leben ist Chemie" zum Ausdruck gebracht. Auch wenn "Leben" natürlich noch viele weitere Aspekte hat (etwa gerade beim Menschen psychologische, soziologische und religiöse Fragen), so trifft es doch gerade für viele 'greifbaren' und messbaren Aspekte des Lebens zu, dass es sich um chemische Vorgänge handelt.

Für die Medizin ist die Chemie darüber bei der Suche nach neuen Medikamenten und bei der Herstellung von Arzneimitteln unentbehrlich.

Wirtschaftliche Bedeutung der Chemie

Die Chemische Industrie ist - gerade auch in Deutschland - ein sehr bedeutender Wirtschaftszweig: In Deutschland liegt der Umsatz der Chemieindustrie über 100 Milliarden Euro, die Zahl der Beschäftigten lag nach der Wiedervereinigung Deutschlands über 700 000 und ist jetzt unter 500 000 gesunken. Sie stellt einmal Grundchemikalien wie z.B. Schwefelsäure oder Ammoniak her - oft im Maßstab von Millionen Tonnen jährlich - , die sie dann z.B. zur Produktion von Düngemitteln und Kunststoffen verwendet werden. Andererseits produziert sie viele Stoffe, insbesonders Medikamente, maßgeschneidert für spezielle Zwecke. Auch die Herstellung eines Computers, von Kraft- und Schmierstoffen für die Automobilindustrie und vielen anderen technischen Produkten ist ohne industriell hergestellte Chemikalien unmöglich.

Ansehen der Chemie

Die Chemie hat in der Öffentlichkeit - auch aufgrund von Chemiekatastrophen und Umweltskandalen - ein relativ schlechtes Ansehen. Viele Fachleute empfinden dies angesichts des Nutzens und der allgemeinen Bedeutung der Chemie und bezogen auf die heutige Situation in Europa nicht gerechtfertigt, weil hier unter anderem durch eine ziemlich strikte Gesetzgebung (etwa das Chemikaliengesetz) eine vergleichsweise sichere Handhabung von Chemikalien gewährleistet ist. Um dem entgegenzuwirken, wurde 2003 von verschiedenen Trägerorganisationen zum "Jahr der Chemie" (Netseite) erklärt.

Fachrichtungen

Die Chemie lässt sich einmal nach den untersuchten Stoffen einteilen, wobei vor allem die traditionelle Unterteilung in Organische Chemie (Chemie der Kohlenstoffverbindungen) und Anorganische Chemie (Chemie der Elemente und der Verbindungen ohne Kohlenstoff) bedeutend ist. Diese etwas willkürliche Einteilung wird auch heute noch beibehalten, unter anderem deswegen, weil die organische Chemie stark vom Molekül bestimmt wird, die anorganische Chemie oft von Ionen und Festkörpern. Ein Gebiet, in dem sich die beiden Fachbereiche stark überlappen, ist die Organometallchemie.

Die in lebenden Organismen vorkommenden und umgesetzten Stoffe sind Thema der Biochemie. Die für lebende Organismen schädlichen Substanzen werden in der Toxikologie behandelt.

Eine weitere und unabhängige Einteilung der Chemie ist die nach der Zielrichtung in die untersuchende, 'zerlegende' Analytische Chemie und in die aufbauende, produktorientierte Präparative oder Synthetische Chemie. In der Lehrpraxis der Universitäten ist die Analytische Chemie meist als Unterrichtsfach vertreten, während die Synthetische Chemie im Rahmen der organischen oder anorganischen Chemie behandelt wird.

Weitere Fachrichtungen sind die Allgemeine Chemie, die sich mit den Grundlagen der Chemie befasst, und die Physikalische Chemie, die chemische Fragestellungen und Systeme mit physikalischen Methoden untersucht. Sehr wichtig ist auch die Theoretische Chemie, welche quantenmechanische Modelle benutzt, um Eigenschaften von Molekülen vorherzusagen.