Fünf Grundbegriffe

Start >> Unterricht >> Gastbeiträge

Fünf chemische Grundbegriffe
Prof. Dr. Peter Buck, PH Heidelberg 2002

Peter Buck hat fünf Fachbegriffe formuliert, die er für das Begriffsgebäude der Chemie als fundamental ansieht. In diesem Beitrag erläutert er die Begriffe und nimmt eine fragmentarische Abgrenzung vor.

Inhalt
1. Der Begriff ›chemische Reaktion‹
2. Der Begriff ›chemisches Element‹
3. Der Begriff ›Atom‹
4. Der Begriff ›Stoff‹
5. Der Begriff ›chemische Energie‹
Zusammenhang der Grundbegriffe

1. Der Begriff ›chemische Reaktion‹

Wesentliche Bestimmungen des Begriffs:

Stoffe verschwinden und entstehen
Elemente bleiben erhalten
Atome werden umgeordnet
Es treten Energieeffekte auf

Der Begriff beschreibt Prozesse. Die dabei auftretenden "Energieeffekte" heißen streng genommen ›Wärme‹ und/oder ›Arbeit‹. Eine vollständige Reaktions-Gleichung ist erst durch Nennung der beteiligten Stoffe, der beteiligten Elemente und der Energieänderung gegeben. Der Begriff setzt somit die anderen Grundbegriffe voraus.

2. Der Begriff ›chemisches Element‹

Es existieren drei Bedeutungen des chemischen Elementbegriffs; d.h. es sind im chemischen Zusammenhang (mindestens) drei Sprachgebräuche üblich:

1. Element und Verbindung:
Diese Bedeutung geht auf Robert Boyle zurück: Ein Element ist ein Stoff, der nicht weiter in zwei oder mehr andere Stoffe zerlegt werden kann.

2. Element (auf das "principe" von Lavoisier zurückgehend):
Ein Element ist dasjenige, was bei einer chemischen Stoffumwandlung erhalten bleibt. Es ist Träger der Masse und bei Lavoisier eigenschaftsverleihend, z.B. das "principe oxygènique".

3. ›Element‹ und ›Atom‹ wird gleichgesetzt:
Bei diesem Sprachgebrauch sind ›elementare Stoffe‹ gemeint, d.h. Stoffe, die aus nur einer Atomart zusammengesetzt sind, aber ›Element‹ steht in diesem Sprachgebrauch nicht wie bei 1. auf der Ebene von ›Stoff‹.

Alle drei Sprachgebräuche werden meist (ohne Vorwarnung) nebeneinander verwendet. Der von der IUPAC empfohlene, dritte Sprachgebrauch macht den Elementbegriff eigentlich entbehrlich. Streng genommen müsste man bei ausschließlicher Anwendung dieses Sprachgebrauchs vom ›Periodischen System der elementaren Stoffe und Atomsorten‹ sprechen.

3. Der Begriff ›Atom‹

Atome sind durch wesentliche Bestimmungen gekennzeichnet:

Ein Atom ist immer "erster Aufbaustein" und nicht "letztes Teilungsstück", wie es oft dargestellt und auch durch den Namen irregeführt wird.
Atome sind zählbar.
Ein ›Atom‹ hat ausbleibende Selbstähnlichkeit beim Teilen, d.h. seine Komponenten weisen völlig andere Eigenschaften als das Atom selbst auf.
Es hat nur sehr wenige Eigenschaften, die mit den Begriffen aus der Erfahrungswelt beschrieben werden können. Es hat Masse, Raumsymmetrie (aber nicht Volumen!), Energie und Komposition. Ansonsten gilt in der der Welt der Atome Andersweltlichkeit (Begriff von Fladt).

In der Welt der Atome gelten bestimmte Gesetzmäßigkeiten:

Atome bestehen aus den Komponenten Proton (positiv geladen), Neutron (neutral) – beide bilden den „Kern“ – und Elektron (negativ geladen).
Die Elektronen können zugleich als Welle und als Teilchen in Erscheinung treten (Die Formel E = h x n drückt dies aus).
Die Energie im atomaren Bereich ist gequantelt (Spektren)
Es gilt das Pauli-Prinzip
Es gilt die Hund'sche Regel
Es gilt die Schrödinger-Gleichung

4. Der Begriff ›Stoff‹

Betrachten wir zunächst die DIN-Norm 32629 Stoffportion (Nov. 1988), Seite 4: "Zwei Stoffe sind einander gleich, wenn sie in allen „stofflichen“ Eigenschaften übereinstimmen." Also sind z.B. Graphit und Diamant zwei verschiedene Stoffe, und es gilt, dass im Stoff Eisensulfid die Stoffe Eisen und Schwefel nicht mehr vorhanden sind.

Erst von einer größeren Anzahl der Bausteine an werden die stofflichen Eigenschaften unabhängig von der „Größe“ des Gegenstands. Von dieser nicht scharfen Grenze an ist die Verwendung des Stoffbegriffs erst eindeutig. Der pragmatischer Stoffbegriff orientiert sich an der Praxis im Labor (zeitweilig IUPAC-Empfehlung): Ein Stoff wird durch seine Umwandlungstemperaturen (bei gegebenem Druck) und seine atomare Komposition charakterisiert, ersatzweise (wenn z.B. Umwandlungspunkte nicht bestimmt werden können) durch ausgewählte intensive Größen bei Normaldruck und -temperatur.

5. Der Begriff ›chemische Energie‹

Es existieren verschiedene Bedeutungen des Energiebegriffs. Zwei davon sind im Kontext von Chemieunterricht bedeutsam:

1. Der thermodynamische Energiebegriff:

Bei chemischen Reaktionen (unter konstantem Druck) ist die Enthalpiedifferenz der Edukte und Produkte (wenn keine Arbeit geleistet wird) gleich der (z.B. mit Kalorimetern messbaren) Wärme und/oder der Arbeit (z.B. der elektrischen Arbeit).

2. Der phänomenologische (bzw. der technische) Energiebegriff:

Es gibt verschiedene Energiearten, z.B. Wärmenergie, elektrische Energie usw.. Jede Energieart hat ihren spezifischen Prozess. Energiearten können ineinander umgewandelt werden; hierfür gilt ein Äquivalenzprinzip.

Der Zusammenhang der Grundbegriffe

Die fünf Grundbegriffe der Chemie stehen in einer ausgezeichneten Beziehung zu einander: Wenn man fünf Grundbegriffe annimmt, steht der Begriff ›chemische Reaktion‹ im Mittelpunkt eines Tetraeders, wenn man vier Grundbegriffe annimmt, steht der Begriff ›chemische Reaktion‹ im Mittelpunkt eines Dreiecks; in diesem Fall entfällt der Grundbegriff ›Element‹, weil der Grundbegriff ›Atom‹ mit dem Grundbegriff ›Element‹ gleichgesetzt werden kann (siehe die Begriffsdefinitionen für ›chemisches Element‹). Die Begriffsdefinition von ›chemische Reaktion‹ setzt die vier (drei) Grundbegriffe an den Ecken des Tetraeders (Dreiecks) voraus.

Der Begriff ›chemische Reaktion‹ ist ein eindeutiger und unumstrittener Grundbegriff. Die anderen Grundbegriffe sind nicht eindeutig festgelegt. Dies ist teilweise historisch bedingt, da verschiedene eindeutige Begriffsbestimmungen nebeneinander gebraucht werden. Beim Begriff ›Stoff‹ ist es bis jetzt noch nicht gelungen, eine brauchbare Definition zu formulieren.Der Begriff ›chemische Reaktion‹ ist ein Prozessbegriff, die anderen Grundbegriffe beschreiben Zustände. ›Stoff‹, ›Element‹ und ›Element‹ bezeichnen das in einem Prozess (chemische Reaktion) als invariant (dh. unverändert) Angesehene. Beispiel: Man sagt z.B. beim Schmelzen bleibt der Stoff "erhalten", bei einer chemischen "Umwandlung" bleibt das Element "erhalten", usw..