Stoffgruppe

Grundbegriff und Einteilung

Eine Stoffgruppe oder Stoffklasse umfasst in der Chemie Stoffe, die aufgrund einer gemeinsamen Eigenschaft zusammengefasst werden. Ein Stoff kann mehreren Stoffgruppen angehören, weil unterschiedliche Merkmale zur Einteilung verwendet werden können. Daher gibt es keine feste Zahl von Stoffgruppen; je nach Zweck und verbindender Eigenschaft lassen sich neue Gruppen definieren.

Grundsätzlich unterscheidet man chemische Elemente und chemische Verbindungen. Elemente bestehen aus nur einer Elementsorte. Verbindungen sind aus zwei oder mehr Elementen zusammengesetzt. Elemente können beispielsweise nach metallischen Eigenschaften, Aggregatzustand oder Stellung im Periodensystem geordnet werden. Verbindungen lassen sich unter anderem nach Bindungsart und Zahl der beteiligten Elemente klassifizieren.

Weitere Einteilungen richten sich nach Zusammensetzung und chemisch-funktionellen Eigenschaften, Anwendung, Wirkung auf Organismen, Löslichkeit in Wasser sowie Vorkommen und Herkunft. Beispiele sind Oxide, Säuren, Düngemittel, Explosivstoffe, Nährstoffe, Hormone, Vitamine, Rohstoffe, Naturstoffe und Kunststoffe.

Eine 1941 von Gerold Schwarzenbach veröffentlichte, heute überholte Einteilung unterscheidet vorwiegend unpolare und flüchtige, salzartige, diamant- und graphitartige sowie metallische Stoffe. Diamantartige Stoffe wurden durch sehr hohe Härte, hohe Schmelz- und Siedepunkte sowie völlige Unlöslichkeit in Wasser gekennzeichnet; typisch ist eine Atombindung. Eine ähnliche Einteilung wurde bereits 1928 diskutiert. Spätere Lehrbücher ergänzten Kunststoffe beziehungsweise hochmolekulare Stoffe.

Einteilung chemischer Elemente

Chemische Elemente können nach ihren metallischen Eigenschaften in Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle eingeteilt werden. Nach ihrem Zustand bei Raumtemperatur unterscheidet man Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase. Nur Brom und Quecksilber sind bei Raumtemperatur flüssige Elemente.

Eine wichtige Klassifikation folgt der Stellung im Periodensystem. Zu den Hauptgruppen gehören die Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, die Borgruppe oder „Erdmetalle“, die Kohlenstoffgruppe, die Stickstoffgruppe, die Chalkogene oder Sauerstoffgruppe, die Halogene und die Edelgase. Bei den Nebengruppen werden unter anderem Scandium-, Titan-, Vanadium-, Chrom-, Mangan-, Eisen-, Cobalt-, Nickel-, Kupfer- und Zinkgruppe unterschieden.

Mitglieder einer solchen Gruppe besitzen gemeinsame Eigenschaften. Edelgase sind beispielsweise farb- und geruchlos, äußerst reaktionsträge und nicht brennbar. Alkalimetalle sind dagegen extrem empfindlich gegenüber Luft und Wasser. Sie sind brennbar, reagieren mit Wasser zu Laugen und Wasserstoffgas, bilden mit Nichtmetallen und Säuren Salze und erzeugen charakteristische Flammenfärbungen.

Verbindungen und organische Stoffklassen

Chemische Verbindungen lassen sich nach ihrer Bindungsart klassifizieren. Zu den Gruppen gehören molekulare Verbindungen, Salze mit Ionenbindung, metallorganische Verbindungen mit Atombindung und Komplexe mit Komplexbindung beziehungsweise Assoziation. Salze werden meist nach ihren Anionen, also negativ geladenen Ionen, unterteilt. Beispiele sind Chloride, Fluoride, Iodide und Bromide sowie Chlorate, Bromate und Iodate. Weitere Gruppen sind Sulfate, Sulfide, Sulfite, Nitrate und Nitrite.

Nach der Zahl der beteiligten Elemente heißen Verbindungen binär, ternär oder quaternär, wenn sie aus zwei, drei beziehungsweise vier Elementen bestehen. Außerdem wird zwischen organischen und anorganischen Verbindungen unterschieden.

Die Kohlenstoffverbindungen bilden mit über 200 Millionen Stoffen die zahlenmäßig umfangreichste Stoffgruppe der Chemie. Ihr Grundgerüst besteht aus Kohlenstoffatomen. In der organischen Chemie ist meist die funktionelle Gruppe ausschlaggebend. Eine funktionelle Gruppe ist ein bestimmter Teil eines Moleküls, der dessen typische chemische Eigenschaften prägt. Verbindungen mit einer Hydroxygruppe in der Kohlenstoffkette werden beispielsweise den Alkoholen zugeordnet. Eine Stoffklasse kann daneben weitere funktionelle Gruppen besitzen. Andere Klassen beruhen auf einer bestimmten Kombination mehrerer funktioneller Gruppen, etwa die Aminosäuren.

Zu den organischen Stoffklassen zählen unter anderem Kohlenwasserstoffe, Alkane, Alkene, Alkine, Alkanole beziehungsweise Alkohole, Alkansäuren, Amide, Amine, Aminosäuren, Aromaten, Ketone, Aldehyde, Carbonsäuren und deren Derivate, Epoxide, Ester, Ether, Furane, Halogenalkane, Heterocyclen, Imine, Thiole und Thioether.

Aufbau und chemisches Verhalten

Nach Aufbau, Zusammensetzung und chemisch-funktionellen Eigenschaften entstehen zahlreiche weitere Stoffgruppen. Bei den Elementen gehören dazu beispielsweise Edelgase, Alkalimetalle und Buntmetalle. Salze können als Chloride, Oxide, Sulfide und Sulfate oder nach enthaltenen Teilchen als Blei-, Eisen-, Ammonium-, Kupfer- und Natriumsalze eingeordnet werden. Bei molekularen Verbindungen unterscheidet man unter anderem Säuren, Alkene, Nichtmetalloxide, Hydride und FCKWs. Metalle werden nach ihrer chemischen Stabilität in der Umwelt in Edelmetalle und unedle Metalle gegliedert.

Sowohl organische als auch anorganische Stoffe können Säuren oder Basen bilden. Entscheidend ist meist das Verhalten in wässriger Lösung: Säuren können Protonen abgeben, Basen können Protonen aufnehmen. Zu den organischen Säuren gehören Carbonsäuren; anorganische Beispiele sind Salpetersäure, Schwefelsäure und Chlorwasserstoff. Nahezu alle Amine sind organische Basen. Anorganische Basen sind alle Hydroxid-Salze der Alkali- und Erdalkalimetalle, beispielsweise Natriumhydroxid.

Anwendung, Wirkung und Labor

Stoffgruppen können nach Verwendung, Wirkung und geeigneten Eigenschaften gebildet werden. Solche Gruppen dürfen neben Reinstoffen auch Stoffgemische umfassen. Beispiele sind Farbstoffe, Pigmente und Bleichmittel; Düngemittel, Nährstoffe und Ballaststoffe; Bitter-, Süß-, Würz- und Aromastoffe; Klebstoffe, Verdickungs-, Binde- und Abbindemittel; Verdünnungs-, Lösungs- und Beizmittel sowie Sprengstoffe.

Weitere anwendungsbezogene Gruppen sind Arznei- und Heilmittel beziehungsweise Wirkstoffe, Schädlingsbekämpfungsmittel oder Pestizide, chemische Kampfmittel und Giftstoffe sowie Suchtmittel und ihre Gegenmittel, die Antidote.

Auch im Chemielabor richtet sich die Einteilung nach dem Zweck. Nachweismittel sind Reagenzien für Nachweisreaktionen, etwa für Kationennachweise. Fällungsmittel überführen lösliche Verbindungen in unlösliche und können dadurch zur Stofftrennung dienen. Reduktions- und Oxidationsmittel werden bei Redoxreaktionen eingesetzt. Aufschlussmittel überführen in Aufschlussverfahren unlösliche Verbindungen in lösliche und damit nachweisbare Verbindungen.

Naturstoffe, Kunststoffe und biochemische Gruppen

Zu den Naturstoffen gehören natürliche makromolekulare Stoffe wie Lignin, Cellulose und Stärke sowie Kohlenwasserstoffe wie Erdöl und Erdgas. Auch Farbstoffe werden als Gruppe genannt; Indigo ist ein Beispiel für einen natürlichen Farbstoff. Daneben gibt es naturidentische Stoffe.

Kunststoffe werden sowohl nach der Art der Polymerisation als auch nach ihren Monomeren, den molekularen Ausgangsbausteinen, klassifiziert. Beispiele sind Polyester, Polyvinylchlorid und Polystyrol. Besteht ein Kunststoff aus mehreren Monomersorten, wird er als Copolymer bezeichnet; davon werden Kunststoffe aus nur einer Monomersorte unterschieden.

In der Biochemie gelten Proteine, Kohlenhydrate, Lipide und Nukleinsäuren als vier grundlegende Stoffklassen und als Bausteine lebender Organismen.

Drogen sind (bio)chemische Stoffe, die auf das menschliche Bewusstsein einwirken; in einer allgemeineren Bedeutung sind es physiologisch wirksame Substanzen. Als zwei besonders wichtige Stoffklassen werden Alkaloide und Terpenoide mit verschiedenen Unterklassen genannt. Chemische Kampfstoffe sind gegen Menschen eingesetzte Gifte. Sie werden nach dem betroffenen biochemischen System und ihrer Wirkung klassifiziert.