Chemie - Definition und Bedeutung

Die Chemie, eine exakte Naturwissenschaft, ist die Lehre vom Aufbau, Verhalten und der Umwandlung von Materie sowie den dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten.

Sie entstand in ihrer heutigen Form im 17. und 18. Jahrhundert allmählich aus der Anwendung rationalen Denkens auf Beobachtungen und Experimente der Alchemie. Einige der ersten großen Chemiker waren Robert Boyle, Jöns Jacob Berzelius, Joseph Louis Gay-Lussac, Marie und Antoine Lavoisier und Justus von Liebig.

Chemie ist die Wissenschaft von den Stoffen (Substanzen) und den Stoffumsetzungen (chemischen Reaktionen) und wird in mehrere Fachgebiete, die anorganische Chemie, die organische Chemie und die Biochemie, getrennt. Sie beschäftigt sich in der Analytik damit, die uns umgebenden Gemische in Reinstoffe aufzutrennen, und diese zu identifizieren. Eine zusätzliche Hauptaufgabe, die Synthese, ist die gezielte Herstellung von Stoffen, zum Beispiel von naturidentischen Stoffen (etwa Farben, Aromen oder Heilmitteln) und von Stoffen mit zweckmäßigen bzw. verbesserten Eigenschaften (zum Beispiel Kunststoffe, Pestizide und Medikamente).

Die beiden Hauptaufgaben der Chemie werden ebenso Analyse (Untersuchung der Zusammensetzung, Auftrennung) und Synthese (Aufbau, Herstellung von Stoffen) genannt. Die Grundstoffe, aus denen man mittels chemischer Reaktion alle uns umgebende Materialien gewinnen kann, sind die Elemente, welche sich zu chemischen Verbindungen zusammenschließen. Eine Stoffumsetzung nennt man chemische Reaktion, sie steht im Zentrum der Chemie.

Die Elemente, aus denen sich alle Verbindungen zusammensetzen, bestehen nur aus einer Sorte von Atomen, welche die Grundbausteine der Materie sind. In den chemischen Verbindungen sind - entsprechend den Elementen, aus denen sie zusammengesetzt sind - mehrere Sorten von Atomen vorhanden. Chemische Verbindungen sind entweder Moleküle oder Ionen. Ein Molekül oder ein Ion ist dabei die kleinste Einheit einer chemischen Verbindung, die obendrein für diese Verbindung typische Eigenschaften zeigt.

Für die chemischen Eigenschaften einer Verbindung ist es allerdings nicht nur entscheidend, welche Atome sie enthält, sondern wie diese miteinander verbunden sind (siehe Chemische Bindung). Bei bestimmten Verbindungen (v.a. bei den Proteinen) sind nicht nur die Bindungen unter den Atomen maßgeblich für die Eigenschaften, sondern ebenso die räumliche Ausrichtung dieser Bindungen.

Entsprechend besteht die Herausforderung bei der chemischen Synthese in der Regel darin, selektiv Bindungen unter einzelnen Atomen zu knüpfen um dadurch die gewünschte Substanz herzustellen.

Die Chemie ist die Wissenschaft von der Struktur der Materie: Ihre Aufgabe ist die Bestimmung der Art und Anzahl der Atome im Molekül bzw. der Ionen in Salzen, sowie die Bestimmung ihrer genauen räumlichen Anordnung. Die zusätzliche Aufgabe der Chemie ist die planmäßige Darstellung von Stoffen mit gewünschten Eigenschaften, d.h. die gezielte Herstellung von Molekülen mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung (einer bestimmten Struktur).

Für das Verständnis des Aufbaus von Molekülen und Ionen sind ebenso Kenntnisse des Atombaus (aus Kern, bestehend aus Protonen und Neutronen, sowie der Elektronenhülle von Bedeutung. Für die Chemie relevant ist dabei ausschließlich der Aufbau der Elektronenhülle eines Atoms. Alle chemischen Vorgänge spielen sich in ihr ab. Atome, die sich ausschließlich im Aufbau des Kernes unterscheiden, sog. Isotope, sind chemisch gesehen in den meisten Fällen identisch und verhalten sich in chemischen Reaktionen annähernd gleich.

Noch tiefergehende Studien des Atombaus (zum Beispiel den Aufbau aus Quarks) gehören nicht zur Chemie, sondern in den Bereich der Kernphysik.

Die Chemie entwickelte sich aus der Alchemie, die in China, Europa und Indien schon seit Jahrtausenden praktiziert wurde.

Alchemie war die Untersuchung von Materie, wobei die Vorstellungswelt der Alchemisten nicht auf wissenschaftlichen Untersuchungen basierte, sondern auf Erfahrungstatsachen und empirischen Rezepten. Das Ziel ihrer Untersuchungen war eine Substanz mit dem Namen Stein der Weisen, die Stoffe wie Blei in Gold verwandeln konnte. Alchemisten führten eine große Auswahl Experimente mit vielen Substanzen durch, um diesen Stoff zu finden. Sie notierten ihre Entdeckungen und verwendeten für ihre Aufzeichnungen die gleichen Symbole, wie sie ebenso in der Astrologie üblich waren. Die mysteriöse Art ihrer Tätigkeit und die dabei fabrizierten farbigen Flammen, Rauch oder Explosionen führten dazu, dass sie als Magier und Hexer bekannt und teilweise verfolgt wurden. Für ihre Experimente entwickelten die Alchemisten die gleichen Apparaturen, wie sie heute obendrein in der chemischen Verfahrenstechnik verwendet werden.

Ein bekannter Alchemiker war Albertus Magnus. Er befasste sich als Kleriker mit diesem Themenkomplex und fand bei seinen Experimenten ein neues chemisches Element, das Arsen. Kein Alchemiker hat allerdings je den Stein der Weisen entdeckt und im 17. Jahrhundert wurde die alchemistische Arbeitsweise durch wissenschaftliche Methodik ersetzt. Einiges vom Wissen der Alchemisten wurde von den ersten Chemikern verwendet, die ihre Arbeit auf logische Schlussfolgerungen ihrer Beobachtungen gründeten und nicht auf der Idee, zum Beispiel Blei in Gold zu verwandeln.

Entscheidende Impulse erhielt die Chemie als Wissenschaft im 19. Jahrhundert. Die Arbeiten von Justus von Liebig über die Wirkungsweise von Dünger begründeten die Agrarchemie und lieferten wichtige Erkenntnisse über die anorganische Chemie. Die Suche nach einem synthetischen Ersatz für den Farbstoff Indigo zum Färben von Textilien waren der Auslöser für die bahnbrechenden Entwicklungen der organischen Chemie und der Pharmazie. Auf beiden Gebieten hatte man in Deutschland bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts eine absolute Vorrangstellung. Dieser Wissensvorsprung ermöglichte es zum Beispiel, den zur Führung des ersten Weltkrieges notwendigen Sprengstoff statt aus importierten Nitraten mit Hilfe der Katalyse aus dem Stickstoff der Luft zu gewinnen (siehe Haber-Bosch-Verfahren).

Die Autonomiebestrebungen der Nationalsozialisten gaben der Chemie als Wissenschaft zusätzliche Impulse. Um von den Importen von Erdöl unabhängig zu werden, wurden Verfahren zur Verflüssigung von Steinkohle entwickelt. Ein zusätzliches Beispiel war die Entwicklung von synthetischem Kautschuk für die Herstellung von Fahrzeugreifen.

In der heutigen Zeit ist die Chemie ein wichtiger Bestandteil der Lebenskultur geworden. Chemische Produkte umgeben uns überall, ohne dass wir uns dessen bewusst sind. Allerdings haben Unfälle der chemischen Großindustrie wie zum Beispiel die von Seveso und Bhopal der Chemie ein sehr negatives Image verschafft, so dass Slogans wie "Weg von der Chemie!" sehr populär werden konnten.

Die Forschung entwickelte sich um die Wende zum 20. Jahrhundert soweit, dass vertiefende Studien des Atombaus nicht mehr zum Bereich der Chemie gehören, sondern zur Atomphysik bzw. Kernphysik. Diese Forschungen lieferten dennoch wichtige Erkenntnisse über das Wesen der chemischen Stoffwandlung und der chemischen Bindung.

Chemische Reaktionen im Alltag finden zum Beispiel beim Kochen, Backen oder Braten statt, wobei häufig gerade die hier ablaufenden, recht komplexen Stoffumwandlungen zum typischen Aroma der Speise beitragen. Weiters wird Nahrung chemisch zerlegt und mit körpereigenen Abbauvorgängen in Bestandteile und ebenso Energie umgewandelt (Biochemie). Eine gut beobachtbare chemische Reaktion ist die Verbrennung.

Haarfärbung, Verbrennungsmotoren, Handy-Displays, Waschmittel, Dünger, u.v.m sind zusätzliche Beispiele für Anwendungen der Chemie im alltäglichen Leben.

Im Alltag wird der Begriff 'Chemie' häufig in einem eingeschränkten Sinn als Abkürzung für 'Produkt der chemischen Industrie' verwendet, zum Beispiel bei der 'Chemischen Reinigung': Diese reinigt Textilien mit (synthetischen) Lösungsmitteln. Der Reinigungsvorgang selbst ist in der Regel ein Lösen der Verunreinigung (zum Beispiel eines Fettflecks) im Lösungsmittel und damit kein chemischer Prozess (Stoffumwandlung) im eigentlichen Sinne, sondern ein physikalischer Vorgang (Lösen)! Im Gegensatz dazu ist das manchmal als 'Putzen ohne Chemie' gepriesene Auflösen von Kalkflecken mit Essig oder Zitronensaft sehr wohl ein chemischer Vorgang, da dabei festes Calciumcarbonat(Kalk) durch die Säuren zu löslichem Hydrogencarbonat bzw. Kohlendioxid umgesetzt wird.

Die Chemie befasst sich mit den Eigenschaften der Elemente und Verbindungen, mit den möglichen Umwandlungen eines Stoffe in einen anderen, macht Vorhersagen über die Eigenschaften für bislang unbekannte Verbindungen, liefert Methoden zur Synthese neuer Verbindungen und Messmethoden um die chemische Zusammensetzung unbekannter Proben zu entschlüsseln.

Obwohl alle Stoffe aus vergleichsweisen wenigen "Bausteinsorten", nähmlich aus ungefähr 80 bis 100 der 118 bekannten Elementen aufgebaut sind, führen die unterschiedlichen Kombinationen und Anordnungen der Elemente zu einigen Millionen sehr unterschiedlicher Verbindungen, die andererseits so unterschiedlichen Materieformen wie Wasser, Sand, Pflanzen- und Tiergewebe aufbauen. Die Art der Zusammensetzung bestimmt schließlich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Stoffe und macht damit die Chemie zu einer recht umfangreichen Wissenschaft.
Wie in allen Naturwissenschaften ist ebenso in der Chemie das Experiment die tragende Säule. An ihm werden Theorie über die Art der Umwandlung eines Stoffes in einen anderen Stoff entworfen, überprüft, erweitert und wenn nötig ebenso verworfen.

Fortschritte in den verschiedenen Teilgebieten der Chemie sind oftmals die unabdingbare Voraussetzung für neue Erkenntnisse in anderen Disziplinen, besonders in den Bereichen Biologie und Medizin, aber ebenso im Bereich der Physik (zum Beispiel Herstellung neuer Supraleiter). An der Schnittstelle unter Chemie und Biologie hat sich als weites Fachgebiet die Biochemie etabliert, die für das Verständnis der Lebensvorgänge, die untrennbar mit Stoffumsätzen verbunden sind, unentbehrlich ist. Dieser Sachverhalt wird manchmal mit dem Satz "Alles Leben ist Chemie" zum Ausdruck gebracht, da die meisten 'greifbaren' und messbaren Vorgänge im lebenden Organismen auf chemischen Reaktionen beruhen.

Für die Medizin ist die Chemie bei der Suche nach neuen Medikamenten und bei der Herstellung von Arzneimitteln unentbehrlich. Die Ingeneurwissenschafften suchen oftmalsje nach Anwendung nach maßgeschneiderten Materialien (leichte Materialien im Flugzeugbau, beständige und belastbare Baustoffe, hochreine Halbleiter...) Hier hat sich als Schnittstelle unter Chemie und den Ingeneurswissenschafften die Materialwissenschaft entwickelt.

Die Chemische Industrie ist - gerade ebenso in Deutschland - ein sehr bedeutender Wirtschaftszweig: In Deutschland liegt der Umsatz der Chemieindustrie über 100 Milliarden Euro, die Zahl der Beschäftigten lag nach der Wiedervereinigung Deutschlands über 700 000 und ist jetzt unter 500 000 gesunken. Sie stellt einmal Grundchemikalien wie zum Beispiel Schwefelsäure oder Ammoniak her - häufig im Maßstab von Millionen Tonnen jährlich -, die sie dann zum Beispiel zur Produktion von Düngemitteln und Kunststoffen verwendet. Andererseits produziert sie viele komplexe Stoffe, insbesonders Medikamente, maßgeschneidert für spezielle Zwecke. Auch die Herstellung von Computern, Kraft- und Schmierstoffen für die Automobilindustrie und vielen anderen technischen Produkten ist ohne industriell hergestellte Chemikalien ausgeschlossen.

Die Chemie hat in der Öffentlichkeit - ebenso aufgrund von Chemiekatastrophen und Umweltskandalen - ein relativ schlechtes Ansehen. Viele Fachleute empfinden dies angesichts des Nutzens und der allgemeinen Bedeutung der Chemie und bezogen auf die heutige Situation in Europa für nicht gerechtfertigt, weil hier unter anderem durch eine ziemlich strikte Gesetzgebung (etwa das Chemikaliengesetz) eine vergleichsweise sichere Handhabung von Chemikalien gewährleistet ist. Um dem entgegenzuwirken, wurde das Jahr 2003 von verschiedenen Trägerorganisationen zum "Jahr der Chemie" Netseite (http://www.jahr-der-chemie.de) erklärt.

Die Chemie lässt sich einmal nach den untersuchten Stoffen einteilen, wobei vor allem die traditionelle Unterteilung in Organische Chemie (Chemie der Kohlenstoffverbindungen) und Anorganische Chemie (Chemie der Elemente und der Verbindungen ohne Kohlenstoffkette) bedeutend ist. Diese etwas willkürliche Einteilung wird ebenso heute obendrein beibehalten, unter anderem deswegen, weil die organische Chemie stark vom Molekül bestimmt wird, die anorganische Chemie häufig von Ionen, Kristallen, Komplexverbindungen und Colloiden. Ein Gebiet, in dem sich die beiden Fachbereiche stark überlappen, ist die Organometallchemie.

Die in lebenden Organismen vorkommenden und umgesetzten Stoffe sind Thema der Biochemie. Die für lebende Organismen schädlichen Substanzen werden in der Toxikologie behandelt.

Die Radiochemie, ebenso Kernchemie genannt, behandelt die Eigenschaften und Umsetzungen radioaktiver Stoffe und stellt damit gleichfalls ein mit der Physik überlappendes Fachgebiet dar.

Eine zusätzliche und unabhängige Einteilung der Chemie ist die nach der Zielrichtung in die untersuchende, 'zerlegende' Analytische Chemie und in die aufbauende, produktorientierte Präparative oder Synthetische Chemie. In der Lehrpraxis der Universitäten ist die Analytische Chemie meist als Unterrichtsfach vertreten, während die Synthetische Chemie im Rahmen der organischen oder anorganischen Chemie behandelt wird.

Weitere Fachrichtungen sind die Allgemeine Chemie, die sich mit den Grundlagen der Chemie befasst, und die Physikalische Chemie, die chemische Fragestellungen und Systeme mit physikalischen Methoden untersucht. Sehr wichtig ist ebenso die Theoretische Chemie, welche quantenmechanische Modelle benutzt, um Eigenschaften von Molekülen vorherzusagen (Quantenchemie). Auch die Petrochemie, die chemische Verfahrenstechnik und die Polymerchemie sind zusätzliche (kleinere) Fachgebiete der Chemie.== Chemie in der Wikipedia ==

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