Chemische Grundlagen: Stoff und Einteilungen

Chemische Grundlagen

• Dieses Kapitel behandelt wichtige Aspekte der Chemie, einschließlich der Definition und Klassifizierung von Stoffen, physikalischen Zuständen, chemischer Zusammensetzung, intensiven und extensiven Eigenschaften, Temperaturskalen und der Dimensionsanalyse.

Stoff und seine Einteilungen

• Stoff (Materie) wird als alles definiert, was Raum einnimmt und Masse hat.
• Stoffe können in drei Hauptzuständen vorkommen: fest, flüssig und gasförmig.
• Feststoffe sind starr und haben eine definierte Form (z.B. Eis, Eisen, Holz).
• Flüssigkeiten sind fließfähig und nehmen die Form ihres Behälters an (z.B. Wasser, Öl, Benzin).
• Gase nehmen sowohl die Form als auch das Volumen ihres Behälters ein (z.B. Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid).
• Plasma, ein vierter Zustand, existiert unter extremen Bedingungen wie in Sternen.
• Stoffe werden auch als reine Substanzen oder Gemische klassifiziert.
• Reine Substanzen haben eine konstante Zusammensetzung und gleiche Eigenschaften, sie können in Elemente und Verbindungen unterteilt werden.
• Elemente sind reine Stoffe, die nicht durch chemische Veränderungen in einfachere Stoffe zerlegt werden können (z.B. Eisen, Silber, Gold, Aluminium, Sauerstoff).
• Verbindungen sind reine Stoffe, die in einfachere Stoffe zerlegt werden können und aus zwei oder mehr chemisch gebundenen Elementen bestehen (z.B. Wasser ($H_2O$), Zucker ($C_{12}H_{22}O_{11}$), Glukose ($C_6H_{12}O_6$)).
• Gemische bestehen aus zwei oder mehr Stoffarten in unterschiedlichen Mengen und können durch physikalische Veränderungen getrennt werden (z.B. Luft, Orangensaft).
• Heterogene Gemische haben eine Zusammensetzung, die von Punkt zu Punkt variiert (z.B. Ital. Dressing, Schokoladenkekse).
• Homogene Gemische haben eine gleichmäßige Zusammensetzung im gesamten Volumen, sie werden auch als Lösungen bezeichnet (z.B. Sportgetränk, Luft).
• Atome sind die kleinsten Teilchen eines Elements, die dessen Eigenschaften aufweisen und chemische Verbindungen eingehen können.
• Moleküle bestehen aus zwei oder mehr Atomen, die durch chemische Bindungen verbunden sind, es können gleiche oder unterschiedliche Elemente sein (z.B. $H_2$, $O_2$, $H_2O$).
• Chemische Formeln stellen die Zusammensetzung von Stoffen dar und verwenden Symbole für Elemente mit tiefgestellten Zahlen, die die relative Anzahl der Atome jedes Elements angeben (z.B. $H_2O$).

Physikalische und chemische Eigenschaften

• Physikalische Eigenschaften sind Merkmale eines Stoffes, die nicht mit einer Veränderung seiner chemischen Zusammensetzung verbunden sind, wie Dichte, Farbe, Härte, Schmelz- und Siedepunkt oder elektrische Leitfähigkeit.
• Physikalische Veränderungen verändern den Aggregatzustand oder andere Eigenschaften von Stoffen, ohne ihre chemische Zusammensetzung zu verändern, z.B. Schmelzen von Wachs oder Auflösen von Zucker in Wasser.
• Chemische Eigenschaften beschreiben, wie sich ein Stoff in einen anderen umwandelt oder eben nicht (z.B. Entflammbarkeit, Säuregehalt, Reaktivität).
• Chemische Veränderungen erzeugen immer neue Stoffe, die sich von den ursprünglichen unterscheiden, z.B. Rosten, Verbrennung oder Verdauung.
• Extensive Eigenschaften hängen von der Stoffmenge ab (z.B. Masse, Volumen, Wärme).
• Intensive Eigenschaften hängen nicht von der Stoffmenge ab (z.B. Dichte, Temperatur).

Messungen

• Messungen liefern die Basis für Hypothesen, Theorien und Gesetze in der Chemie.
• SI-Einheiten werden in der Wissenschaft verwendet.
• SI-Einheiten sind logarithmisch und verwenden Präfixe, um Zehnerpotenzen anzugeben.

Fundamentale SI-Einheiten

• Länge: Meter (m)
• Masse: Kilogramm (kg)
• Zeit: Sekunde (s)
• Temperatur: Kelvin (K)
• Elektrischer Strom: Ampere (A)
• Stoffmenge: Mol (mol)
• Lichtstärke: Candela (cd)

Gebräuchliche Einheitenvorsätze

• Mega (M): $10^6$ (z.B. 1 Mm = 1.000.000 m)
• Kilo (k): $10^3$ (z.B. 1 kg = 1.000 g)
• Dezi (d): $10^{-1}$ (z.B. 1 dm = 0,1 m)
• Centi (c): $10^{-2}$ (z.B. 1 cm = 0,01 m)
• Milli (m): $10^{-3}$ (z.B. 1 mm = 0,001 m)
• Mikro ($\mu$): $10^{-6}$ (z.B. 1 $\mu$m = 0,000001 m)
• Nano (n): $10^{-9}$ (z.B. 1 nm = 0,000000001 m)
• Piko (p): $10^{-12}$ (z.B. 1 pm = 0,000000000001 m)
• Femto (f): $10^{-15}$ (z.B. 1 fm = 0,000000000000001 m)
• Die Standardeinheit der Länge im SI- und metrischen System ist der Meter (m).
• Die Standardeinheit der Masse im SI-System ist das Kilogramm (kg).
• Die SI-Einheit der Temperatur ist das Kelvin (K), die Celsius-Skala (°C) ist ebenfalls gebräuchlich ($T_{\degree C} = T_K - 273.15$).
• Die Fahrenheit-Skala (°F) wird in den Vereinigten Staaten verwendet ($T_{\degree F} = \frac{9}{5}T_{\degree C} + 32$; $T_{\degree C} = \frac{5}{9}(T_{\degree F} - 32)$).

Abgeleitete SI-Einheiten

• Fläche: $A = l \times w$ (SI-Einheit: $m^2$)
• Volumen: $V = l \times w \times h$ (SI-Einheit: $m^3$)
• Dichte: $\rho = \frac{m}{V}$ (SI-Einheit: $\frac{kg}{m^3}$)
• Geschwindigkeit: $v = \frac{d}{t}$ (SI-Einheit: $\frac{m}{s}$)
• Beschleunigung: $a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$ (SI-Einheit: $\frac{m}{s^2}$)
• Druck: $P = \frac{F}{A}$ (SI-Einheit: Pa (Pascal))
• Energie: $E = F \times d$ (SI-Einheit: J (Joule))
• Leistung: $P = \frac{E}{t}$ (SI-Einheit: W (Watt))
• Volumen ist das Maß für den Raum, den ein Objekt einnimmt.
• Dichte ist das Verhältnis der Masse einer Probe zu ihrem Volumen ($\text{Dichte} = \frac{\text{Masse}}{\text{Volumen}}$, SI-Einheit: $kg/m^3$ und eine intensive Eigenschaft).

Unsicherheit, Genauigkeit und Präzision

• Genauigkeit ist ein Maß dafür, wie nahe ein Messwert am tatsächlichen Wert liegt.
• Präzision ist ein Maß dafür, wie nahe eine Reihe von Messungen beieinander liegen, d.h. wie reproduzierbar die Messungen sind.
• Signifikante Stellen geben die Unsicherheit einer Messung an.

Regeln für signifikante Stellen

• Nicht-Null-Ganzzahlen sind immer signifikant.
• Führende Nullen sind nie signifikant (z.B. 0,0025 hat 2 signifikante Stellen).
• Eingeschlossene Nullen sind immer signifikant (z.B. 1,025 hat 4 signifikante Stellen).
• Nachlaufende Nullen in einer Zahl mit Dezimalpunkt sind signifikant (z.B. 1,250 hat 4 signifikante Stellen).
• Nachlaufende Nullen in einer Zahl ohne Dezimalpunkt sind nur dann signifikant, wenn sie durch einen Dezimalpunkt angezeigt werden (z.B. 100 hat 1, 100,. hat 3, 1,0 x $10^2$ hat 2 signifikante Stellen).
• Exakte Zahlen haben unendlich viele signifikante Stellen (z.B. Zählzahlen, definierte Größen).
• Beim Runden von Zahlen wird aufgerundet, wenn die zu streichende Ziffer größer als 5 ist, abgerundet, wenn sie kleiner als 5 ist, und auf die nächste gerade Zahl gerundet, wenn sie gleich 5 ist.
• Bei Multiplikation und Division hat das Ergebnis so viele signifikante Stellen wie die Messung mit den wenigsten signifikanten Stellen.
• Bei Addition und Subtraktion hat das Ergebnis so viele Dezimalstellen wie die Messung mit den wenigsten Dezimalstellen.

Mathematische Behandlung

• Die Dimensionsanalyse verwendet Umrechnungsfaktoren, um Probleme zu lösen, wobei Umrechnungsfaktoren Verhältnisse sind, die zwei Einheiten in Beziehung setzen.
• Die allgemeine Strategie lautet: $$\text{Gegeben} \times \text{Umrechnungsfaktor} = \text{Gewünschte Einheit}$$.
• Der Prozentsatz ist eine Möglichkeit, einen Teil eines Ganzen auszudrücken ($\text{Prozentsatz} = \frac{\text{Teil}}{\text{Ganzes}} \times 100%$).