Dr. Emmas Chemielabor

Chemie verständlich erklärt.

Kerzenlicht – ein chemisches Phänomen

Geschrieben am | 18. 12. 08

Candles mit CC-Lizenz von schani

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Kerzen sind eine wunderbare Erfindung, selbst heute, wo sie ihre praktische Bedeutung als Lichtquelle nahezu verloren haben, erfreuen wir uns immer noch an ihrem warmen Licht. Vor knapp 150 Jahren hat das Kerzenlicht Michael Faraday, besser bekannt für seine Untersuchungen zu Elektrotechnik, dazu inspiriert eine ganze Vorlesung über die Chemie und Physik hinter der Kerze zu schreiben. Die zentrale chemische Frage dabei ist: Warum leuchtet die Kerze und warum ausgerechnet gelb?

Eine Kerze besteht aus Wachs und einem saugfähigen Docht. Zündet man die Kerze an, schmilzt das Wachs und wird von dem Docht aufgesogen. An der großen Oberfläche des Dochtes verdampft das Wachs und entzündet sich dann bei ausreichend hoher Temperatur. Wenn man genau hinschaut erkennt man auch, dass die Flamme nicht direkt am Docht anfängt, sondern etwas oberhalb vom Docht. Der Docht der Kerze brennt nicht.

Kerzenwachs ist im Prinzip ein Fett und Fette bestehen aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen in langen Ketten. Reagiert das Wachs mit Sauerstoff, dieser Prozess wird auch Verbrennung genannt, entstehen CO2 und Wasser (H2O). Allerdings verbrennt bei einer Kerze nicht der ganze Kohlenstoff zu CO2, ein Teil wir nur zum Kohlenstoff (C) oxidiert. Das ist auch gut so, da wir Teilchen brauchen die Licht produzieren können.

Die Kohlenstoffatome werden von der Hitze der Verbrennung angeregt, dabei wechseln die Elektronen aus der Hülle in einen Zustand mit höherer Energie. Wenn sie diesen Zustand verlassen geben sie die Energie in Form von Licht wieder ab. Wichtig hierbei ist, dass die Elektronen in der Hülle nicht jeden beliebigen Energiezustand erreichen können, sondern nur bestimmte. Deshalb sind auch die Wellenlänge des abgegebenen Lichts immer gleich und somit die Farbe. Möchte man eine andere Farbe haben, braucht man andere Elemente. Das kennt ihr von Natriumdampflampen, von Neonröhren und Glühlampen. In jedem wird ein anderes Element angeregt, deshalb haben sie alle unterschiedliche Farben.

Zum Schluß kann ich euch noch das Buch von Faraday und die Kommentarfunktion empfehlen falls ihr noch mehr Wissen wollt.

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Von den Atomen zu den Verbindungen

Geschrieben am | 27. 10. 08

Pink Flamingo mit CC-Lizenz von Shawnbot

Pink Flamingo mit CC-Lizenz von Shawnbot

Vorletzte Woche habe ich beschrieben was eigentlich Atome sind. Meistens beschäftigen sich ChemikerInnen nicht mit einzelnen Atomen, sondern mit Verbindungen. Eine Verbindung setzt sich aus mindestens zwei Atomen zusammen. In Kunststoffen sind diese Verbindungen öfter auch mehr als 100.000 Atome groß.

Verbindungen die aus Atomen der gleichen Sorte bestehen werden mit dem Namen des Elements bezeichnet. So besteht der Sauerstoff in der Luft aus zwei Atomen. Verbindungen die aus mehreren Atomen verschiedener Sorten bestehen haben etwas kompliziertere Namen. Allerdings werden diese Namen systematisch vergeben. Der Vorteil davon ist, dass jedeR ChemikerIn wenn sie einen Namen hört, sich ungefähr vorstellen kann worum es sich handelt und in den großen Büchern der Internationalen Union für Reine und Angewandte Chemie (IUPAC) nachschauen kann. Die IUPAC ist nähmlich dafür verantwortlich diese systematische Benenung auszuarbeiten.

Generell gibt es mehrere Kategorien in die man Verbindungen einteilen kann. Sie können ionische oder Molekül-Verbindungen sein, oder metallisch. Sie können kristallin, oder amorph sein. Ausserdem können sie einen der drei Aggregatzustände fest, flüßig, oder gasförmig annehmen. Die letzten beiden Eigenschaften hängen mit der ersten Eigenschaft zusammen. Ionische Verbindungen sind meist kristallin und fest. Deshalb ist es auch etwas besonderes wenn einE ChemikerIn es schafft ionische Flüssigkeiten herzustellen.

Der Grund warum ionische, metallische und Molekül-Verbindungen unterschiedlich sind liegt in der Art der Wecheslwirkungen zwischen den Atomen. Im Beitrag zum Periodensystem habe ich schon einmal davon gesprochen, dass Atome Elektronenhunger haben. Kurz gesagt hängt der Hunger der Elektronen daran, dass sie alle eine volle äußere Elektronenschale haben wollen wie es die Edlegase in der Spalte ganz rechts im Periodensystem haben. Es gibt drei Wege das zu erreichen. Erstens indem ein Atom seine äußeren Elektronen abgibt, wodurch die untere volle Schale aufgedeckt wird. Das machen die Atome der ersten zwei Spalten gerne. Sie sind dann positiv geladen. Zweitens können Atome Elektronen aufnehmen um ihre Schale voll zu bekommen. Das machen die Elemente der vorletzten Spalte sehr gerne. Drittens können Atome sich Elektronen teilen. Wenn beiden noch ein Elektron fehlt können diese sich zusammen tun und statt jeweils ein Elektron zu haben sich zwei Elektronen teilen. In den ersten beiden Varianten entstehen Ionen. Ausserdem laufen die ersten beiden Prozesse immer gemeinsam ab. Dabei entstehen dann so sachen wie Natriumchlorid (NaCl), umgangssprachlich Kochsalz. Ein Beispiel für letztere Variante ist zum Beispiel Wasser (H2O) in dem sich jeweils ein Wasserstoff ein Elektronenpaar mit dem zentralen Sauerstoff teilt. Auch in Metallen teilen sich die Atome Elektronen, allerdings werden die Elektronen hier nicht in Paaren geteilt sondern kommunal über alle am Metall teilhabenden Atomkerne.

Genaugenommen werden wir nur von sehr wenigen einzelnen Atomen umgeben. Dass sind die Edelgase wie z.B. Neon, Argon oder Helium die sich in der Luft oder in “Neon”beleuchtung wiederfinden. Ionische, metallische und Molekül-Verbindungen umgeben uns alltäglich.

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Atome: Du bist Materie

Geschrieben am | 16. 10. 08

Picture of Atoms mit CC-Lizenz von jurvetson

Picture of Atoms mit CC-Lizenz von jurvetson


In unserem täglichen Leben haben wir meistens nur mit macroskopischen Dingen zu tun. Selten wird uns bewusst, dass wir aus kleinern Einheiten wie Organen und Zellen bestehen, geschweige denn, dass uns bewusst wird das alles um uns herum aus Atomen besteht, wir auch. Atome sind für die meisten Menschen nicht erfahrbar und direkt sowieso nicht. Das ist meines erachtens auch ein Grund dafür, warum Chemie als schwer verständlich und mysteriös empfunden wird. Um dem Abhilfe zu schaffen ist es an dieser Stelle sinnvoll zu erklären was Atome sind und zu versuchen ein Gefühl für Atome zu vermitteln.

Der Name Atom bedeutet unteilbar. Bereits in der Antike wurde eine kleinste, unteilbare Einheit postuliert, aus der sich Materie zusammensetzt. Etwas später wurde auch postuliert, dass es verschiedene dieser unteilbaren Einheiten gibt. Worin sie sich unterscheiden blieb allerdings lange im Bereich der Spekulation.

Heute wissen wir, dass Atome nicht die kleinsten unteilbaren Einheiten der Materie sind. Sie bestehen selber aus einem positiv geladenem Atomkern und diesen Kern umkreisenden negativ geladenen Elektronen. Da der Atomkern wiederum aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen besteht, kann die Ladung des Kerns variieren. Hat man reine Elemente vor sich liegen, gibt es gleich viel Elektronen und Protonen. Das Atom ist dann ungeladen.

Die Atome werden nach ihrer Protonenzahl in verschiedene Elemente aufgeteilt. So hat das Wasserstoffatom ein Proton, das Kohlenstoffatom sechs Protonen und das Silberatom 47 Protonen. In den meisten Periodensystemen steht oberhalb des Elementsystems die Anzahl der Protonen, auch Ordnungszahl genannt.

Wie schon erwähnt ist die Anzahl an Protonen und Elektronen in neutralen Atomen gleich. Die Unterschiede im Verhalten der Elemente rühren von der Anzahl der Elektronen her, die in verschiedenen Schalen angeordnet sind. Warum die Elektronen in den verschiedenen Schalen sind, lässt sich nur über Quantenmechanik erklären, was an dieser Stelle eindeutig zu weit gehen würde.

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Die Elemente

Geschrieben am | 2. 10. 08

unter CC-Lizenz von inocuo

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Umgangssprachlich sprechen viele Menschen, besonders solche die etwas esoterisch bewandert sind, von den vier Elementen. Gemeint sind damit Feuer, Wasser, Erde und Luft. Tatsächlich sind dies aber keine wirklichen Elemente, im chemischen Sinn. In der Chemie werden reine Substanzen die aus nur einer Sorte Atome bestehen als Element bezeichnet. Das ist zum Beispiel Gold, oder Kohlenstoff, oder Iod. Schließen sich mehrere Atome verschiedener Sorten zusammen wird dieses, allgemein, als Verbindung bezeichnet. Wasser besteht, z. B., aus Wasserstoff und Sauerstoff.

Damit wir immer wissen wovon in einem chemischen Text die Rede ist, hat jedes Element ein Symbol, dass sich aus ein oder zwei Buchstaben zusammen setzt und sich von seinem lateinischen Namen ableitet. Der Kohlenstoff hat das Symbol C (Carbon), Iod das Symbol I und Gold das Symbol Au (Aurum).

Nicht jedes Element taucht rein, im chemischen heißt das gediegen, in unserer Umwelt auf. Statt dessen treten sie in Verbindung mit anderen Elementen auf. So bilden Natrium (Symbol Na) un Chlor (Symbol Cl) eine Verbindung die wir Umgangssprachlich als Kochsalz, oder Salz bezeichnen (Symbol NaCl). Möchte man hier die reinen Elemente erhalten, muss man ein aufwendiges, enregieintensives Verfahren anwenden.

Element bezeichnet also Atome die alle zur gleichen Sorte gehören. Wasser, Feuer, Erde und Luft werden aus historischen Gründen umgangssprachlich als Elemente bezeichnet, sind in der Tat aber Verbindungen oder Gemische von Verbindungen.

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