Chemie

Grundidee und Bedeutung

Chemie ist die Naturwissenschaft, die sich mit dem Aufbau, den Eigenschaften und der Umwandlung von Stoffen beschäftigt. Stoffe, also Substanzen oder Materialien, bestehen aus Atomen, Molekülen oder Ionen. Zentrale Begriffe sind chemische Reaktionen und chemische Bindungen: Bei chemischen Reaktionen werden Bindungen gebildet oder gespalten. Dabei verändert sich die Elektronenaufenthaltswahrscheinlichkeit in den Elektronenhüllen der beteiligten Stoffe, und dadurch ändern sich auch deren Eigenschaften.

Ein wichtiges Ziel der Chemie ist die Herstellung von Stoffen, also die Synthese, mit Eigenschaften, die Menschen benötigen. Die Chemie untersucht Elemente und Verbindungen, mögliche Umwandlungen eines Stoffes in einen anderen, entwickelt Vorhersagen über bisher unbekannte Verbindungen, liefert Methoden zur Herstellung neuer Verbindungen und stellt Messmethoden bereit, um die Zusammensetzung unbekannter Proben zu bestimmen.

Obwohl alle Stoffe aus vergleichsweise wenigen Bausteinsorten bestehen, nämlich aus etwa 80 bis 100 der 118 bekannten Elemente, entstehen durch unterschiedliche Kombinationen und Anordnungen einige Millionen verschiedene Verbindungen. Diese bilden sehr unterschiedliche Materieformen wie Wasser, Sand, Pflanzen- und Tiergewebe oder Kunststoff. Die Zusammensetzung bestimmt die chemischen und physikalischen Eigenschaften eines Stoffes.

Entwicklung der Chemie

Die heutige Chemie entstand allmählich aus praktischem Wissen über Stoffumwandlungen, naturphilosophischen Vorstellungen und der Alchemie. In der Antike sammelte man Erfahrungen mit Stoffumwandlungsprozessen. Im Mittelalter entwickelte sich die Chemie aus der Alchemie, die in China, Europa und Indien seit langer Zeit betrieben wurde. Alchemisten suchten unter anderem nach der Umwandlung unedler Metalle in Gold, der Transmutation, sowie nach Arzneimitteln. Dafür suchten sie den Stein der Weisen oder ein Lebenselixier; beides wurde nie entdeckt.

Bis zum Ende des 16. Jahrhunderts beruhte die Arbeit der Alchemisten meist auf Erfahrung und Rezepten, nicht auf wissenschaftlichen Untersuchungen. Dennoch entwickelten sie Apparaturen, die später für chemische Verfahren wichtig blieben. Mit Paracelsus und Robert Boyle, besonders mit Boyles Werk The sceptical chymist von 1661, wandelte sich die Alchemie stärker zu einer empirischen und experimentellen Wissenschaft.

Die endgültige Trennung von Alchemie und Chemie hängt mit John Daltons Atomtheorie zusammen. Eine quantitative Grundlage erhielt die Chemie, nachdem Antoine Lavoisier die Erkenntnisse zur Funktion des Sauerstoffs bei der Verbrennung zusammengefasst hatte. Im 18. und 19. Jahrhundert wurde Chemie stärker auf Messungen, Experimente, den Gebrauch der Waage sowie auf die Beweisbarkeit von Hypothesen und Theorien gegründet.

Im 19. und 20. Jahrhundert förderten Anwendungen in Landwirtschaft, Farbstoffherstellung, Pharmazie und Industrie die Entwicklung. Justus von Liebigs Arbeiten zur Wirkung von Dünger begründeten die Agrarchemie. Die Suche nach synthetischem Indigo trieb organische Chemie und Pharmazie voran. Später spielten Verfahren wie das Haber-Bosch-Verfahren, die Fischer-Tropsch-Synthese und die Herstellung von synthetischem Kautschuk eine wichtige Rolle. Erkenntnisse aus Atomphysik, Kernphysik und Quantenphysik beeinflussten das Verständnis chemischer Bindungen und Stoffumwandlungen.

Hauptgebiete der Chemie

Traditionell wird Chemie in organische Chemie, anorganische Chemie und physikalische Chemie eingeteilt. Die Grenze zwischen organischen Stoffen aus der belebten Natur und anorganischen Stoffen aus der unbelebten Natur wurde durch Friedrich Wöhlers Harnstoffsynthese 1828 verwischt: Dabei wurde die organische Substanz Harnstoff aus der anorganischen Verbindung Ammoniumcyanat hergestellt. Trotzdem blieb die Einteilung erhalten, weil sich typische Strukturen und Reaktionsmechanismen oft unterscheiden.

Die Allgemeine Chemie umfasst Grundlagen, die in fast allen Teilgebieten gebraucht werden: Aufbau des Atoms, Periodensystem der Elemente, chemische Bindung, Stöchiometrie, Säuren, Basen, Salze und chemische Reaktionen. Die anorganische Chemie behandelt die Chemie der Elemente und vieler Verbindungen, die nicht ausschließlich Kohlenstoffketten enthalten. Dazu gehören Mineralsäuren, Metalle, kohlenstofffreie Verbindungen, aber auch Kohlendioxid, Cyanwasserstoff, Kohlensäure und deren Salze. Moderne anorganische Chemie beschäftigt sich unter anderem mit Strukturchemie, Festkörperchemie und Kolloidchemie.

Die organische Chemie ist die Chemie des Kohlenstoffs und weniger weiterer Elemente. Sie umfasst eine besonders große Vielfalt an Verbindungen, etwa Kohlenwasserstoffe, deren Stoffe sich durch Bindungsarten, Anordnung, Isomerie oder Stereochemie unterscheiden können. Weil Summenformeln oft nicht ausreichen, nutzt man systematische Namen der IUPAC-Nomenklatur; daneben gibt es Trivialnamen wie Essigsäure. Wichtige Ordnungsprinzipien sind funktionelle Gruppen und vergleichbare Reaktionsmechanismen.

Die physikalische Chemie verbindet Physik und Chemie. Sie fragt zum Beispiel, unter welchen Bedingungen eine Reaktion stattfindet, wie schnell sie verläuft und welche physikalischen Grundlagen analytische Verfahren oder technische Anwendungen haben. Wichtige Bereiche sind Thermodynamik, Kinetik, Spektroskopie, Elektrochemie, Magnetochemie, Nanochemie und Atmosphärenchemie. Die theoretische Chemie nutzt mathematische und computersimulationstechnische Methoden, etwa Quantenchemie und statistische Thermodynamik, um chemische Phänomene zu erklären oder vorherzusagen.

Analyse, Synthese und Technik

Eine wichtige Unterscheidung ist die zwischen Analytischer Chemie und Präparativer Chemie. Die Analytische Chemie untersucht, welche Stoffe enthalten sind und wie viel von einer Substanz vorhanden ist. Das nennt man qualitative Analyse und quantitative Analyse. Früher nutzte man vor allem Trennungsgänge und Nachweisreaktionen im Reagenzglas. Heute werden viele Aufgaben mit instrumenteller Analytik und hohem apparativem Aufwand gelöst. Spezialgebiete sind unter anderem klinische Chemie, toxikologische Chemie, Lebensmittelchemie, Mikrochemie und Spurenanalytik.

Die Präparative Chemie beschäftigt sich mit der Synthese chemischer Verbindungen. Sie ist damit gewissermaßen das Gegenstück zur analytischen Chemie und zugleich ein Kern der Chemikerausbildung. Auch andere Teilbereiche der Chemie sind häufig präparativ ausgerichtet, weil eine Hauptaufgabe der Chemie darin besteht, Stoffe im kleinen Maßstab oder in großen Mengen herzustellen.

Die Technische Chemie überträgt chemische Reaktionen aus dem Labor in die großmaßstäbliche Industrieproduktion. Eine Reaktion, die im Labor wenige Gramm Produkt liefert, kann nicht einfach unverändert zur Herstellung vieler Tonnen in einer Fabrik genutzt werden. Technische Chemie sucht daher optimale Bedingungen für technisch wichtige Reaktionen, empirisch oder mithilfe mathematischer Optimierung. Fast jede Produktion lässt sich in drei Schritte gliedern: Vorbereitung, Reaktion und Aufbereitung. Vorbereitung und Aufbereitung gehören zur chemischen Verfahrenstechnik, die Reaktion im technischen Maßstab zur chemischen Reaktionstechnik.

Weitere Fachrichtungen sind die Biochemie und die Kosmochemie. Biochemie verbindet Chemie und Biologie; sie untersucht Stoffwechselvorgänge, Genetik auf molekularer Ebene sowie Strukturaufklärung und Synthese großer Biomoleküle. Ihre technische Anwendung heißt Biotechnologie. Kosmochemie behandelt chemische Vorgänge im Weltraum, etwa im interstellaren Raum, auf Staubkörnern oder auf Himmelskörpern wie Planeten, Kometen, Planetoiden und Monden.

Wirtschaft, Bildung und Öffentlichkeit

Die chemische Industrie zählt zu den wichtigsten Industriezweigen. Sie stellt Grundchemikalien wie Schwefelsäure oder Ammoniak oft in Mengen von Millionen Tonnen jährlich her und nutzt sie zum Beispiel für Düngemittel und Kunststoffe. Außerdem produziert sie komplexe Stoffe wie pharmazeutische Wirkstoffe und Pflanzenschutzmittel. Auch Computer, Kraft- und Schmierstoffe für die Automobilindustrie und viele technische Produkte sind ohne industriell hergestellte Chemikalien nicht möglich. In Deutschland lag der Umsatz der 20 umsatzstärksten deutschen Chemieunternehmen 2017 bei über 250 Milliarden Euro; die Zahl der Beschäftigten stieg von über 700.000 nach der Wiedervereinigung auf über 900.000 im Jahr 2017.

Chemie ist auch für andere Wissenschaften wichtig. In der Medizin hilft sie bei der Suche nach neuen Medikamenten und bei der Herstellung von Arzneimitteln. Ingenieurwissenschaften benötigen maßgeschneiderte Materialien, zum Beispiel leichte Materialien für den Flugzeugbau, belastbare Baustoffe oder hochreine Halbleiter. Die Physik braucht für Experimente oft hochreine Stoffe, deren Herstellung spezielle Synthesemethoden verlangt.

Im Schulunterricht soll Chemie Einblick in stoffliche Zusammensetzung, Stoffgruppen und Vorgänge in der Natur geben. Schülerinnen und Schüler sollen Stoffumwandlungen in belebter und unbelebter Natur als chemische Reaktionen erkennen. Außerdem soll Chemieunterricht Verständnis für moderne Technik fördern und zu mündigen Verbrauchern beitragen. Beruflich gibt es unter anderem Ausbildungen zum Chemielaboranten im dualen System, zum Chemisch Technischen Assistenten und zum Chemikanten, auch Chemie- und Pharmatechnologe genannt. Viele Universitäten bieten ein Chemiestudium an; viele Chemiker schließen daran eine Promotion an.

Das öffentliche Ansehen der Chemie hat sich gewandelt. Im 19. Jahrhundert überwog in Industriestaaten Begeisterung für ihre technischen Möglichkeiten. Später beschädigten der Erste Weltkrieg mit Explosivstoffen und chemischen Waffen, der Contergan-Skandal, die Katastrophe von Bhopal und Umweltprobleme das Bild der Chemie. Im deutschsprachigen Raum ist die Wahrnehmung tendenziell negativ geprägt, unter anderem durch schwer verständliche Formelsprache und Berichte über Chemiekatastrophen. Gleichzeitig ist in Europa durch Gesetze wie Chemikaliengesetz und Gefahrstoffverordnung eine weitgehend sichere Handhabung von Chemikalien gewährleistet. Das Jahr 2003 wurde zum Jahr der Chemie erklärt, 2011 von UN, UNESCO und IUPAC zum Internationalen Jahr der Chemie. Eine Untersuchung der Royal Society of Chemistry von 2015 ergab für das Vereinigte Königreich, dass die Öffentlichkeit der Chemie weniger negativ gegenübersteht, als Chemiker oft annehmen: 59 % sahen den Nutzen der Chemie größer als mögliche schädliche Effekte, 72 % erkannten ihre Bedeutung für wirtschaftliches Wachstum an.