Einleitung (2023)

In diesem Artikel werden wir uns mit einigen grundlegenden Konzepten der Chemie befassen, wie Materie, Elemente, Moleküle und chemische Eigenschaften von Materie. Die Chemie ist die Wissenschaft von Molekülen und ihren Transformationen, die sich mit der Untersuchung von Materie, ihrer Zusammensetzung, den Veränderungen, die Materie durchläuft, und der Beziehung zwischen Veränderungen in der Zusammensetzung und Veränderungen in der Energie beschäftigt. Die Chemie spielt eine wichtige Rolle bei der Erfüllung menschlicher Bedürfnisse in Bezug auf Lebensmittel und Gesundheitsprodukte.

Die Bedeutung der Chemie

Die Chemie spielt eine zentrale Rolle in der Wissenschaft und ist oft mit anderen Wissenschaftszweigen verflochten. Die Prinzipien der Chemie sind in verschiedenen Bereichen anwendbar, wie zum Beispiel bei Wetterphänomenen, der Funktionsweise des Gehirns und dem Betrieb eines Computers. Sie sind auch in der chemischen Industrie von Bedeutung, zum Beispiel bei der Herstellung von Düngemitteln, Laugen, Säuren, Salzen, Farbstoffen, Polymeren, Medikamenten, Seifen, Reinigungsmitteln, Metallen, Legierungen usw. Die Chemie trägt auf vielfältige Weise zur nationalen Wirtschaft bei. Sie spielt auch eine wichtige Rolle bei der Erfüllung menschlicher Bedürfnisse in Bezug auf Lebensmittel, Gesundheitsprodukte und andere Materialien, die darauf abzielen, die Lebensqualität zu verbessern.

Materie

Materie ist alles, was Raum einnimmt, Masse hat, Widerstand bietet und direkt von unseren Sinnen wahrgenommen werden kann. Beispiele für Materie sind Bücher, Stifte, Wasser, Luft und alle lebenden Wesen.

Elemente

Ein Element ist die reinste Form von Materie. Es besteht nur aus einer Art von Atomen, wie zum Beispiel Kohlenstoff, Eisen, Kupfer und Sauerstoff.

Verbindungen

Eine Verbindung ist eine Substanz, die aus zwei oder mehr Elementen in einem festen Gewichtsverhältnis besteht. Ein Beispiel dafür ist Kohlendioxid.

Gemische

Ein Gemisch ist eine Substanz, die aus zwei oder mehr Substanzen in beliebigem Verhältnis besteht. Beispiele für Gemische sind Zucker + Wasser, Natriumchlorid + Wasser und Sand + Wasser. Gemische können je nach Zusammensetzung homogen oder heterogen sein. Ein homogenes Gemisch hat eine gleichmäßige Zusammensetzung, wie zum Beispiel eine Zuckerlösung. Ein heterogenes Gemisch hat keine gleichmäßige Zusammensetzung, wie zum Beispiel Sand in Wasser.

Das Atom

Ein Atom ist das kleinste Teilchen, das an einer chemischen Reaktion teilnehmen kann. Das Wort "Atom" bedeutet "unteilbar". Beispiele für Atome sind Wasserstoff, Natrium und Sauerstoff.

Das Internationale Einheitensystem (SI)

Das Internationale Einheitensystem (SI) wurde 1960 von der 11. Generalkonferenz für Maß und Gewicht eingeführt. Es ist eine Modifikation des metrischen Systems und umfasst sieben Basiseinheiten, die sich auf sieben grundlegende wissenschaftliche Größen beziehen.

Die sieben Basiseinheiten des SI sind:

1. Meter (m): Die Länge des Weges, den das Licht im Vakuum während eines Zeitintervalls von 1/(299792458) Sekunde zurücklegt.
2. Kilogramm (kg): Die Masse des internationalen Prototyps des Kilogramms.
3. Sekunde (s): Die Dauer von 9192631770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfein-Niveaus des Cäsium-133-Atoms entspricht.
4. Ampere (A): Der Strom, der in zwei geraden parallelen Leitern unendlicher Länge mit vernachlässigbarem kreisförmigem Querschnitt und einem Abstand von 1 Meter im Vakuum fließt und zwischen diesen Leitern eine Kraft von 2 × 10-7 Newton pro Meter Länge erzeugt.
5. Kelvin (K): Die thermodynamische Temperatur, die 1/273,16 des thermodynamischen Temperaturniveaus des Tripelpunkts von Wasser entspricht.
6. Mol (mol): Die Stoffmenge eines Systems, das so viele elementare Einheiten enthält, wie es Atome in 0,012 Kilogramm Kohlenstoff-12 gibt.
7. Candela (cd): Die Lichtstärke, in eine bestimmte Richtung, einer Quelle, die monochromatische Strahlung von 540 × 1012 Hertz emittiert und in dieser Richtung eine Strahlungsintensität von 1/683 Watt pro Steradiant aufweist.

Unsicherheit in der Messung

Alle wissenschaftlichen Messungen beinhalten einen gewissen Grad an Fehler oder Unsicherheit. Wissenschaftliche Notationen, signifikante Zahlen und dimensionslose Analyse helfen uns auf verschiedene Weise bei der Darstellung von Daten und theoretischen Berechnungen.

Wissenschaftliche Notation

Die wissenschaftliche Notation ist eine exponentielle Notation, bei der eine Zahl in der Form N x 10n dargestellt werden kann, wobei n ein Exponent mit positiven oder negativen Werten ist und N zwischen 1 und 10 variieren kann. Zum Beispiel kann 232,508 in wissenschaftlicher Notation als 2,32508 x 102 geschrieben werden.

Präzision und Genauigkeit

Präzision bezieht sich auf die Genauigkeit verschiedener Messungen für die gleiche Größe. Genauigkeit hingegen bezieht sich auf die Übereinstimmung eines bestimmten Werts mit dem wahren Wert des Ergebnisses. Angenommen, der wahre Wert einer Größe beträgt 3,9 und zwei Personen messen sie mit 3,6 und 3,8. Hier ist 3,8 genauer, da es dem wahren Wert näher kommt. Ebenso ist 3,85 präziser als 3,9.

Signifikante Zahlen

Die Gesamtzahl der Ziffern bei der Messung einer physikalischen Größe mit Sicherheit wird als signifikante Zahlen bezeichnet. Es gibt bestimmte Regeln zur Bestimmung der Anzahl der signifikanten Zahlen.

• Alle Ziffern sind signifikant, außer der Null am Anfang einer Zahl. Zum Beispiel gibt es in 285 cm drei signifikante Zahlen.
• Nullen links der ersten nicht-nullen Ziffer sind nicht signifikant, wenn solche Nullen dem Dezimalpunkt folgen. Zum Beispiel hat 0,03 eine signifikante Ziffer.
• Nullen rechts vom Dezimalpunkt sind signifikant. Zum Beispiel hat 0,200 g drei signifikante Zahlen.
• Nullen zwischen zwei nicht-nullen Ziffern sind signifikant. So hat 2,005 vier signifikante Zahlen.
• Beim Zählen von Objekten, zum Beispiel 2 Bälle oder 20 Eier, gibt es unendlich viele signifikante Zahlen, da es sich um genaue Zahlen handelt und durch das Schreiben unendlich vieler Nullen nach dem Dezimalpunkt dargestellt werden können, z.B. 2 = 2,000000 oder 20 = 20,000000.

Gesetze der chemischen Kombination

Alle chemischen Reaktionen erfolgen nach bestimmten Gesetzen. Diese Gesetze werden als Gesetze der chemischen Kombination bezeichnet.

1. Gesetz der Massenerhaltung: Dieses Gesetz wurde 1789 von Antoine Lavoisier aufgestellt. Es besagt, dass die Gesamtmasse der Edukte gleich der Gesamtmasse der Produkte ist.
2. Gesetz der konstanten Zusammensetzung: Dieses Gesetz wurde von dem französischen Chemiker Joseph Proust aufgestellt. Es besagt, dass eine chemische Verbindung immer aus den gleichen Elementen in einem festen Massenverhältnis besteht. Zum Beispiel besteht Kohlendioxid (CO2) unabhängig von der Herstellungsmethode immer aus 12 g Kohlenstoff und 32 g Sauerstoff.
3. Gesetz der multiplen Proportionen: Dieses Gesetz wurde 1803 von Dalton vorgeschlagen. Es besagt, dass das Gewicht eines Elements, das sich mit einem festen Gewicht eines anderen Elements verbindet, in einem einfachen ganzzahligen Verhältnis zueinander steht. Zum Beispiel beträgt das Verhältnis der Massen von Sauerstoff in CO und CO2 für eine feste Masse Kohlenstoff (12) 16:32 = 1:2.