Lars Dietrich

Energieumsatz chemischer Reaktionen

„Energie“ ist bei der Betrachtung chemischer Reaktionen eine wichtige Grose. Wir werden dir in Kap. 10 erklaren, wie Chemiker Energie betrachten und definieren. „Arbeit“ wird ebenfalls ein wichtiger Begriff sein, und du wirst lernen, dass auch bei chemischen Reaktionen Arbeit verrichtet werden kann. Nach den energietheoretischen Grundlagen schauen wir uns dann an, wie wir den Energieumsatz bei chemischen Reaktionen beschreiben und messen konnen. Wo taucht Energie in chemischen Reaktionen auf und wo kommt sie her? Diese Frage wirst du nach diesem Kapitel beantworten konnen.

Chemische Reaktionen im Überblick

Zum Verstandnis chemischer Reaktionen gibt es ebenfalls ein paar grundlegende Konzepte und Begriffe, die wir zu Anfang einfuhren und zum Teil wiederholen werden. Dir soll klar werden, was man unter einer chemischen Reaktion versteht und wie du sie sowohl qualitativ als auch quantitativ beschreiben kannst. Das Massenwirkungsgesetz bildet dabei einen wichtigen Baustein, auf den viele theoretische Uberlegungen in den folgenden Kapiteln aufbauen werden.

Chemie verstehen – der Weg zum Ziel

Unser Ziel ist es, dir ein Buch an die Hand zu geben, das leicht zu lesen ist. Wir schreiben daher so, als wurden wir vor dir sitzen und dir personlich erklaren. Wir greifen bei unseren Erklarungen auf die Erfahrung zuruck, die wir beim Lernen mit unseren Kommilitoninnen und Kommilitonen gemacht haben und auf die Lehrerfahrung, die wir mit Studienanfangern im Rahmen von Tutorien und Ubungsgruppen gesammelt haben. Und deshalb haben wir uns auch dazu entschieden, dich in diesem Buch zu duzen. Wir sehen uns als deine Mitstudierenden und nicht als distanzierte Lehrer, die wir schlieslich auch nicht sind. Wir glauben, dass es dir helfen kann, wenn du vor der Lekture der fachspezifischen Kapitel weist, warum welches Kapitel welche Inhalte und in welcher Reihenfolge prasentiert – insbesondere deshalb, weil sich der Aufbau dieses Buches vom Aufbau der meisten anderen Bucher unterscheidet. Solltest du es aber nicht mehr erwarten konnen, direkt in die Materie einzusteigen, kannst du dir dieses Kapitel naturlich auch sparen. Es liefert keine notwendigen fachspezifischen Inhalte. Lediglich Abschn. 1.4 solltest du dir vorweg anschauen und sicherstellen, dass du diese Inhalte kennst.

Grundbegriffe der Chemie

In Kap. 2 stellen wir fundamentale Grundbegriffe der Chemie vor. Dabei wird es sich hauptsachlich um Begriffe handeln, die den praktischen Umgang mit dem Fach Chemie ermoglichen. Wir beginnen also zunachst nur mit ganz wenigen objektsprachlichen Begriffen und starten masgeblich mit der Begleitsprache der Chemie. Anders ausgedruckt: Wir fuhren nur die wichtigsten Begriffe dazu ein, woruber wir reden (Naturobjekte, Konzepte zur Beschreibung) und besprechen zunachst die wichtigsten Grundbegriffe des wie daruber reden (Formeln zum Rechnen, Uberbegriffe einzelner Gebiete der Chemie usw.). Dabei erklaren wir aber die wichtigsten objektsprachlichen Begriffe fur den Anfang: grundsatzlicher Aufbau von Atomen, Stoffen, Stoffgemischen, usw.

Einfluss des Aufbaus chemischer Verbindungen auf ihr Verhalten

Die Welt der Chemie ist vielfaltig und schier unuberschaubar. Anhand der Inhalte aus den Kap. 5–7 bist du nun jedoch in der Lage, dir die Eigenschaften auch unbekannter chemischer Verbindungen herzuleiten, wenn du dir ihren Aufbau genau anschaust. Wir erklaren dir, wie du auf diese Weise die komplexe Welt der Chemie zerlegen kannst, und zwar in kleine, leicht verstandliche Einheiten, die anschliesend zu einem groseren Ganzen zusammengesetzt werden konnen. Kap. 8 bildet auch den Ubergang zu Teil III des Buches. Mit einzelnen Beispielen greifen wir vorweg und erklaren bereits Ablaufe von chemischen Reaktionen, die du aufgrund des Aufbaus der beteiligten Molekule verstehen kannst.

Das biologische Abschlusskapitel

Das letzte Kapitel unseres Buches umfasst nur ein Kapitel, dass als eine Art Rahmung dient. Du kannst es an den Beginn deines Lernprozesses stellen, wenn du noch keine Ahnung von Chemie hast oder zu haben glaubst. Dann wird dir Kap. 14 anhand von zwei Beispielen aus der Biologie zeigen, warum du Chemie brauchst, um die Prozesse des Lebens uberhaupt richtig verstehen zu konnen. Alternativ kannst du das Kapitel auch als letztes lesen (oder als letztes noch einmal lesen). Dann kannst du anhand der Beispiele prufen, ob du die chemischen Inhalte der vorangegangenen Kapitel ausreichend gut verstanden hast, um die Beispiele detailliert zu verstehen. Im Zweifelsfall erkennst du dann auch, zu welchen Inhalten du noch einmal zuruckkehren solltest.

Chemie für Biologen

Chemie hast du noch nie so richtig verstanden? Du hast Dein Studium der Biologie begonnen, aber hast Respekt vor der damit verknupften Chemie? Schatzt du dein Vorwissen in Chemie als unzureichend ein? Hast du vielleicht sogar gar kein Vorwissen in Chemie? Keine Sorge! In diesem Buch erklaren wir dir die Grundlagen der Chemie – ausfuhrlich und direkt von Studi zu Studi. Wir greifen auf unsere eigenen Erfahrungen als Tutoren fur Biologie-Studierende im Fach Chemie zuruck, und wir erinnern uns selbst noch gut an so manche gedankliche Hurde beim Lernen. Diese Hurden mochten wir fur dich einreisen und fuhren dich somit von den grundlegenden Anfangen bis hin zu einem soliden Verstandnis durch die Welt der Chemie – egal fur wie ahnungslos du dich jetzt noch halten magst. In zahlreichen Beispielen aus dem Fach Biologie zeigen wir dir dabei, warum Chemie fur Biologie-Studierende wichtig ist. Wir mochten, dass du Chemie verstehen lernst und nach der Lekture dieses Buches Spas daran hast, tiefergehenden Fragestellungen aus der Chemie auf den Grund zu gehen. Denn mit einem guten Verstandnis fur Chemie wird jede Beschaftigung mit der Biologie erst besonders spannend – egal ob du Biologie studierst, in einem im weitesten Sinne biowissenschaftlich orientierten Studiengang eingeschrieben bist oder ob du eine Ausbildung mit biowissenschaftlichen Inhalten absolvierst. Wirf einen Blick ins Buch und finde heraus, was es alles zu entdecken gibt. Die besonderen Starken dieses Buches: einfache, sehr ausfuhrliche und bewusst wiederholende Erklarungen zu allen wichtigen Grundlagen der Chemie genaue Erklarung der korrekten akademischen Fachsprache zahlreiche textbegleitende Beispiele fur Fragestellungen aus der Biologie, die nur mit Chemie so richtig befriedigend verstanden werden konnen ein biologisches Beispielkapitel, um deine Motivation vor dem Lesen des Buches zu erhohen, das dir auch bei der Selbstkontrolle helfen kann

Struktur von Molekülen

Aus dem Aufbau der Atome und ihrer Fahigkeit, chemische Bindungen einzugehen, leiten wir nun ab, welche raumlichen Strukturen Molekule einnehmen. Raumliche Strukturen zu verstehen ist fur Biologen sehr wichtig, und wir werden dir erklaren, warum. Um die raumlichen Strukturen richtig verstehen zu konnen, erweitern wir die Atomorbitaltheorie hier zur Molekulorbitaltheorie. Diese ist essenziell fur ein tief gehendes Verstandnis biochemischer Prozesse, denen du im Verlauf deines Studiums begegnen wirst.

Stoffgemische und Stofftrennung

Ab Kap. 4 erweitern wir diese Uberlegungen auf Stoffgemische. In der Natur haben wir es praktisch immer mit Stoffgemischen zu tun. Ein zentrales Thema dieser Kapitel werden Wechselwirkungen zwischen Teilchen sein. Wir werden lernen, welche Wechselwirkungen es gibt und dass diese unterschiedlich stark sind. Allerdings werden wir noch nicht im Detail verstehen, warum es diese unterschiedlichen Starken von Wechselwirkungen gibt.

Materie und ihre Eigenschaften

Ab Kap. 3 beginnen wir damit, die Natur zu beschreiben. Es ist nicht selbstverstandlich, dass du in der Lage bist, dir die Welt aus winzigen Teilchen zusammengesetzt vorzustellen, die irgendwie die mannigfaltigen Formen und Farben unserer wahrnehmbaren Umwelt erzeugen. Bevor wir den genauen Aufbau der Atome betrachten, solltest du uberhaupt erst einmal in der Lage sein, dir kleine Teilchen wie Atome und Molekule vorzustellen und wie daraus die Materie zusammengesetzt sein kann. Um dir diese Vorstellung zu vermitteln, uberlegen wir zunachst, was eigentlich Materie ist und wie sich die Teilchen der Materie in der Natur verhalten. Zur Vereinfachung und Darstellung der grundlegenden Konzepte beginnen wir mit Reinstoffen, also Stoffen, die genau eine bestimmte Art von Teilchen in groser Zahl enthalten.