Modelle in der Chemie

Worum geht es ?

Die Chemie ist voll von Modellen. Modelle sind die Grundlage der Chemie. Manche sagen, die Chemie ist die Wissenschaft, in der Modelle am intensivsten benutzt werden. Über einige Modelle habe ich bereits ausführlich geschrieben, andere nur kurz erwähnt, wieder andere noch gar nicht.

Auf dieser Seite finden Sie eine Zusammenfassung von Modellen, die in der Chemie wichtig sind. Es sind

Modelle von Atomen, Bindungen und Molekülen

Ich habe sie auf meinen Seiten schon ausführlich beschrieben, bewertet und verglichen.

Der reine Stoff

 

Ein Stoff, der rein heißt, aber kein Reinstoff ist. Welchen Reinheitsgehalt hat er wohl ?

Reiner als rein muss er wohl sein. Laborerfahrung hilft, einzuschätzen, ob seine Reinheit für den vorgesehenen Zweck ausreicht.

Im Deutschen Arzneibuch kann man nachlesen, wie die Reinigung erfolgte.


Ein historisches Etikett der Firma Schering aus den 1920er Jahren und eine Reinheitsanalyse der damaligen Zeit. Was bedeutet das „Kahlbaum” ? 1927  übernahm Schering die Firma Kahlbaum und deren Produkte. Der Name wurde weiter benutzt, denn sicher waren die Kahlbaum–Waren bekannt und geschätzt.

Jemand entnimmt aus einer Chemikalienflasche ein paar Löffel Schwefel und gibt ihn in ein Reagenzglas. Er oder sie denkt vielleicht, dort wäre nun, außer etwas Luft, nur Schwefel und überhaupt nichts anderes, überhaupt kein anderer Stoff. Das ist ein Irrtum.

Dann lässt er oder sie aus dem Wasserhahn zuhause Wasser in ein Glas laufen und glaubt vielleicht, dort wäre nun, außer etwas Luft, nur Wasser, überhaupt nichts anderes. Das ist ein Irrtum.

Es gibt keinen reinen Stoff

Eigentlich sagt die Überschrift schon alles. Es gibt keinen reinen Stoff. Jeder Stoff enthält Verunreinigungen. Es können viel, wenig oder auch nur extrem wenig Verunreinigungen sein, aber sie sind immer in einem Stoff. Es ist egal, ob der Stoff natürlichen Ursrprungs ist oder ob er in einem technischen Verfahren von Menschen hergestellt wurde. Es ist auch egal, ob sich jemand Mühe gegeben hat, den Stoff zu reinigen, d.h. von seinen Verunreinigungen zu berfreien, oder ob er gar „besonders gereinigt” wurde wie das Kaliumhydrogencarbonat auf dem dritten Bild. Es sind noch Verunreinigungen darin. Und natürlich ist es völlig egal, ob ein Marketingexperte einen Stoff rein, kristallklar oder sonst irgendwie nennt.

Man könnte aber einwenden, dass man nur genug Aufwand treiben müsste. Dann würde man schon einen wirklich reinen Stoff erhalten, in dem kein einziges Atom eines Fremdstoffes mehr enthalten ist. Stellen wir uns also mal vor, es wäre gelungen, in das Wasserglas völlig reines Wasser zu füllen. Nun warten wir ein wenig, ein paar Millisekunden reichen, und sehen uns das Wasser erneut an.

An der Oberfläche hat das Wasser Kontakt zur umgebenden Luft. Auch ohne dass man umrührt oder sonstwie nachhilft, wird sich Luft darin lösen. Einige Moleküle der Luft haben bei ihrer regellosen Bewegung genug Energie, um in die Flüssigkeit zu gelangen. Dieser Vorgang heißt Diffusion, er findet oberhalb des absoluten Nullpunktes immer statt, und schon sind Stickstoff, Sauerstoff und all die anderen Bestandteile der Luft als Verunreinigungen im Wasser.

Das Wasser hat Kontakt zur umgebenden Glaswand. Glas löst sich wirklich nicht gut in Wasser, ein klein wenig aber doch. Reines Quarzglas hat eine Löslichkeit von etwa 0,006 g/l, und schon ist Kieselsäure (H4SiO4 oder die entsprechenden Ionen) im Wasser. Besteht das Glas aus gewöhnlichem Haushaltsglas, kommen noch Na+–Ionen und OH–Ionen dazu.

Und dann fällt noch etwas Staub ins Wasser. Er besteht aus … Hier breche ich ab, denn jetzt ist jedem klar, dass jeder Stoff mit seiner Umgebung in stofflichem Austausch steht, und es kommen Verunreinigungen hinein.

Das Modell Reinstoff

Welche Auswirkungen haben die Verunreinigungen in einem Stoff ? Eine klare Antwort auf diese klare Frage lautet : Es kommt drauf an. Oft ist es jedenfalls so, dass geringe Verunreingungen auch nur geringe Auswirkungen haben. Oft sind sie so gering, dass man sie vernachlässigen kann.

Wir sagen also Schwefel, meinen Schwefel mit geringen Verunreinigungen, und wissen, dass sich dieser Schwefel in seinen Eigenschaften und seinem Verhalten nur vernachlässigbar gering von reinem Schwefel unterscheidet.

Das Modell, das Bild der Wirklichkeit, das wir uns hier machen, ist also dieses : Wir sehen, wenn wir es vertreten können, einen real existierenden Stoff trotz seiner geringen Verunreinigungen als Reinstoff an. Wir schreiben dem nicht existierenden Reinstoff, dessen Eigenschaften und Verhalten wir nicht untersuchen können (es gibt ihn ja nicht) die Eigenschaften und das Verhalten des realen Stoffes zu.

Kann man es vertreten ?

Da habe ich eine kleine Falle in den vorigen Absatz eingebaut – „wenn man es vertreten kann”. Und, kann man ? Eine klare Antwort auf diese klare Frage lautet : Es kommt drauf an.

Die Hausfrau oder der Hausmann wird das Trinkwasser aus dem Wasserhahn als Reinstoff ansehen. Es macht für ihn oder sie keinen Unterschied. Der Chemiker wird Leitungswasser nie als Reinstoff ansehen und höchstens zum Spülen benutzen. Die Inhaltsstoffe natürlichen Wassers (zum Beispiel Calciumionen, Carbonat– oder Hydrogencarbonat–Ionen und andere) können Reaktionen beeinflussen oder Nachweise verfälschen. Er wird deionisiertes Wasser oder gar destilliertes Wasser benutzen und weiß um die immer noch darin befindlichen Stoffe.

Um Silizium in der Halbleitertechnik verwenden zu können, muss der Gehalt an Bor und Phosphor unter 0,1 – 1 ppb (das sind 10–10 bzw. 10–9) liegen. Weniger reines Silizium kann aber für andere Zwecke eingesetzt werden.

Geschickt und eigentlich unverzichtbar ist es, nicht nur die Reinheit anzugeben, sondern auch die Verunreinigungen und deren Konzentration, wie auf dem letzten Bild links.

 

Der Reinstoff (ohne jegliche Verunreinigungen) ist ein, sehr oft gutes, brauchbares Modell für reale Stoffe mit nur geringen Verunreinigungen.

 

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Die Formel

 

         

2 ganz ähnlich aussehende Summenformeln, die aber zu Stoffen mit völlig unterschiedlichem Aufbau gehören.

Die Summenformel ist ein einfaches Modell zur Beschreibung der Zusammensetzung eines Stoffes.

 

       
       

2 Strukturformeln für denselben Stoff, nämlich Essigsäure, von unterschiedlicher Ausführlichkeit.

Dieses Modell gibt, erst abgekürzt, dann ausführlich, Auskunft über den Ort der Bindungen, nicht jedoch über ihre Art.

Ich verstehe die Formeln nicht !

Formeln sind ja auch nicht einfach zu verstehen. Das Problem ist, dass sie einen Teil der Information enthalten, und einen Teil nicht.

Sehen Sie sich noch einmal das Beispiel zum Modell technische Zeichnung an. Ein Teil der Information ist dort vorhanden, zum Beispiel die Maße des Hauses. Anderes wird nicht genannt, zum Beispiel das Material, aus dem das Haus besteht, und auch eine Beschreibung der einzelnen Schritte des Hausbaus gehört dort nicht hin. Der Fachmann weiß das sowieso, und der Rest der Welt muss zusehen, wie er weiterkommt.

Auch die chemische Formel ist ein Modell zur Beschreibung der Zusammensetzung, und in Grenzen auch des Aufbaus, eines Stoffes. Einige Dinge nennt die Formel immer, denn das ist ihre Hauptaufgabe, andere werden mehr oder weniger weggelassen, denn sie sind entweder im aktuellen Zusammenhang unwichtig, oder jeder kennt sie sowieso oder kann sie sich beschaffen.

Die Summenformel

Die Summenformel gibt die chemischen Elemente an, aus denen ein Stoff aufgebaut ist und das Verhältnis, in dem diese Elemente im Stoff enthalten sind. Mehr nicht. Zu anderen Fragen gibt sie keine Informationen preis. Sie sagt nicht, welches die die kleinsten Teilchen im Stoff sind. Sind es Moleküle, Atome oder Ionen oder etwas dazwischen ? Und sie sagt nicht, welche Bindungen im Stoff vorhanden sind.

Dazu gleich 2 Beispiele.

  • NaCl enthält pro Na–Teilchen ein Cl–Teilchen. Das sagt die Formel, mehr nicht. Dass es Natriumionen und Chlorionen sind, und dass dort eine Ionenbindung ist, steht doch im Chemiebuch.
  • HCl enthält pro H–Teilchen ein Cl–Teilchen. Das sagt die Formel, mehr nicht. Dass die Bindung eine relativ starke polare Atombindung ist, und dass dort Moleküle vorhanden sind, die weder wirkliche Atome noch Ionen enthalten, sondern etwas dazwischen, nämlich Atome mit einer Teilladung, und dass es dort außerdem noch Wasserstoffbrückenbindungen gibt, sagt sie nicht. Wäre auch zuviel verlangt. Und steht im Chemiebuch.

Die Strukturformel

Das Modell, das Bild der Wirklichkeit, wird genauer. Die Bindungen zwischen den „Atomen” (hier in Anführungszeichen, denn ob es wirklich neutrale Atome oder Atome mit Teilladungen sind, bleibt ungesagt) werden gezeigt. Ob es reine Atombindungen oder polare Bindungen sind, zeigt dieses Modell nicht. Es ist nicht seine Aufgabe, sondern Aufgabe das Lesers, das zu erkennen. Genausowenig ist die räumliche Anordnung der Atome ein Thema dieses Modells.

 

Die Formel ist ein Modell für die Zusammensetzung eines Stoffes, aber nur teilweise für seinen inneren Aufbau.

 

Das ideale Gas und der ideale Festkörper

Das Modell des idealen Gases habe ich auf meinen Seiten beschrieben. Sie können dort seine Vorteile nachlesen, welche Beobachtungen man damit erklären kann und welche nicht, und auch ein wenig über den Unterschied zwischen idealen und realen Gasen.

Genauso habe ich schon das Modell des idealen Festkörpers beschrieben, seine Vorteile und Grenzen, was man damit erklären kann und was nicht.

 

 

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