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Stoff (Chemie)

Stoff (Chemie)

Aus chemischer Sicht ist ein Stoff einfach Materie. Ein Stoff ist alles, was Raum einnimmt und Masse hat. Es lässt sich hierbei unterscheiden zwischen:
- Reinstoffen
- Elemente
- chemische Verbindungen (u. a. Molekülverbindungen) und
- Gemischen
- Lösungen
- Emulsionen
- Gemenge
- usw. (weitere Gemischtypen siehe Gemisch) Chemische Stoffe sind durch ihre spezifischen Eigenschaften charakterisiert.

Siehe auch

Chemische Grundbegriffe Kategorie:Chemie

Chemisch

Die Chemie (von arabisch al-kimiya' ) ist die Lehre vom Aufbau, Verhalten und der Umwandlung der chemischen Elemente und ihren Verbindungen sowie den dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten. Die Chemie entstand in ihrer heutigen Form als exakte Naturwissenschaft im 17. und 18. Jahrhundert allmählich aus der Anwendung rationalen Schlußfolgerns auf Beobachtungen und Experimente der Alchemie. Einige der ersten großen Chemiker waren Robert Boyle, Humphry Davy, Jöns Jacob Berzelius, Joseph Louis Gay-Lussac, Joseph-Louis Proust, Marie und Antoine Lavoisier und Justus von Liebig. Justus von Liebig

Was ist Chemie?

Definition

Die Chemie ist die Wissenschaft, die sich mit Stoffen (Substanzen), deren Umsetzung(en) (chemischen Reaktionen), sowie der Darstellung (Synthese), der Bestimmung und der Anwendung dieser Stoffe (bzw. deren Eigenschaften) beschäftigt. Da die für die Chemie relevanten Eigenschaften der Atome fast ausschließlich in ihrer elektronischen Struktur (Elektronenhülle) begründet liegen, können grundlegende Aufgabengebiete der Chemie auch als „Physik der äußeren Elektronenhülle“ betrachtet werden. Der Atomkern hat praktisch keinen Einfluss auf chemische Prozesse. Untersuchungen zum Aufbau von Atomkernen fallen nicht in den Bereich der Chemie, sondern sind Bestandteil der Kernphysik.

Stoff und Stoffumsetzung

Die chemisch kleinsten Grundbausteine, aus denen alle uns umgebenden Materialien bestehen, sind die Elemente, welche sich zu chemischen Verbindungen zusammenschließen. Eine Stoffumsetzung nennt man chemische Reaktion; sie steht im Zentrum der Chemie. In einer chemischen Reaktion kommt es niemals zu Elementumwandlungen, was die Chemie als Naturwissenschaft grundsätzlich von der mittelalterlichen Vorstellung der Alchemie abgrenzt. Elementumwandlungen sind rein physikalische Prozesse (z.B. radioaktiver Zerfall).

Atom und Molekül

Alchemieen umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen]] Atome sind für den Chemiker die Grundbausteine der Materie, da sie sich chemisch nicht in kleinere Einheiten spalten lassen. Ein chemisches Element besteht aus Atomen mit einer bestimmten Anzahl an Protonen im Kern. Chemische Elemente können dennoch aus verschiedenen Atomen (Isotope) bestehen, die sich in der Anzahl an Neutronen im Kern unterscheiden. Verschiedene Isotope zeigen gleiches chemisches, aber unterschiedliches physikalisches Verhalten (z.B. Siedepunkt, Schmelzpunkt). Die chemischen Elemente können in mannigfaltiger Weise chemische Bindungen untereinander eingehen. Dann spricht man von einer chemischen Verbindung. Je nach Polarität der Bindung zwischen den Elementen unterscheidet man unpolare kovalente Bindungen, polare kovalente Bindungen und ionische Bindungen, in denen mindestens ein Elektron der miteinander eine chemische Verbindung eingehenden Elemente oder Moleküle ganz bei einem Bindungspartner lokalisiert ist. Verbindungen, in denen die Elemente kovalent miteinander gebunden sind nennt man Moleküle. Verbindungen, die ionisch aufgebaut sind, nennt man Salze. Von Molekülionen spricht man, wenn elektrisch geladene Moleküle vorliegen. Des weiteren spricht man von einer metallischen Bindung, wenn die äußeren Elektronen, die für eine chemische Bindung zur Verfügung stehen, zwischen den Atomen delokalisiert und frei beweglich sind. Die chemischen Elemente selbst liegen als Metalle, als Moleküle (z.B. die zweiatomigen Gase der 2. Periode: O₂, N₂, F₂) oder als Atome (ausschließlich die Edelgase: He, Ne, Ar, Kr, Xe und Rn) vor. Die Art und Weise, wie sich die Atome eines Elementes verbinden, kann dabei immer noch unterschiedlich sein und zu so unterschiedlichen Substanzen wie Graphit und Diamant führen, beides Modifikationen elementaren Kohlenstoffs. Auch kann ein Element als eine metallische und als eine Modifikation mit kovalenten Bindungen vorliegen, z.B. Zinn. Für die chemischen Eigenschaften einer Verbindung ist es jedoch nicht nur entscheidend, welche Atome sie enthält, sondern wie diese miteinander verbunden sind (siehe Chemische Bindung). Bei bestimmten chemischen Verbindungen, vor allem bei Proteinen, sind nicht nur die Bindungen zwischen den Atomen maßgeblich für die chemischen Eigenschaften sondern auch die räumliche Ausrichtung dieser Bindungen. Die Herausforderung bei der chemischen Synthese besteht in der Regel darin, selektiv Bindungen zwischen einzelnen Atomen der Reaktandmoleküle zu lösen und/oder zu knüpfen, um dadurch eine gewünschte Substanz (Reaktionsprodukt) herzustellen.

Bedeutung der Chemie

Geschichte der Chemie

Hauptartikel: Geschichte der Chemie 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 sollte. 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 auch 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 noch 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, beispielsweise Blei in Gold zu verwandeln. wissenschaft 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 beispielsweise, 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 weitere Impulse. Um von den Importen von Erdöl unabhängig zu werden, wurden Verfahren zur Verflüssigung von Steinkohle entwickelt (Fischer-Tropsch-Synthese). Ein weiteres 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 beispielsweise 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. Weitere wichtige Impulse gingen dabei auch von Entdeckungen in der Quantenphysik aus (Elektronen-Orbitalmodell).

Chemie im Alltag

Chemische Reaktionen im Alltag finden zum Beispiel beim Kochen, Backen oder Braten statt, wobei oft gerade die hier ablaufenden, recht komplexen Stoffumwandlungen zum typischen Aroma der Speise beitragen. Weiterhin wird Nahrung chemisch zerlegt und mit körpereigenen Abbauvorgängen in Bestandteile und auch Energie umgewandelt (Biochemie). Eine gut beobachtbare chemische Reaktion ist die Verbrennung. Haarfärbung, Verbrennungsmotoren, Handy-Displays, Waschmittel, Dünger, Arzneimittel u.v.m. sind weitere Beispiele für Anwendungen der Chemie im alltäglichen Leben. Im Alltag wird der Begriff 'Chemie' oft 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 (beispielsweise 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. Kohlenstoffdioxid umgesetzt wird.

Chemie als Wissenschaft

Die Chemie befasst sich mit den Eigenschaften der Elemente und Verbindungen, mit den möglichen Umwandlungen eines Stoffes 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 vergleichsweise wenigen "Bausteinsorten", nämlich aus etwa 80 bis 100 der 118 bekannten Elemente aufgebaut sind, führen die unterschiedlichen Kombinationen und Anordnungen der Elemente zu einigen Millionen sehr unterschiedlichen Verbindungen, die wiederum so unterschiedliche 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 auch 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 auch 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 auch im Bereich der Physik (zum Beispiel Herstellung neuer Supraleiter). An der Schnittstelle zwischen 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 Ingenieurwissenschaften suchen häufig je nach Anwendung nach maßgeschneiderten Materialien (leichte Materialien im Flugzeugbau, beständige und belastbare Baustoffe, hochreine Halbleiter...). Hier hat sich als Schnittstelle zwischen Chemie und den Ingenieurswissenschaften die Materialwissenschaft entwickelt.

Wirtschaftliche Bedeutung der Chemie

Die chemische Industrie ist - gerade auch in Deutschland - ein sehr bedeutender Wirtschaftszweig: In Deutschland liegt der Umsatz der Chemieindustrie bei über 100 Milliarden Euro, die Zahl der Beschäftigten lag nach der Wiedervereinigung Deutschlands bei über 700 000 und ist jetzt unter 500 000 gesunken. Sie stellt einmal Grundchemikalien wie beispielsweise Schwefelsäure oder Ammoniak her - oft im Maßstab von Millionen von Tonnen jährlich -, die sie dann zum Beispiel zur Produktion von Düngemitteln und Kunststoffen verwendet. Andererseits produziert sie viele komplexe Stoffe, insbesondere 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 unmöglich.

Ansehen der Chemie

Die Chemie hat in der Öffentlichkeit - auch 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 (Chemikaliengesetz, Gefahrstoffverordnung) eine vergleichsweise sichere Handhabung von Chemikalien gewährleistet ist. Um dem entgegenzuwirken, wurde das Jahr 2003 von verschiedenen Trägerorganisationen zum "Jahr der Chemie" ([http://www.jahr-der-chemie.de Netseite]) erklärt.

Fachrichtungen

Üblicherweise wird die Chemie in drei große Bereiche eingeteilt.
- Anorganische Chemie (Chemie der Elemente und der Verbindungen ohne Kohlenstoffkette)
- Organische Chemie (Chemie der Kohlenstoffverbindungen)
- Physikalische Chemie (Anwendung mathematisch-physikalischer Methoden auf chemische Problemstellungen) Die traditionelle aber auch etwas willkürliche Unterscheidung zwischen anorganischer und organischer Chemie wird auch heute noch beibehalten. Ein Grund besteht darin, dass die organische Chemie stark vom Molekül bestimmt wird, die anorganische Chemie oft von Ionen, Kristallen, Komplexverbindungen und Kolloiden. Ein Gebiet, in dem sich die beiden Fachbereiche stark überlappen, ist die Organometallchemie. Die Physikalische Chemie unterscheidet sich von Anorganik und Organik nicht durch das Untersuchungsobjekt, sondern dadurch, dass hier versucht wird, selbiges mittels physikalischer Modelle zu beschreiben. Neben diesen drei großen Bereichen gibt es noch eine ganze Reihe weiterer Fachgebiete, die oft in einem Grenzbereich zu einer anderen Wissenschaft angesiedelt sind.
- Die Allgemeine Chemie befasst sich mit den Grundlagen der Chemie
- Die Technische Chemie beschäftigt sich mit der Umsetzung von chemischen Reaktionen im Labormaßstab auf großmaßstäbliche Industrieproduktion.
- Die in lebenden Organismen vorkommenden und umgesetzten Stoffe sind Thema der Biochemie
- Die für lebende Organismen schädlichen Substanzen werden in der Toxikologie behandelt
- Die Kernchemie, auch Radiochemie genannt, behandelt die Eigenschaften und Umsetzungen radioaktiver Stoffe
- Die Theoretische Chemie versucht durch Rechnung und/oder Computersimulation Eigenschaften von Stoffen vorherzusagen und physikalische Modelle zu entwickeln.
- Die Makromolekulare Chemie befasst sich mit Polymeren
- Die Chemie im Weltall wird von der Kosmochemie behandelt
- Das Hauptziel der Computerchemie ist es, Software zu erstellen und anzuwenden, um Eigenschaften von Molekülen zu berechnen.
- Die Geochemie beschäftigt sich mit dem stofflichen Aufbau der Erde
- ... Eine weitere Möglichkeit ist es, die Chemie nach der Zielrichtung in die untersuchende, 'zerlegende' Analytische Chemie und in die aufbauende, produktorientierte Präparative- oder Synthetische Chemie aufzuspalten. In der Lehrpraxis der Universitäten ist die Analytische Chemie oft als Unterrichtsfach vertreten, während die Synthetische Chemie im Rahmen der organischen oder anorganischen Chemie behandelt wird.

Chemie in der Wikipedia

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Chemische Grundbegriffe

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Chemischer Formalismus

- chemischer Formalismus

Berühmte Chemiker

- Bedeutende Chemiker (chronologisch) (nach Geburtsdatum geordnet)
- Bedeutende Chemiker (alphabetisch)
- Bedeutende Chemiker (Kategorien) (nach den Fachgebieten geordnet, dort alphabetisch)
- Liste der Nobelpreisträger für Chemie, Nobelpreisträger

Literatur

- Eine Zusammenstellung von ausgewählten Beiträgen aus Spekturm der Wissenschaft: Digest: Moderne Chemie. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg, Juni 1995,
- Pedro Cintas: Der Weg zu chemischen Namen und Eponymen: Entdeckung, Priorität und Würdigung. Angewandte Chemie 116(44), S. 6012 - 6018 (2004),
- Joachim Kranz; Manfred Kuballa: Chemie im Alltag, Berlin, 2003, 3-589-21692-1

Weblinks

- [http://dc2.uni-bielefeld.de Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie]
- [http://www.versuchschemie.de Chemieforum und Experimente]
- [http://www.chemikalien.de Portal mit Forum zur Chemie]
- [http://www.chemie-lk.de Chemie-Portal mit Forum für den Chemie-Leistungskurs]
- [http://www.TOMCHEMIE.de Chemie-Portal mit Forum und einem Chemiechat, Tomchemie]
- [http://www.chemie.de Deutsches Chemie-Portal]
- [http://www.Netchemie.de Netchemie - Chemie für Schule Studium und Alltag: Lexika, Versuche, Software und Forum]
- [http://www.cci.ethz.ch/de/start.html Chemische Experimente auf dem WEB] - Ziel dieses Angebotes der ETHZ ist es, den Studierenden und Dozierenden auf Video aufgezeichnete Experimente jederzeit bereitzustellen
- [http://www.experimentalchemie.de Experimentalchemie.de] - Chemische Experimente für Unterricht und zu Showzwecken ---- ! als:Chemie ja:化学 ko:화학 ms:Kimia simple:Chemistry th:เคมี

Materie

Materie (lat.: materia = »Stoff«) ist eine allgemeine Bezeichnung für alles Stoffliche, was uns umgibt und aus dem wir selbst bestehen. Im physikalischen Sinne ist Materie alles was aus Quarks und Leptonen in mehr oder weniger komplexer Struktur aufgebaut ist. Im philosophischen Sinn bezeichnet Materie die objektive Realität, die von unseren Sinnen abgebildet oder widergespiegelt wird (W.I. Lenin, Materialismus und Empiriokritizismus. Berlin 1962). Die definierenden Eigenschaften von Materie sind ihre Masse, der Raumbedarf, die Struktur und die innere Wärmeenergie. Unter Materie im weiteren Sinne werden sowohl Materie im engeren Sinne wie auch Antimaterie zusammengefasst.

Allgemeines

Materie ist aus kleinsten Teilchen aufgebaut, den Atomen, welche wiederum Moleküle bilden können. Diese kleinsten Teilchen dienen vielen physikalischen Modellen der Mechanik als Grundlage. Atome bestehen wiederum aus Protonen, Neutronen und Elektronen, den Elementarteilchen, die man häufig auch mit dem Begriff Materie gleichsetzt.

Aggregatzustände

Es gibt mehrere Erscheinungsformen (Aggregatzustände) von Materie:
- fest
- flüssig
- gasförmig
- Plasma
- Bose-Einstein-Kondensat
- Fermionen-Kondensat (Deborah Jin, 2003) Nach neuerer Definition sind die Begriffe fest und flüssig abgeschafft, und man unterscheidet statt dessen kristallin und amorph. Wenn Materie von einem Aggregatzustand in den anderen übergeht, dann wird die innere Ordnung der Materie stark verändert. Die Entropie kann sich dabei auch bei gleichbleibender Temperatur stark verändern. Diese Phasenübergangsphänomene werden von der Thermodynamik untersucht.

Entstehung der Materie

Beim Urknall wurden große Energiemengen freigesetzt und die expandierende vierdimensionale Raumzeit entstand. Diese gewaltigen Energiemengen führten zur Entstehung großer Mengen an dicht gepackten Elementarteilchen. In der so genannten Hadronen-Ära zwischen 10^-32 und 10^-4 Sekunden nach dem Urknall entstanden die ersten stabilen Protonen und Neutronen. In der so genannten Leptonen-Ära darauf bis zur 1. Sekunde nach dem Urknall, entstanden die ersten stabilen Elektronen. Bis in diese Zeit vernichteten sich Materie und Antimaterie gegenseitig. Letztlich blieb die Materie zurück. Siehe Supersymmetrie. In der folgenden Strahlungs-Ära entstanden Wasserstoff (auch: Protium), Deuterium und Tritium. Eine Million Jahre nach dem Urknall begann die heutige Materie-Ära. Die Wasserstoffwolken bildeten Galaxien und Sterne, und in jenen fusionierte der Wasserstoff zu Helium bis Kohlenstoff und Eisen, den in unserem Universum verbreitetsten chemischen Elementen. Man vermutet, dass durch die Kollision von Neutronensternen, aber insbesondere auch in Supernovae weitere, schwerere, seltenere Elemente entstanden sind, wie Gold, Blei und Uran.

Eigenschaften von Materie

Materie hat einige wichtige Eigenschaften:
- Masse
- Volumen
- Struktur
- Stoffmenge
- Wärmeenergie

Komplikationen

Mit der Entwicklung der Speziellen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik stellte Albert Einstein die bekannte Formel E = mc² (Energie = Masse × Lichtgeschwindigkeit²) auf. Hierdurch kann man auch elektromagnetischer Strahlung (Licht, Wärmestrahlen etc.), deren Elementarteilchen, das Photon, keine Ruhemasse hat, eine 'dynamische' Masse zuordnen. Umgekehrt haben auch massive Materieteilchen Welleneigenschaften (siehe Materiewelle). Beispielsweise hat ein Elektronenstrahl eine von der Energie der Elektronen abhängige De-Broglie-Wellenlänge (nach Louis Victor de Broglie). Man spricht vom Welle-Teilchen-Dualismus. Daher wird die Bedingung, dass Materie Masse haben muss, durch die Bedingung, dass Materie Ruhemasse haben muss, ersetzt. Zusammenfassend kann man sagen, dass Materie aus Atomen besteht, welche wiederum aus Fermionen aufgebaut sind.

Keine Materie

- Dagegen zählt man elektromagnetische Strahlung, genau wie alle anderen (ruhemasselosen) Bosonen, nicht zur Materie.
- mathematische Konzepte wie Punkt, Gerade, Ebene sind materielos
- Vakuum enthält wenig oder keine Materie

Literatur

- Thomas Ziegler: Warum gibt es Materie? Physik in unserer Zeit 34(2), S. 61 – 62 (2003), ISSN 0031-9252
- James M. Cline: Der Ursprung der Materie. Spektrum der Wissenschaft, November 2004, S. 32 - 41, ISSN 0170-2971
- Hubertus M. Thomas, Gregor E. Morfill: Plasmakristalle an Bord der ISS: Komplexe Plasmen in Schwerelosigkeit. Physik in unserer Zeit 36(2), S. 76 - 83 (2005), ISSN 0031-9252
- Reinhard Stock: Die Geburt der Materie im Urknall. Physik in unserer Zeit 36(3), S. 107 (2005), ISSN 0031-9252

Siehe auch

- Weiche Materie
- Immaterialität, Stoff, Form, Hylemorphismus, Materia prima
- Feststoff, Flüssigkeit, Gase, Plasma (Physik), Kristall
- chemische Verbindung, Lösung (Chemie), Gemisch
- Elementarteilchen
- Materialität

Weblinks

- [http://www.reisegeschichte.de/chem_begriffe.htm Definition chemischer Grundbegriffe]
- [http://www-public.tu-bs.de:8080/~zelesnik/materie/ Was ist Materie?] (Referat über 'Philosophische Probleme der modernen Physik')
- [http://www.neues-weltbild.de/awm.htm Materie als Hierarchie von Zeit, Raum, Energie und Masse] Kategorie:Physik Kategorie:Metaphysik Kategorie:Ontologie ja:物質 ko:물질 ms:Jirim simple:Matter

Chemisches Element

Stoffe, die ausschließlich aus Atomen mit gleicher Anzahl an Protonen im Kern (Kernladungszahl) bestehen, bezeichnet man als chemische Elemente. Sie treten im Universum mit einer bestimmten Elementhäufigkeit auf. Im Gegensatz zu den Elementen stehen die Verbindungen und die Stoffgemische. Früher war die Definition dieses Begriffs intuitiver, aber unpräziser: Robert Boyle definierte ein chemisches Element als einen Reinstoff, der mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegt werden kann. Diese Definition hat den Nachteil, dass man nie sicher sein kann, ob man die chemischen Methoden völlig ausgeschöpft hat. Hätte man es z. B. im Labor nicht geschafft, Wasser zu zerlegen, so hätte man es als Element einordnen müssen. Der heutige Element-Begriff, der für die Stoffe eine Einteilung nach ihren Bestandteilen, den Atomen, vornimmt, ist abstrakter, dafür aber präzise. Seine praktische Bedeutung liegt darin, dass er Atome mit gleichem chemischen Verhalten (dem Verhalten bei chemischen Reaktionen) zusammenfasst. Das physikalische Verhalten von Atomen ein und desselben Elements kann dabei durchaus unterschiedlich sein, z. B. können die Atome eines Elements sich in der Masse unterscheiden (Isotope) und bei nuklearen Reaktionen unterschiedlich verhalten. Nach der Kernladungszahl (auch Ordnungszahl) ihrer Atome ordnet man die Elemente im Periodensystem der Elemente (PSE) an. Dieses System wurde vom russischen Gelehrten Dmitri Iwanowitsch Mendelejew zeitgleich mit dem deutschen Lothar Meyer 1869 begründet.

Kernladungszahl und Masse

Die Erklärungen dafür, dass die Massezahl nicht genau dem Vielfachen der Masse des Wasserstoffatoms entspricht, sind:
- Protonen und Neutronen, die den Hauptanteil der Masse bilden, sind fast, jedoch nicht genau, gleich schwer.
- Natürliche Elemente bestehen aus einer Mischung von Atomen mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Eine Atomart überwiegt meist bei weitem, diese bestimmt dann die Massenzahl (Ausnahme Chlor Cl mit der 35,5-fachen Masse)
- Das natürliche Mischverhältnis ist bei einem Element meist gleich (Ausnahme ist Blei, das unterschiedliche durchschnittliche Atommassen zeigt, wenn man es aus verschiedenen Lagerstätten gewinnt)
- Bei sehr genauen Messungen zeigt sich die Bindungsenergie als Massendefekt, so dass die Kernmasse stets minimal kleiner ist als die Summe der Massen der Protonen und Neutronen.

Rein- und Mischelemente

Der Kern des Wasserstoffs besteht fast immer aus nur einem Proton. Wasserstoff mit einem Proton und einem Neutron im Kern (Deuterium) tritt in natürlichem Wasserstoff mit einem Anteil von 0,015 % auf. Der Heliumkern besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Es existieren aber auch Helium-Atome, die zwei Protonen, aber nur ein Neutron, enthalten. Diese treten in natürlichem Helium jedoch nur mit einem Anteil von 0,000137 % auf. Chlor (17 Protonen) besteht aus einer Mischung aus Atomen mit 18 Neutronen (75,8 %) und 20 Neutronen (24,2 %). Chemische Elemente, die nur aus einer Atomart bestehen, heißen Reinelemente, wenn sie dagegen aus zwei oder mehr Atomarten bestehen, heißen sie Mischelemente. Atome des gleichen Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope.

Chemische Verbindungen

Chemische Elemente können, bis auf wenige Ausnahmen, chemische Verbindungen eingehen. Dabei sind mehrere der elementaren Atome zu Molekülen zusammengeschlossen. Natürliche oder künstliche Stoffe sind entweder Elemente oder Verbindungen. Gewöhnliches Wasser H₂O ist eine Verbindung aus den Elementen Wasserstoff H (2 Atome pro Molekül) und Sauerstoff (1 Atom pro Molekül). Metalle wie Eisen Fe oder Kupfer Cu sind dagegen stets Elemente. Elemente können auch eine Verbindung mit sich selbst eingehen. Bei vielen Gasen wie Chlor Cl oder Fluor F verbinden sich zwei Atome desselben Elements zu einem Molekül, also Cl₂ bzw. F₂.

Die Entstehung von Elementen

Bereits beim Urknall entstanden die leichten Elemente Wasserstoff (ca. 75%) und Helium (ca. 25%), zusammen mit geringen Mengen Lithium und Beryllium. Schwerere Elemente entstehen im Universum durch Kernreaktionen in den Sternen (meist durch Kernfusion). Am Anfang steht der Wasserstoff mit einem Atomgewicht von ca. 1,0 (ein Proton). In Hauptreihen-Sternen, wie auch unserer Sonne, verschmilzt unter hoher Temperatur (mehrere Millionen C°) und hohem Druck Wasserstoff zu Helium. (Atomgewicht ca. 4,0) Dabei verschmelzen 4 Wasserstoffatomkerne über mehrere Zwischenstufen zu einem Heliumatomkern. Dieser ist ein wenig leichter als die vier Protonen zusammen, die Massendifferenz wird als Energie in Form von (Gamma-)Strahlung frei. Die Fusion geht auf diese Art (Atome mit geringerer Protonenzahl und Atomgewicht verschmelzen zu höheren unter Abgabe von Energie) in den meisten Sternen bis zum Kohlenstoff, in massereichen bis zum Eisen weiter. Die Energieausbeute wird dabei immer geringer. Eisen ist der am dichtesten gepackte Atomkern, bei Fusionsreaktionen darüber hinaus wird Energie verbraucht anstatt freigesetzt. Sterne sind auf Energiegewinnung aus Kernfusion angewiesen, um ihren Gravitationskollaps aufzuhalten, daher können derartige Reaktionen nicht in nennenswertem Umfang stattfinden. Elemente schwerer als Eisen entstehen in Sternen am Ende ihrer Lebensdauer. Dabei fangen Atomkerne Neutronen ein und werden so in Elemente höherer Ordnungszahl umgewandelt. Dies geschieht im sogenannten s-Prozess (bei massearmen Sternen) oder im r-Prozess (bei massereichen Sternen während einer Supernova). Ein Stern verliert am Ende seiner Lebensdauer große Mengen Material (kontinuierlich durch Sonnenwind oder explosiv in einer Supernova), dadurch gelangen die entstandenen Elemente zurück in das interstellare Medium. Jüngere Sternensysteme enthalten daher bereits von Anfang an auch geringe Mengen schwererer Elemente, die z.B. Planeten wie in unserem Sonnensystem bilden können.

Liste chemischer Elemente

A Actinium - Aluminium - Americium - Antimon - Argon - Arsen - Astat B Barium - Berkelium - Beryllium - Bismut - Blei - Bohrium - Bor - Brom C Cadmium - Cäsium - Calcium - Californium - Cer - Chlor - Chrom - Curium D Darmstadtium - Dubnium - Dysprosium E Einsteinium - Eisen - Erbium - Europium F Fermium - Fluor - Francium G Gadolinium - Gallium - Germanium - Gold H Hafnium - Hassium - Helium - Holmium I Indium - Iod - Iridium J Jod siehe Iod K Kalium - Kobalt - Kohlenstoff - Krypton - Kupfer L Lanthan - Lawrencium - Lithium - Lutetium M Magnesium - Mangan - Meitnerium - Mendelevium - Molybdän N Natrium - Neodym - Neon - Neptunium - Nickel - Niob - Nobelium O Osmium P Palladium - Phosphor - Platin - Plutonium - Polonium - Praseodym - Promethium - Protactinium Q Quecksilber R Radium - Radon - Rhenium - Rhodium - Roentgenium - Rubidium - Ruthenium - Rutherfordium S Samarium - Sauerstoff - Scandium - Schwefel - Seaborgium - Selen - Silber - Silizium - Stickstoff - Strontium T Tantal - Technetium - Tellur - Terbium - Thallium - Thorium - Thulium - Titan U Unnilpentium (
- ) - Unnilquadium (
- ) - Ununoctium - Ununhexium - Ununquadium - Ununbium - Ununtrium - Ununpentium - Ununseptium - Ununnilium (
- ) - Uran V Vanadium W Wasserstoff - Wolfram X Xenon Y Ytterbium - Yttrium Z Zink - Zinn - Zirkonium
- veralteter Name

weitere Darstellungsformen

- Sortierung nach Symbol
- Liste der chemischen Elemente nach der Ordnungszahl
- Periodensystem
- Periodensystem mit Elektronenkonfiguration

Literatur

- Lucien F. Trueb: Die chemischen Elemente. Ein Streifzug durch das Periodensystem. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3-7776-1356-8

Weblinks

- [http://www.chemieseite.de/ www.chemieseite.de] enthält ausführliche Beschreibungen der Hauptelemente.
- [http://chemlab.pc.maricopa.edu/periodic/lyrics.html] Lied der chemischen Elemente Kategorie:Chemie

Siehe auch

- Elektronegativitäten der Elemente,
- Elementnamensgebungskontroverse,
- Systematische Elementnamen,
- Verdampfungswärme der chemischen Elemente
- Nebulium
- Kalzium ist ein Computerprogramm für das Betriebssystem Linux, das sehr viele Informationen zum Periodensystem und den Elementen bietet.
- Phlogiston
- Nukleosynthese ja:元素 ko:화학 원소 ms:Unsur kimia simple:Element th:ธาตุเคมี

Molekülverbindung

Die Atombindung (auch Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung) ist eine chemische Bindung und als solche bei chemischen Stoffen für den festen Zusammenhalt der Atome verantwortlich. Sie entsteht durch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den Atomen. Durch die Atombindung entstehen entweder Moleküle (Beispiel: Kohlenstoffdioxid CO₂), Komplexe oder Atomgitter (Beispiel: Siliziumdioxid SiO₂), die nach außen hin neutral sind. Atombindungen bilden sich vor allem zwischen den Atomen der Nichtmetall-Elemente (Elemente mit hoher Elektronegativität) aus, sie sind aber auch in Komplexen zu finden. Ist die Elektronegativität von zwei Bindungspartnern gleich, wie es bei Elementmolekülen stets der Fall ist, entsteht eine unpolare, auch homöopolare genannte, Atombindung. Unterscheiden sich die Bindungspartner in ihrer Elektronegativität, kann eine polare Atombindung entstehen. Ausnahmen bilden symmetrische Moleküle wie CO₂ Charakteristische Eigenschaften:
- Niedriger Schmelz- und Siedepunkt
- Nichtleiter
- Gemeinsam genutzte Elektronenpaare

Donator-Akzeptor-Prinzip

Nach Walter Kossel (1915) und Gilbert Newton Lewis (1916) sind die Elementatome bestrebt, durch chemische Bindung die im Periodensystem nächst gelegene Edelgas-Konfiguration zu erreichen, indem sie die entsprechende Zahl an Elektronen abgeben (Metalle), aufnehmen (Nichtmetalle), oder miteinander teilen. In vielen Fällen erreichen die Atome so ein Elektronenoktett, das ist eine Valenzschale mit vier Elektronenpaaren, also mit acht Elektronen. Die Oktettregel gilt meistens für die Elemente der zweiten Periode, die Alkalimetalle und die Erdalkalimetalle, und in vielen Fällen für die Halogene. Da für Wasserstoff das nächstgelegene Edelgas das Helium ist, dieses aber als einziges Edelgas nur 2 Elektronen hat, ist für den Wasserstoff schon mit zwei Elektronen die Edelgasregel erfüllt, hier als Zwei-Elektronen-Regel. Da nun Nichtmetall-Atome nur Elektronenakzeptoren sind, schließen sie sich bevorzugt so zusammen, dass sich ihre Valenzelektronen gegenseitig zu einem Oktett ergänzen (Ausnahme Wasserstoff: für ihn genügt ein Duplett):

Bindende Elektronenpaare aus einsamen Valenzelektronen

Beispiel: formale Bindungsbildung bei Chlorwasserstoff :

H \cdot + \cdot \overline \rightarrow H- \overline

Ein Nichtmetallatom kann so viele bindende Elektronenpaare ausbilden, wie es einsame Valenzelektronen hat. Dabei sind auch Doppelbindungen und Dreifachbindungen möglich. Beispiele:

Bindende Elektronenpaare aus nichtbindenden Valenzelektronenpaaren

Diese Art der Ausbildung kovalenter Bindungen tritt bei den Wasserstoffbrückenbindungen und bei der koordinativen Bindung in Komplexverbindungen auf. Beispiele:

Elektrostatische Anziehung

Komplexverbindung Die Entstehung der elektrostatischen Anziehung in der Atombindung lässt sich mit Hilfe des Atommodells von Ernest Rutherford veranschaulichen: Bei weit voneinander entfernten Atomen überwiegt die Anziehungskraft zwischen den Kernen und den Elektronenhüllen des jeweils anderen Bindungspartners. In sehr großer Nähe überwiegen die Abstoßungskräfte zwischen den Hüllen und Kernen. Abstoßung und Anziehung sind bei einem bestimmten Abstand der Bindungspartner voneinander im Gleichgewicht. Dieser Abstand ist kleiner als die Summe der Radien der beiden Atome. Das bedeutet, dass sich die Elektronenhüllen gegenseitig teilweise durchdringen müssen. Diese erhöhte negative Ladungsdichte zwischen den beiden Atomkernen zieht diese jeweils an. (Beispiel: der Atomradius des Iodatoms beträgt 2,15 · 10^-10 m, der Abstand der Beiden Atom-Mittelpunkte im Jodmolekül I₂ beträgt nur 2,66 · 10^-10 m.

Geometrie

Räumliche Ausrichtung

Die Atombindung in Atomgittern, Molekülen oder Komplexen weist so in definierte Raumrichtungen, die in der räumlichen Struktur der Atomorbitale begründet sind. Bei Teilchen, die mehr als zwei Bindungspartner aufweisen, lassen sich damit spezifische Bindungswinkel nachweisen. Aus der Kenntnis der Anzahl der bindenden und nichtbindenden Elektronenpaare lassen sich diese Bindungswinkel mit Hilfe des (didaktischen) Elektronenwolkenmodells ermitteln: Eine Elektronenwolke kann einzelne Elektronen (bei Radikalen), nichtbindende Elektronenpaare, Einfach-, Zweifach oder Dreifachbindungen enthalten. Die Bindungswinkel ergeben sich aus der Anordnung dieser Kugelwolken mit möglichst großem Abstand voneinander: Die Bindungswinkel sind idealisierte Werte. In realen Molekülen können starke Abweichungen auftreten: Beispiele: Elektronenwolkenmodell
- Der tatsächliche Bindungswinkel im Wassermolekül beträgt nicht 109° sondern 104° auf Grund der abstoßenden Wirkung der nichtbindenden Elektronenpaare auf die bindenden. Siehe dazu chemische Struktur.
- Liegt in einem Molekül Delokalisation der π-Elektronen vor, entspricht der Bindungswinkel nicht den Werten, die sich aus den mesomeren Grenzstrukturen ermitteln lassen. So ist der CNC-Bindungswinkel der Peptidbindung nicht 109°, wie er sich aus Grenzstruktur 1 ergeben würde, sondern 122°, wie er sich eher aus Grenzstruktur 2 ergibt. Der CCN-Bindungswinkel beträgt 116°.

Bindungslänge

Die Atomabstände in Molekülen und Komplexen mit kovalenter Bindung können durch Analyse der Rotationsspektren ermittelt werden. Hier hängt die Bindungslänge zunächst von der Größe der gebundenen Atom ab: Je größer ihr Radius, desto größer ist ihr Abstand. Beispiel: Vergleich der Halogen-Wasserstoff-Verbindungen Bei Bindungen zwischen gleichartigen Atomen lässt sich erkennen, dass ihr Abstand auch von der Zahl der bindenden Elektronenpaare abhängt: Je mehr bindende Elektronenpaare vorhanden sind, desto größer ist ihre Anziehung auf die Atomkerne, desto kürzer ist der Bindungsabstand. Eine Delokalisation wirkt sich bei Mehrfachbindungen verlängernd auf den Atomabstand aus, da dadurch die negative Ladung zwischen den Bindungspartnern verringert wird. Einfachbindungen werden durch Delokalisation verkürzt. Beispiele:
- Der Kohlenstoff-Stickstoff-Abstand in der Peptidbindung (siehe Abbildung oben) liegt mit 133 pm zwischen einer C-N-Einfachbindung mit 147 nm und einer C=N-Doppelbindung mit 130 nm. Durch Vergleich der gemessenen Bindungslängen mit den auf Grund der mesomeren Grenzstrukturen theoretisch erwarteten Bindungslängen lässt sich der Grad der Delokalisation abschätzen.
- Im Graphit beträgt der C-C-Abstand innerhalb einer Schicht des Schichtengitters 142 pm und liegt damit zwischen einer Einfach- und einer Doppelbindung. (Zwischen den Schichten beträgt der Abstand 335 pm. Dies deutet auf eine schwache Wechselwirkung hin.)

Bindungsenergie

Die Bindungsenthalpie der Atombindung ist durch die Enthalpieänderung bei der Dissoziation von Molekülen in ihre Atome in der Gasphase definiert. Sie hängt, wie die Bindungslänge (siehe oben), sowohl von der Größe der gebundenen Atome als auch von der Zahl der bindenden Elektronenpaare ab: Je größer der Radius der Bindungspartner, desto größer ist ihr Abstand und desto kleiner ist die Bindungsenergie. Bei Bindungen zwischen gleichartigen Atomen lässt sich erkennen, dass ihr Abstand auch von der Zahl der bindenden Elektronenpaare abhängt: Beispiel: Für delokalisierte Atombindungen gilt entsprechend, dass sie energieärmer als eine Mehrfachbindung, aber energiereicher als eine Einfachbindung sind. So beträgt die Bindungsenthalpie im Benzol 147 kJ/mol.

Molekülorbitale

Kompliziertere, wellenmechanische Vorstellungen vom Atombau erklären die Atombindung dadurch, dass sich Atome mit einfach besetzten Orbitalen einander nähern und durch Überlappung der unvollständig besetzten Atomorbitale ein vollständig besetztes Molekülorbital bilden. Das bindende Molekülorbital (sozusagen der Raum der größten Aufenthaltswahrscheinlichkeit des gemeinsamen Elektronenpaars) besitzt dabei ein niedrigeres Energieniveau als die beiden Atomorbitale vor der Knüpfung der Atombindung. Näheres dazu siehe bei Molekülorbital.

Polare Atombindung

Unterscheiden sich die Bindungspartner in der Elektronegativität, ist die Elektronendichte im Molekülorbital nicht gleichmäßig verteilt. Ihr Schwerpunkt ist in Richtung des elektronegativeren Partners verschoben, da das Atom mit der größeren Elektronegativität die Elektronen näher zu sich heran zieht. Dadurch erhält dieser Bereich der Bindung eine negative Partialladung, durch δ^- symbolisiert. Das andere Ende der Bindung verarmt entsprechend an negativer Ladungsdichte, es erhält eine positive Partialladung, δ⁺. Beispiel: H-O-Bindung Elektronegativitäten (EN): EN(H) = 2,20, EN(O) = 3,44. Damit liegt der negative Ladungsschwerpunkt näher beim Sauerstoff: Man nennt solche Atombindungen polare Bindungen, da Pole mit unterschiedlichen Teilladungen entstehen. Ab einer Elektronegativitäts-Differenz von ~1.5 spricht man wieder von Ionenbindung, da eine Elektronenabgabe stattfindet. Polare Bindungen können dazu führen, dass ein gesamtes Molekül polar ist: Es wird Dipol-Molekül genannt. Die Polarität des Moleküls hängt nicht nur von der Polarität der Bindungen sondern auch vom Molekülbau ab.

Siehe auch

- Molekül
- Molekülorbital
- MO-Theorie
- Bohrsches Atommodell
- Elektronenhülle
- Elektronenpaar
- Ionenbindung
- Metallische Bindung Kategorie:Chemische Bindung ja:共有結合

Lösung (Chemie)

Eine Lösung ist in der Chemie ein homogenes Gemisch, das aus einem oder mehreren gelösten Stoffen und einem Lösungsmittel (das selbst eine Lösung sein kann) besteht. Lösungen sind rein äußerlich nicht als solche erkennbar, da sie per Definition nur eine Phase besitzen und die gelösten Stoffe daher gleichmäßig im Lösungsmittel verteilt sind.

Komponenten von Lösungen

Die Lösungsmittel sind üblicherweise Flüssigkeiten. Die gelösten Stoffe können sein:
- gasförmig (z.B. Luftgase wie Sauerstoff und Stickstoff in Wasser, Chlorwasserstoff oder Ammoniak in Wasser, Kohlenstoffdioxid in Sekt oder Mineralwasser),
- flüssig (z.B. Alkohol in Wasser)
- fest (z.B. Kochsalz oder Calciumcarbonat in Wasser)

Löslichkeit

Ob und in welchem Ausmaß ein Stoff in einem bestimmten Lösungsmittel löslich ist, hängt von seiner Löslichkeit ab. Ist in einer Lösung so viel wie möglich des Stoffes gelöst, nennt man diese Lösung gesättigt. Ist zu viel eines Stoffes enthalten, so bildet sich ein Bodensatz oder der Überschuss bleibt als Übersättigung erhalten. Nicht alle Lösungen haben eine Grenze der Löslichkeit (Näheres siehe dort) Bei Lösungen von Gasen in Flüssigkeiten gilt eine Lösung als gesättigt, wenn ein Diffusionsgleichgewicht zwischen in Lösung gehenden und die Lösung verlassenden Gasmolekülen herrscht. Aus übersättigten Gaslösungen treten aber nur dann Gasblasen aus (wie in Mineralwasser oder Sekt), wenn die Summe der Lösungspartialdrucke aller gelösten Gase größer ist als der mechanische Druck am Ort der Blasenbildung. Eine definitive Grenze des Aufnahmevermögens einer Flüssigkeit für ein Gas gibt es nicht. Die "Löslichkeit" ist hier vielmehr der Koeffizient, der die gelöste Menge mit dem aufgewendeten Gasdruck in Relation setzt.

Trennen von Lösungen

Beim Lösen von Stoffen ist der gelöste Stoff meist wieder leicht extrahierbar, da bei einer Lösung vordergründig keine chemische Reaktion statt zu finden scheint. Tatsächlich wird beim Lösen von Salzen sehr wohl die Ionenbindungen des Kristalls gelöst als auch Hydrathüllen von Wassermolekülen um die Ionen gebildet (Hydratation). Viele Metallionen bilden mit dem Wasser sogar regelrechte Komplexverbindungen (z.B. Hexaquo-EisenIII). Die genannten Bindungen müssen vollkommen reversibel sein, wenn ein Substanzgemisch als Lösung gelten soll. Auch beim Lösen von gasförmigen Säure- oder Baseanhydriden kommt es zu einer Reaktion. Chlorwasserstoff löst sich und dissoziert sofort fast vollständig in Chloridionen und Waserstoffionen, die sich ihrerseits sofort mit Wasser zu Hydronium verbinden. Kohlenstoffdioxid bleibt dagegen zum überwiegenden Teil als Gas gelöst. Ein geringer Teil bildet aber mit dem Wasser Kohlensäure, die ihrerseits zu Hydrogencarbonat, Carbonat und Hydronium dissoziiert. Auch diese Reaktionen sind vollkommen reversibel, d.h. die Lösungen sind ohne zusätzliche Reagenzien wieder trennbar.

Trennen von festen Stoffen in Flüssigkeiten

Verdampfen des flüssigen Reinstoffes bewirkt, dass die Lösung nach und nach übersättigt wird und der Feststoff auskristallisiert, soweit es sich um die Lösung eines begrenzt löslichen Stoffes handelt. Bei vollständigem Verdampfen bleibt der Feststoff am Ende als Bodensatz erhalten. Es gibt Lösungen von "Feststoffen" wie z.B. Calciumhydrogencarbonat, die beim Eindicken der Lösung zerfallen und deshalb als Trockensubstanz gar nicht existieren. In diesen Beispiel entsteht ein Rückstand aus Calciumcarbonat, während Kohlenstoffdioxid zusammen mit dem Wasser verdunstet. Eine technisch zunehmend genutzte Möglichkeit ist die Umkehrosmose. Hierbei wird die Lösung durch eine semipermeable Membran gepresst, die Ionen und größere Moleküle nicht passieren lässt. Diese Technik wir vor allem zur Wasseraufbereitung und insbesondere zur Meerwasserentsalzung verwendet.

Trennen von Flüssigkeitsgemischen

Flüssigkeiten lassen sich (nie vollständig) durch fraktionierte Destillation trennen. Man nutzt dabei die unterschiedlichen Siedepunkte der beteiligten Substanzen. Da aber ein geringerer Dampfdruck der höher siedenden Flüssigkeit auch schon beim Sieden der flüchtigeren Substanz herrscht, geht immer ein geringer Anteil von ihr mit über. So lässt sich durch Destillation Alkohol nur bis ca. 96% Reinheit gewinnen.

Trennen von Gas und Flüssigkeiten

Erhitzen der Lösung führt zum Entweichen des Gases, da seine Löslichkeit mit steigender Temperatur abnimmt. Vollständig aus der Lösung vertreiben lässt sich ein gelöstes Gas aber nur durch das Sieden der Flüssigkeit, weil dann der Dampfdruck dem Mechanischen Druck übersteigt und Blasen bildet, mit denen das Gas ausgetrieben wird. Gase können einander auch aus der Lösung verdrängen. Dazu muss man die Lösung des Gases A in intensiven Kontakt mit Gas B bringen, z.B. durch sprudeln.

Legierungen

Auch Metallschmelzen stellen meistens Lösungen dar und werden als Legierungen bezeichnet. Dabei sind mehrere Metalle oder Nichtmetalle in einer Hauptkomponente gelöst; beispielsweise bestehen manche Stahlschmelzen aus einer Lösung von Chrom, Vanadium, Kohlenstoff in Eisen.

Glas

Gläser können, da es sich bei ihnen um unterkühlte Flüssigkeits-Gemische handelt, auch als Lösungen aufgefasst werden.

Grenzfälle

Die Auflösung eines Metalls in einer Säure ist kein Lösungsvorgang im eigentlichen Sinne, da hierbei eine chemische Reaktion auftritt. Es gibt aber auch Grenzfälle, in denen eine reversible chemische Reaktion und gleichzeitig ein Lösungsvorgang stattfindet. Beispiele sind
- die Auflösung von Natrium in flüssigem Ammoniak.
- die Lösung von Kohlenstoffdioxid in Wasser, wobei sich ein Gleichgewicht mit der Bildung von Kohlensäure und deren Dissoziation ausbildet, das wieder verschwindet, wenn das Kohlenstoffdioxid die Lösung verlässt (z.B. durch Ausblasen mit einem anderen Gas).

Chemische Lösung in der Geologie

In der Geologie unterscheidet man zudem die Verwitterungsprozesse der kongruenten und inkongruenten Lösung. Von einer kongruenten Lösung spricht man bei einer gleichmäßigen und damit vollständigen Lösung des Gesteins, beispielsweise bei der Lösungsverwitterung von Halit oder Kalkstein, wobei letztere mit der Einstellung eines reversiblen Dissoziationssystems der Kohlensäure einher geht (siehe oben). Von einer inkongruenten Lösung spricht man hingegen bei einer selektiven Lösung einzelner Minerale oder Ionen aus dem Gesteinsverband, beispielsweise im Zuge der Silikatverwitterung.

Siehe auch:

- Löslichkeit
- Lösungsenthalpie
- Legierung
- Stahl Kategorie:Chemie ja:溶液

Emulsion

Unter einer Emulsion versteht man ein fein verteiltes Gemisch zweier verschiedener (normalerweise nicht mischbarer) Flüssigkeiten.

Die so genannte innere Phase (disperse Phase) liegt dabei in kleinen Tröpfchen verteilt in der so genannten äußeren Phase (Dispersionsmittel) vor. Emulsionen gehören somit zu den dispersen Systemen. Je nach Phasenlage spricht man von einer Wasser-in-Öl-Emulsion (W/O-Emulsion) oder einer Öl-in-Wasser-Emulsion (O/W-Emulsion). Dies wurde 1910 von W. Ostwald entdeckt.

Beispiele für verbreitete Emulsionen sind zahlreiche Kosmetika, Milch, Majonäse. Außerdem gibt es noch multiple Emulsionen (W/O/W bzw. O/W/O) und Mikroemulsionen. Multiple Emulsionen können u.a. zur Flüssigmembran-Permeation genutzt werden, bei der die mittlere Phase (Membranphase) als Filter zwischen innerer und äußerer Phase dient. Zur Stabilisierung von Emulsionen können grenzflächenaktive Substanzen (Emulgatoren, Tenside, ...) hinzugegeben werden; sie verhindern, dass sich das Gemisch wieder in seine Bestandteile trennt. Dieses so genannte "Brechen der Emulsion" erfolgt, da die große Grenzflächenenergie der großen Oberfläche der Grenzflächen durch Zusammenfließen der Tröpfchen verringert wird. Tenside verringern diese Grenzflächenenergie und stabilisieren somit die Emulsion. Thermodynamisch betrachtet sind Emulsionen mit Ausnahme der Mikroemulsionen jedoch instabile Systeme.

Chemische Betrachtung einer Emulsion

Flüssigkeiten können entweder gut mit Wasser mischbar sein (diese Flüssigkeiten sind hydrophil und lipophob) oder sie können gut mit Öl mischbar sein (sie sind lipophil und hydrophob). Dies liegt daran, dass Wassermoleküle in Bezug auf die zwischenmolekularen Kräfte in erster Linie sogenannte Wasserstoffbrücken ausbilden, während Fettmoleküle hauptsächlich die schwächeren Van-der-Waals-Kräfte ausbilden. Emulgatoren wie zum Beispiel Seife können zwichen diesen beiden Substanzklassen vermitteln. Sie besitzen diese Eigenschaft, da die Moleküle der Emulgatoren einen polaren und unpolaren Teil besitzen. Der polare Teil kann Wasserstoffbrücken ausbilden und sich mit hydrophilen Stoffen verbinden, während der unpolare Teil des Moleküls Van-der-Waals-Kräfte ausbildet und sich mit lipophilen Stoffen verbindet. Dies erklärt auch die gute Waschwirkung der Seife: Sie senkt die Oberflächenspannung des Wassers und ermöglicht es, auch nur in Öl lösliche Stoffe unter Zuhilfenahme von Wasser abzuwaschen. Bei Milch sind die Emulgatoren die enthaltenen Proteine (z.B. Casein).

Physikalische Betrachtung

Die wichtigsten Größen bei der Betrachtung von Emulsionen sind das Phasenvolumenverhältnis (der Quotient aus dem Volumen der inneren Phase zu jenem der äusseren), die mittlere Teilchengröße (Dm), sowie die Teilchengrößenverteilung.

Phasenvolumenverhältnis

Bis zu einem Phasenvolumenverhältnis von 0,3/0,7 (30% innere Phase, 70% äussere Phase), hängen die Eigenschaften der Emulsion im wesentlichen von den Eigenschaften der äusseren Phase ab. Die Tröpchen können sich fast unabhängig voneinander in der äusseren Phase bewegen und auch die Viskosität entspricht ungefähr jener der äusseren Phase. Mit steigendem Phasenvolumenverhältnis kommen die Eigenschaften der inneren Phase deutlich mehr zum Tragen. Wird der Volumenanteil der inneren Phase zu hoch, so kann die Phasenlage umschlagen. Eine O/W-Emulsion wird zu einer W/O-Emulsion und umgekehrt. Man spricht von einer sogenannten Phaseninversion. Zur Inversion einer O/W-Emulsion kann es auch durch Temperaturerhöhung kommen, da höhere Temperaturen die hydrophilen Wechselwirkungen des Emulgators mit dem Wasser schwächen, so dass die lipophilen Wechselwirkungen relativ gestärkt werden. Somit lässt sich eine energetisch günstigere Situation im System vorfinden, indem die Ölphase die kontinuierliche Phase bildet, in der die Wasserphase emulgiert vorliegt.

Tröpfchengröße

Emulsionen sind niemals monodispers, vielmehr sind die Tröpfchengrößen innerhalb einer gewissen Spanne verteilt (s.a. Korngrößenverteilung). Deshalb lassen sich in einer Emulsion höhere Raumerfüllungen realisieren, als dies in einer monodispersen, hexagonal dichtesten Packung möglich wäre. Zwischenräume zwischen den größeren Tropfen werden dabei mit kleineren Tröpfchen aufgefüllt. Der mittlere Teilchendurchmesser (Dm) in Emulsionen liegt normalerweise zwischen 100 Nanometer und 1 Millimeter. Je größer der mittlere Teilchendurchmesser und je breiter die Teilchengrößenverteilung, desto stärker ist die milchig-weiße Trübung der Emulsion. Emulsionen wie zum Beispiel Milch wirken im Auflicht bläulich, im Durchlicht teils deutlich rot.

Stabilität von Emulsionen (am Beispiel einer (O/W)-Emulsion)

Emulsionen sollen meist für einen bestimmten Zeitraum (zwischen wenigen Stunden und einigen Jahren) und unter bestimmten Bedingungen (Temperaturbereich, pH-Bereich stabil bleiben. Zerfällt eine Emulsion, so geschieht dies in einzelnen, oft jedoch auch gleichzeitig ablaufenden Phasen. # Phase: Stabile Emulsion
beispielsweise Fetttröpfchen sind in der äußeren Phase (Wasser) dispergiert. # Phase: Aufrahmung oder Sedimentation (reversibel)
aufgrund der Gravitationskraft erfolgt eine Trennung der gemischten Phasen in die spezifisch leichtere und die spezifisch schwerere. # Phase: Aggregation (reversibel)
die Fetttröpfchen bilden Aggregate, der Teilchendurchmesser wird vergrößert und nach dem Stokes'schen Gesetz erhöht sich die Sedimentationsgeschwindigkeit der dispergierten Fetttröpfchen. # Phase: Koalaszenz
die Fetttröpfchen vereinigen sich; dies kann im Extremfall zum Brechen der Emulsion führen.

Mikroemulsionen

In einer Mikroemulsion liegen keine besonders kleinen Tröpchen vor, sondern es handelt sich um Wasser-Öl-Tensid-Gemische, die im Gegensatz zu anderen Emulsionen thermodynamisch stabil sind. Sie sind optisch transparent und bilden sich ohne die für die Herstellung von Emulsionen sonst nötige hohe Energiezufuhr. Meist benötigt man zur Herstellung einer Mikroemulsion Cotenside oder Cosolventien. Nur in bestimmten Bereichen der Zustandsdiagramme für drei bzw. vier Komponenten können Mikroemulsionen entstehen. Sie können wie herkömmliche Emulsionen bei Änderung des Phasenvolumenverhältnisses umschlagen.

Herstellung von Emulsionen

Durch die Verkleinerung der Tropfen bei der Herstellung einer Emulsion erhöht sich die Phasengrenzfläche zwischen den beiden Phasen. Dabei muss die Grenzflächenspannung überwunden werden und eine neue Grenzfläche geschaffen werden. Dies erfordert Arbeit, die mechanisch in das System eingebracht wird. Durch dabei auftretenden Scherkräfte werden die Tröpfchen immer kleiner.

Emulgatoren

Durch einen Emulgator lässt sich die Grenzflächenspannung drastisch senken. Der Emulgator soll auch verhindern, dass die neu entstandenen Tröpfchen wieder koaleszieren. Dazu muss er möglichst schnell an die neue Grenzfläche diffundieren. Synthetische Emulgatoren schaffen dies in einigen Millisekunden. Große Moleküle, die noch dazu die Viskosität deutlich erhöhen (z.B. Stärke) benötigen einige Minuten bis zu einer halben Stunde, um den neuen Tropfen vollständig zu umhüllen. Eine höhere Viskosität hat jedoch auch einen stabilisierenden Einfluss, da die Bewegung der Tröpfchen und somit die Möglichkeit einer Koaleszenz erschwert wird. Eine genauso zu beachtende Eigenschaft bei der Auswahl eines geeigeneten Emulgators ist seine Spreitungsgeschwindigkeit. Die Grenzfläche eines neuen Tropfens ist zunächst nur teilweise von Emulgator belegt. Dieser spreitet nun zu jenem Teil der Grenzfläche, der zunächst noch unbelegt war. So entsteht zunächst ein Emulgatorkonzentrations-Gradient an der Grenzfläche, der je nach Spreitungsgeschwindigkeit mehr oder weniger schnell zu einer gleichmäßigen Emulgatorverteilung ausgeglichen wird. Weil die Konzentration des Emulgators an der Grenzfläche aber insgesamt zu gering ist (größere Grenzfläche benötigt mehr Emulgator), muss Emulgator nachdiffundieren, bis ein Konzentrationsmaximum erreicht wird. Normalerweise bleibt jene Phase, in der sich der Emulgator besser löst, die äussere Phase. Bei einem HLB-Wert von 3-6 wird die Emulsion eine W/O-Emulsion, von 8-18 eine O/W-Emulsion (Bancroft-Regel). Die benötigte Menge des Emulgators hängt im wesentlich von der gewünschten Tröpfchengröße (kleinere Tröpfchen -> mehr Oberfläche -> mehr Emulgator) und dem Phasenvolumenverhältnis ab. Fast immer liegt die Emulgatorkonzentration deutlich oberhalb des entsprechenden Mizellbildungspunktes cmc (engl.: critical micelle concentration).

Feststoffstabilisatoren

Eine Emulsion kann auch durch den Zusatz bestimmter Feststoffe stabilisiert werden. Senfpulver wird z.B. schon seit langem zur Stabilisierung von Mayonäse eingesetzt. Feststoffstabilisierte Emulsionen werden nach ihrem Entdecker S.U. Pickering (der 1907 zeigte, dass kleine Teilchen, die von Wasser besser als von Öl benetzt werden, O/W-Emulsionen stabilisieren können) oft Pickering-Emulsionen genannt. Wichtig für eine ausreichende Stabilisierung ist, dass sich ein mechanisch stabiler Feststoffilm um die dispergierte Phase bilden kann.

Feststoffeigenschaften

Es sollten folgende Eigenschaften des Feststoffes erfüllt sein: # der Feststoff sollte ein feinteiliges Pulver sein # die Feststoffteilchen sollten möglichst dicht gepackt sein # für den Phasenkontaktwinkel zwischen Wasser und Öl an der Teilchenoberfläche muss gelten

0^\circ\; < \theta \; < 180^\circ\;

, da ansonsten die Teilchen entweder komplett in die Wasser- oder komplett in die Ölphase gezogen werden und somit keinen Film an der Oberfläche mehr bilden. # die Teilchen sollten eine möglichst rauhe Oberfläche aufweisen Bei einem Phasenkontaktwinkel von weniger als 90° entstehen bis auf wenige Ausnahmen O/W-Emulsionen, ist er größer als 90°, entstehen meist W/O-Emulsionen. Ist der Phasenkontaktwinkel genau 90°, so liegt keine Krümmung des Flüssigkeitsmeniskus vor. Experimente haben gezeigt, dass diese Krümmung für die Stabilität jedoch eine oft unterschätzte Rolle spielt.

Vorteile eine feststoffstabilisierten Emulsion

# die Emulsion ist meist resistenter gegen Änderungen des chemischen Milieus (pH-Wert, Salzkonzentration etc.) # die Tensidkonzentration in der Emulsion kann stark gesenkt werden # es können andere Emulgatoren verwendet werden als in einer herkömmlichen Emulsion # die Phasenlage kann entgegengesetzt derjenigen einer herkömmlichen Emulsion gleicher Zusammensetzung sein # die rheologischen Eigenschaften der Emulsion können stark verändert sein. (Newton'sch, Nicht-Newton'sch, ohne oder mit Fließgrenze)

Geräte

Um die für die Emulgierung benötigte Arbeit in das Medium einzutragen, gibt es eine ganze Reihe an möglichen Methoden: # schnelle Rührwerke # Hochdruckhomogenisatoren # Schüttler # Vibrationsmischer # Ultraschallgeneratoren # Emulgierzentrifugen # Kolloidmühlen # Zerstäuber

Fotoemulsion

In der Fotografie bezeichnet man die auf einen Schichtträger aufgebrachte lichtempfindliche Schicht gemeinhin als Fotoemulsion. Im oben bezeichneten Sinne handelt es sich dabei aber um keine Emulsion, sondern um eine Suspension.

Literatur

- Lagaly G., Schulz O., Zimehl R., Dispersionen und Emulsionen, Steinkopff Verlag, Darmstadt, 1997, ISBN 3-7985-1087-3
- Asche H. (Hrsg.), Technologie von Salben, Suspensionen und Emulsionen. Ein Seminar der APV vom 20. - 22. 9. 1982 in Darmstadt, Wissenschaftlich Verlagsgesellschaft, Stuttgart, 1984 Kategorie:Chemikaliengruppe Kategorie:Weiche Materie ja:エマルション

Gemenge

Der Ausdruck Gemenge bezeichnet:
- in der Chemie:
- im näheren Sinn ein ungeordnetes Gemisch von beliebigen Reinstoffen in ihrer festen Form.
- im weiteren Sinn wird darunter jedes Stoffgemisch im beliebigen oder unbekannten Mischverhältnis bezeichnet.
- in der Landwirtschaft den gemeinsamen Anbau verschiedener Pflanzenarten auf einer Fläche (etwa Klee- und Grasarten oder Körner-Leguminosen mit Getreide)

Stoffeigenschaften

Um chemische Stoffe näher zu charakterisieren, kann man ihre Eigenschaften betrachten. Inzwischen kann jeder Stoff durch seine einzigartige Kombination von Stoffeigenschaften identifiziert werden. Man kann die Eigenschaften einteilen nach folgenden Gesichtspunkten:

Physikalische Eigenschaften

- Dichte
- Farbe
- Oberflächenglanz
- Härte
- Wärmeleitfähigkeit
- Elektrische Leitfähigkeit
- Magnetisierbarkeit
- Schmelztemperatur (Festpunkt), Siedetemperatur, (Kochpunkt), Erweichungsbereich
- Verformbarkeit
- optische Aktivität

Chemische Eigenschaften

- Brennbarkeit
- Löslichkeit
- Verhalten gegenüber verschiedenen Chemikalien
- Verhalten beim Erhitzen

Andere Eigenschaften

- Geruch
- Geschmack

Analytische Verfahren zur Identifizierung von Stoffen

Es werden Absorptions-, Adsorptions- und Resonanzvermögen gemessen und in Spektogrammen dargestellt:
- IR-Spektrogramm
- UV-VIS-Spektrogramm
- Massenspektrogramm
- NMR-Spektrogramm
- Chromatogramm
- Gaschromatogramm

Stoffklassen

Viele Eigenschaften treten gleichzeitig bei mehreren Stoffen auf. Man kann so Stoffe in Stoffklassen mit ähnlichen Eigenschaften zusammenfassen: # Metalle ... leiten elektrischen Strom und Wärme gut, sind leicht verformbar, haben im reinen Zustand Oberflächenglanz (erscheinen aber im feinverteilten Zustand schwarz) usw. ... #Nichtmetalle ... leiten den elektrischen Strom schlecht usw. ... #Salzartige Stoffe ... haben hohe Schmelz- und Siedetemperaturen, leiten als Schmelzen oder Lösungen den elektrischen Strom, sind spröde aber spaltbar, usw. ... # Leichtflüchtige Stoffe ... haben niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen, ... #Makromolekulare Stoffe ... haben oft hohe Schmelz- und Siedepunkte, zersetzen sich aber meist schon bei niedrigeren Temperaturen (Beispiele: Kunststoffe, Proteine, Polysaccharide, DNA)

Siehe auch

- chemische Grundbegriffe - Trennmethoden - Reinstoff Kategorie:Chemie Kategorie:Physik Kategorie: Eigenschaft

Kategorie:Chemie

Kategorie:!Hauptkategorie Kategorie:Naturwissenschaft Kategorie:Thema als:Kategorie:Chemie ja:Category:化学 ko:분류:화학 ms:Category:Kimia th:Category:เคมี

Mjöbäck

Mjöbäck är en tätort i Svenljunga kommun.

Historia

1899 blev järnvägen mellan Mjöbäck och Holsljunga klar. Den utgjorde en del av Falkenbergs järnväg och kom att finnas kvar i drygt 60 år. Orten fick telefon 1911 och elektricitet 1914.

Externa länkar

- [http://www.mjoback.net/ Byalaget i Mjöbäck] Kategori:Orter i Sverige Kategori:Svenljunga kommun

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Stoff (Chemie)

Siehe auch

Chemisch

Was ist Chemie?

Definition

Stoff und Stoffumsetzung

Atom und Molekül

Bedeutung der Chemie

Geschichte der Chemie

Chemie im Alltag

Chemie als Wissenschaft

Wirtschaftliche Bedeutung der Chemie

Ansehen der Chemie

Fachrichtungen

Chemie in der Wikipedia

Allgemeine Chemie

Anorganische Chemie

Organische Chemie

Physikalische Chemie

Biochemie

Theoretische Chemie

Analytische Chemie

Technische Chemie

Spezielle Chemie

Chemische Grundbegriffe

Chemischer Formalismus

Berühmte Chemiker

Literatur

Weblinks

Materie

Allgemeines

Aggregatzustände

Entstehung der Materie

Eigenschaften von Materie

Komplikationen

Keine Materie

Literatur

Siehe auch

Weblinks

Chemisches Element

Kernladungszahl und Masse

Rein- und Mischelemente

Chemische Verbindungen

Die Entstehung von Elementen

Liste chemischer Elemente

weitere Darstellungsformen

Literatur

Weblinks

Siehe auch

Molekülverbindung

Donator-Akzeptor-Prinzip

Bindende Elektronenpaare aus einsamen Valenzelektronen

Bindende Elektronenpaare aus nichtbindenden Valenzelektronenpaaren

Elektrostatische Anziehung

Geometrie

Räumliche Ausrichtung

Bindungslänge

Bindungsenergie

Molekülorbitale

Polare Atombindung

Siehe auch

Lösung (Chemie)

Komponenten von Lösungen

Löslichkeit

Trennen von Lösungen

Trennen von festen Stoffen in Flüssigkeiten

Trennen von Flüssigkeitsgemischen

Trennen von Gas und Flüssigkeiten

Legierungen

Glas

Grenzfälle

Chemische Lösung in der Geologie

Siehe auch:

Emulsion

Chemische Betrachtung einer Emulsion

Physikalische Betrachtung

Phasenvolumenverhältnis

Tröpfchengröße

Stabilität von Emulsionen (am Beispiel einer (O/W)-Emulsion)

Mikroemulsionen