Was ist Chemie?

Man denkt bei Chemie vielleicht nur an Labortests, Lebensmittelzusatzstoffe oder gefährliche Substanzen, aber das Gebiet der Chemie umfasst alles um uns herum.

„Alles, was Sie hören, sehen, riechen, schmecken und berühren, hat mit Chemie und Chemikalien (Materie) zu tun“, so die American Chemical Society (ACS), eine gemeinnützige Wissenschaftsorganisation zur Förderung der Chemie, die vom US-Kongress gegründet wurde. „Und Hören, Sehen, Schmecken und Berühren beinhalten alle eine komplizierte Reihe von chemischen Reaktionen und Wechselwirkungen in Ihrem Körper.“

Selbst wenn Sie also nicht als Chemiker arbeiten, haben Sie mit Chemie zu tun, oder mit etwas, das Chemie beinhaltet, bei so ziemlich allem, was Sie tun. Im täglichen Leben machen Sie Chemie, wenn Sie kochen, wenn Sie Reinigungsmittel verwenden, um Ihre Arbeitsplatte abzuwischen, wenn Sie Medikamente einnehmen oder wenn Sie konzentrierten Saft verdünnen, damit der Geschmack nicht so intensiv ist.

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Nach Angaben der ACS ist Chemie das Studium der Materie, definiert als alles, was Masse hat und Raum einnimmt, und der Veränderungen, die Materie durchmachen kann, wenn sie verschiedenen Umgebungen und Bedingungen ausgesetzt ist. Die Chemie versucht nicht nur die Eigenschaften der Materie zu verstehen, wie die Masse oder die Zusammensetzung eines chemischen Elements, sondern auch, wie und warum die Materie bestimmte Veränderungen erfährt – ob sich etwas verwandelt, weil es sich mit einer anderen Substanz verbindet, gefriert, weil es zwei Wochen lang in einer Gefriertruhe lag, oder die Farbe ändert, weil es zu viel Sonnenlicht ausgesetzt war.

Grundlagen der Chemie

Der Grund, warum die Chemie alles berührt, was wir tun, liegt darin, dass fast alles, was existiert, in chemische Bausteine zerlegt werden kann.

Die Hauptbausteine in der Chemie sind chemische Elemente, das sind Substanzen, die aus einem einzigen Atom bestehen. Jedes chemische Element ist einzigartig, besteht aus einer bestimmten Anzahl von Protonen, Neutronen und Elektronen und wird durch einen Namen und ein chemisches Symbol identifiziert, wie z. B. „C“ für Kohlenstoff. Die Elemente, die Wissenschaftler bisher entdeckt haben, sind im Periodensystem der Elemente aufgelistet und umfassen sowohl Elemente, die in der Natur vorkommen, wie Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, als auch solche, die vom Menschen hergestellt werden, wie Lawrencium.

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Chemische Elemente können sich miteinander verbinden, um chemische Verbindungen zu bilden, d.h. Substanzen, die aus mehreren Elementen bestehen, wie z.B. Kohlendioxid (das aus einem Kohlenstoffatom in Verbindung mit zwei Sauerstoffatomen besteht), oder aus mehreren Atomen eines einzelnen Elements, wie z.B. Sauerstoffgas (das aus zwei miteinander verbundenen Sauerstoffatomen besteht). Diese chemischen Verbindungen können sich dann mit anderen Verbindungen oder Elementen zu unzähligen anderen Substanzen und Materialien verbinden.

Chemie ist eine physikalische Wissenschaft

Chemie wird typischerweise als eine physikalische Wissenschaft betrachtet, wie von der Encyclopedia Britannica definiert, weil das Studium der Chemie keine Lebewesen einbezieht. Der größte Teil der Chemie, die in Forschung und Entwicklung involviert ist, wie z.B. die Herstellung neuer Produkte und Materialien für Kunden, fällt in diesen Bereich.

Aber die Unterscheidung als physikalische Wissenschaft wird im Fall der Biochemie, die die Chemie von Lebewesen erforscht, etwas unscharf, so die Biochemical Society. Die Chemikalien und chemischen Prozesse, die von Biochemikern untersucht werden, gelten technisch gesehen nicht als „lebendig“, aber sie zu verstehen ist wichtig, um zu verstehen, wie Leben funktioniert.

Die fünf Hauptzweige der Chemie

Traditionell wird die Chemie in fünf Hauptzweige unterteilt, so das Online-Chemielehrbuch von LibreText. Es gibt auch spezialisiertere Bereiche wie Lebensmittelchemie, Umweltchemie und Nuklearchemie, aber dieser Abschnitt konzentriert sich auf die fünf wichtigsten Teildisziplinen der Chemie.

Die analytische Chemie befasst sich mit der Analyse von Chemikalien und umfasst sowohl qualitative Methoden wie die Betrachtung von Farbveränderungen als auch quantitative Methoden wie die Untersuchung der genauen Wellenlänge(n) des Lichts, das eine Chemikalie absorbiert hat, um diese Farbveränderung zu bewirken.

Diese Methoden ermöglichen es Wissenschaftlern, viele verschiedene Eigenschaften von Chemikalien zu charakterisieren, und können der Gesellschaft in vielerlei Hinsicht zugute kommen. Zum Beispiel hilft die analytische Chemie Lebensmittelherstellern dabei, schmackhaftere Tiefkühlgerichte herzustellen, indem sie feststellt, wie sich Chemikalien in Lebensmitteln verändern, wenn sie im Laufe der Zeit eingefroren werden. Die analytische Chemie wird auch verwendet, um die Gesundheit der Umwelt zu überwachen, indem sie zum Beispiel Chemikalien in Wasser oder Boden misst.

Die Biochemie verwendet, wie bereits erwähnt, chemische Techniken, um zu verstehen, wie biologische Systeme auf chemischer Ebene funktionieren. Dank der Biochemie waren Forscher in der Lage, das menschliche Genom zu entschlüsseln, zu verstehen, was verschiedene Proteine im Körper tun und Heilmittel für viele Krankheiten zu entwickeln.

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Die anorganische Chemie untersucht die chemischen Verbindungen in anorganischen, also nicht lebenden Dingen wie Mineralien und Metallen. Traditionell betrachtet die anorganische Chemie Verbindungen, die keinen Kohlenstoff enthalten (die von der organischen Chemie abgedeckt werden), aber diese Definition ist laut der ACS nicht ganz korrekt.

Einige Verbindungen, die in der anorganischen Chemie untersucht werden, wie „organometallische Verbindungen“, enthalten Metalle, die an Kohlenstoff gebunden sind – das Hauptelement, das in der organischen Chemie untersucht wird. Als solche werden solche Verbindungen als Teil beider Gebiete betrachtet.

Die anorganische Chemie wird zur Herstellung einer Vielzahl von Produkten verwendet, darunter Farben, Düngemittel und Sonnenschutzmittel.

Die organische Chemie beschäftigt sich mit chemischen Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten, ein Element, das als essentiell für das Leben angesehen wird. Organische Chemiker untersuchen die Zusammensetzung, Struktur, Eigenschaften und Reaktionen solcher Verbindungen, die neben Kohlenstoff auch andere Nicht-Kohlenstoff-Elemente wie Wasserstoff, Schwefel und Silizium enthalten. Die organische Chemie wird in vielen Bereichen eingesetzt, wie die ACS beschreibt, z. B. in der Biotechnologie, der Erdölindustrie, der Pharmazie und bei Kunststoffen.

Die physikalische Chemie nutzt Konzepte aus der Physik, um zu verstehen, wie Chemie funktioniert. Zum Beispiel, um herauszufinden, wie sich Atome bewegen und miteinander interagieren, oder warum sich einige Flüssigkeiten, einschließlich Wasser, bei hohen Temperaturen in Dampf verwandeln. Physikalische Chemiker versuchen, diese Phänomene auf einer sehr kleinen Skala – auf der Ebene von Atomen und Molekülen – zu verstehen, um Rückschlüsse darauf zu ziehen, wie chemische Reaktionen funktionieren und was bestimmten Materialien ihre einzigartigen Eigenschaften verleiht.

Diese Art der Forschung hilft, andere Zweige der Chemie zu informieren und ist laut ACS wichtig für die Produktentwicklung. Physikalische Chemiker untersuchen zum Beispiel, wie bestimmte Materialien, wie etwa Kunststoff, mit Chemikalien reagieren, mit denen das Material in Kontakt kommen soll.

Was machen Chemiker?

Chemiker arbeiten in einer Vielzahl von Bereichen, darunter Forschung und Entwicklung, Qualitätskontrolle, Produktion, Umweltschutz, Beratung und Recht. Sie können laut ACS an Universitäten, für die Regierung oder in der Privatindustrie arbeiten.

Hier sind einige Beispiele dafür, was Chemiker tun:

Forschung und Entwicklung

In der akademischen Welt zielen Chemiker, die Forschung betreiben, darauf ab, das Wissen über ein bestimmtes Thema zu erweitern, und haben nicht unbedingt eine spezifische Anwendung im Sinn. Ihre Ergebnisse können aber dennoch auf relevante Produkte und Anwendungen angewendet werden.

In der Industrie nutzen Chemiker in der Forschung und Entwicklung wissenschaftliche Erkenntnisse, um ein bestimmtes Produkt oder Verfahren zu entwickeln oder zu verbessern. Zum Beispiel verbessern Lebensmittelchemiker die Qualität, Sicherheit, Lagerung und den Geschmack von Lebensmitteln; pharmazeutische Chemiker entwickeln und analysieren die Qualität von Medikamenten und anderen medizinischen Formulierungen; und Agrarchemiker entwickeln Düngemittel, Insektizide und Herbizide, die für die großflächige Pflanzenproduktion notwendig sind.

Manchmal geht es in der Forschung und Entwicklung nicht darum, das Produkt selbst zu verbessern, sondern den Herstellungsprozess, der mit der Produktion des Produkts verbunden ist. Chemieingenieure und Verfahrenstechniker entwickeln neue Wege, um die Herstellung ihrer Produkte einfacher und kostengünstiger zu machen, z.B. die Geschwindigkeit und/oder die Ausbeute eines Produkts für ein gegebenes Budget zu erhöhen.

Umweltschutz

Umweltchemiker untersuchen, wie Chemikalien mit der natürlichen Umwelt interagieren, indem sie die Chemikalien und chemischen Reaktionen charakterisieren, die in natürlichen Prozessen in Boden, Wasser und Luft vorkommen. Zum Beispiel können Wissenschaftler Boden, Wasser oder Luft von einem Ort von Interesse sammeln und in einem Labor analysieren, um festzustellen, ob menschliche Aktivitäten die Umwelt verunreinigt haben oder verunreinigen werden oder sie in anderer Weise beeinflussen. Einige Umweltchemiker können laut dem U.S. Bureau of Labor Statistics auch bei der Sanierung oder Entfernung von Verunreinigungen aus dem Boden helfen.

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Wissenschaftler mit einem Hintergrund in Umweltchemie können auch als Berater für verschiedene Organisationen arbeiten, wie z. B. Chemieunternehmen oder Beratungsfirmen, und Anleitungen geben, wie Praktiken und Verfahren in Übereinstimmung mit den Umweltvorschriften durchgeführt werden können.

Recht

Chemiker können ihren akademischen Hintergrund nutzen, um Ratschläge zu geben oder sich für wissenschaftliche Fragen einzusetzen. Zum Beispiel können Chemiker im Bereich des geistigen Eigentums arbeiten, wo sie ihren wissenschaftlichen Hintergrund auf urheberrechtliche Fragen in der Wissenschaft anwenden können, oder im Umweltrecht, wo sie spezielle Interessengruppen vertreten und die Genehmigung von Regulierungsbehörden einholen können, bevor bestimmte Aktivitäten stattfinden.

Chemiker können auch Analysen durchführen, die der Strafverfolgung helfen. Forensische Chemiker erfassen und analysieren die physischen Beweise, die an einem Tatort zurückgelassen wurden, um die Identitäten der beteiligten Personen zu ermitteln und andere wichtige Fragen zu beantworten, wie und warum das Verbrechen ausgeführt wurde. Forensische Chemiker verwenden eine Vielzahl von Analysemethoden, wie Chromatographie und Spektrometrie, die helfen, Chemikalien zu identifizieren und zu quantifizieren.