Chemie und unser Universum: Wie alles funktioniert

Chemie ist die Lehre von der gesamten Materie, allerdings in einem ganz besonderen Maßstab - dem der Atome und Moleküle. Professor Davis umreißt zunächst seine Herangehensweise an dieses enorme Thema und stellt dann das Periodensystem der Elemente vor, eines der leistungsstärksten konzeptionellen Werkzeuge, das je entwickelt wurde.

Chemiker verfügen über praktische Einheiten für den Umgang mit Materie auf atomarer Ebene. Lernen Sie den Ursprung und die relative Größe des Angström zur Messung der Länge, sowie die Einheit der Atommasse, das Mol zur Messung der Menge und die Kelvin-Skala für die Temperatur.

Licht interagiert auf entscheidende Weise mit Materie. Im ersten von zwei Abschnitten über die Natur des Lichts verfolgen Sie die Debatte darüber, ob Licht eine Welle oder ein Teilchen ist, beginnend in der Antike. Sehen Sie, wie sich die Wellentheorie im 19. Jahrhundert durchzusetzen schien und zur Entdeckung des elektromagnetischen Spektrums führte.

Obwohl Licht wellenartige Eigenschaften hat, verhält es sich auch wie ein Teilchen, das in diskreten Energieeinheiten, den so genannten Quanten, vorliegt. Erfahren Sie, wie die Physiker Max Planck, Albert Einstein und andere ein revolutionäres Bild des Lichts entwarfen, das sowohl dessen wellen- als auch teilchenartige Natur anerkennt.

Schäle die Schichten des Atoms ab, um zu untersuchen, was sich darin befindet. Beobachten Sie, wie Elektronen, Protonen und Neutronen verteilt sind, wie sie einem Atom dessen Identität verleihen und wie sie dessen elektrische Ladung und Atommasse beeinflussen. Entdecken Sie die Bedeutung von Begriffen wie Isotop, Anion und Kation.

Beginnen Sie mit Wasserstoff und sehen Sie sich an, wie sich die Elektronen je nach ihrem Energiezustand im Atom anordnen. Gehen Sie von Niels Bohrs revolutionärem Modell des Atoms zu Erwin Schrödingers noch präziserer Theorie über. Stellen Sie dann die verschiedenen Elektronenkonfigurationen in schwereren und schwereren Atomen dar.

Kehren Sie zum Periodensystem zurück, um sich darin zu üben, die Eigenschaften von Elementen auf der Grundlage ihrer elektronischen Struktur vorherzusagen. Beobachten Sie dann, was passiert, wenn drei verschiedene Alkalimetalle mit Wasser reagieren. Die Theorie sagt einen deutlichen Unterschied im Ergebnis voraus. Gibt es einen?

Wenden Sie sich den Molekülen zu, die Gruppen von Atomen sind, aus denen Verbindungen und einige Elemente bestehen. Lernen Sie, die empirische Formel für ein einfaches Molekül und auch dessen Molekülformel zu berechnen, die die genaue Anzahl der einzelnen Atomarten angibt.

Im ersten von fünf Teilen über chemische Bindungen entschlüsseln Sie das Geheimnis, wie Atome zu Molekülen zusammengefügt werden. Untersuchen Sie, wie Molekülbindungen die Oktettregel widerspiegeln und in vier Klassen eingeteilt werden: ionische, kovalente, polare kovalente und metallische Bindungen.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelte der Chemiker Gilbert N. Lewis eine einfache Methode zur Darstellung des grundlegenden Bauplans der Struktur eines Moleküls. Lernen Sie, wie man Lewis-Strukturen zeichnet, und nutzen Sie diese Technik, um Konzepte wie formale Ladung und Resonanz zu erforschen.

Gehen Sie im nächsten Schritt der Lewis-Strukturen voraus und sehen Sie sich an, wie die Atome in einem Molekül in drei Dimensionen angeordnet sind. Die VSEPR-Theorie (Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßungstheorie) bietet Chemikern eine schnelle Möglichkeit, die Form von Molekülen auf der Grundlage einiger weniger Grundannahmen vorherzusagen.

Treffen Sie einen der Väter der modernen physikalischen Chemie, Linus Pauling. Erfahren Sie mehr über seine Theorie der Orbitalhybridisierung, die einige der Unzulänglichkeiten der VSEPR-Theorie löst, indem sie die Ladung der Elektronen in verschiedenen Orbitalen mittelt und so die besondere Geometrie bestimmter Moleküle berücksichtigt.

Die von Friedrich Hund und Robert Mulliken entwickelte Molekülorbitaltheorie bietet eine Erklärung für Phänomene wie den Paramagnetismus von Sauerstoff. Sie zeigt, warum Sauerstoffmoleküle von Magneten angezogen werden, indem sie die Anordnung und das Verhalten von Elektronen in Molekülen anders beschreibt als andere Bindungstheorien.

Beginnen Sie Ihr Studium der chemischen Reaktionen, indem Sie untersuchen, wie Chemiker Reaktionen mit einem hochgradig systematisierten Code schreiben. Als Nächstes stellt Professor Davis die „großen vier" Arten von chemischen Reaktionen vor: Synthese, Zersetzung, Einfachverschiebung und Doppelverschiebung. Er zeigt auch, wie man zwischen Messungen in Molen und Gramm umrechnet.

Stöchiometrie mag sehr technisch klingen, aber es handelt sich einfach um die relativen Verhältnisse, in denen Chemikalien reagieren. Entdecken Sie, wie man eine Reaktionsgleichung ausgleicht, und lernen Sie, wie man Probleme mit begrenzenden Reagenzien, theoretischer Ausbeute, prozentualer Ausbeute und optimierten Reaktionen löst.

Überlegen Sie, wie Atome und Moleküle das wichtigste Gut im Universum - Energie - erzeugen, verbrauchen und transportieren können. Üben Sie sich in der Berechnung von Energieänderungen bei Reaktionen, erforschen Sie das Konzept der Enthalpie (der Gesamtwärmegehalt eines Systems) und lernen Sie, wie Chemiker ein Gerät namens Kalorimeter verwenden.

Im Jahr 1840 stellte der Chemiker Germain Hess die Theorie auf, dass die Gesamtwärmeänderung einer chemischen Reaktion gleich der Summe der Wärmeänderungen der einzelnen Schritte ist. Untersuchen Sie die Auswirkungen dieses Prinzips, das als Hess'sches Gesetz bekannt ist. Lernen Sie dabei auch etwas über die Bildungswärme.

Wenden wir uns nun der Entropie zu, die ein Maß für die Unordnung ist. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nimmt die Entropie in geschlossenen Systemen immer zu. Sehen Sie, wie diese Veränderung bei chemischen Reaktionen mit Hilfe der Tabelle der absoluten Entropie berechnet werden kann.

Enthalpie und Entropie sind gegensätzliche Größen. Sie werden jedoch in der Gleichung der freien Energie kombiniert, die von dem Chemiker J. Willard Gibbs entdeckt wurde und die vorhersagt, ob eine Reaktion spontan abläuft. Untersuchen Sie den Unterschied zwischen endothermen (Wärme benötigenden) und exothermen (Wärme freisetzenden) Reaktionen.

Untersuchen Sie die physikalischen Eigenschaften - Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase - die die häufigsten Phasen der Materie definieren. Konzentrieren Sie sich dann auf die zwischenmolekularen Kräfte, die bestimmen, welche dieser Phasen ein Stoff einnimmt. Analysieren Sie die Rolle von Londoner Dispersionskräften, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen.

Untersuchen Sie die Vorgänge auf molekularer Ebene, wenn Stoffe zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Phasen wechseln. Achten Sie besonders auf die Rolle von Temperatur und Druck bei diesen Übergängen. Machen Sie sich mit dem Phasendiagramm vertraut, einem leistungsfähigen Werkzeug zur Vorhersage.

In diesem Abschnitt über die Eigenschaften von Gasen lernen Sie die grundlegenden Gleichungen kennen, die das Verhalten von Gasen beschreiben. Lernen Sie die Geschichte des Boyle'schen Gesetzes, des Gay-Lussac'schen Gesetzes, des Charles'schen Gesetzes und des Avogadro'schen Gesetzes kennen. Verwenden Sie dann diese vier Ausdrücke, um das berühmte ideale Gasgesetz abzuleiten.

Wenden Sie die Physik der sich bewegenden Körper auf die unzähligen Teilchen eines Gases an. Beobachten Sie, wie das Grahamsche Gesetz die Masse der Gasteilchen mit der Geschwindigkeit verbindet, mit der sie durch eine kleine Öffnung entweichen, ein Prozess, der als Effusion bekannt ist. Sehen Sie, wie diese Technik zur Anreicherung von Uran für die ersten Atomwaffen verwendet wurde.

Wenden wir uns nun den Flüssigkeiten zu, deren Verhalten komplizierter ist als das der Gase. Die gleichen zwischenmolekularen Kräfte gelten für beide, aber in einem viel engeren Bereich für Flüssigkeiten. Untersuchen Sie die daraus resultierenden Eigenschaften, einschließlich Viskosität, Flüchtigkeit, Inkompressibilität und Mischbarkeit. Betrachten Sie auch die Anwendungen dieser Eigenschaften.

Festkörper zeichnen sich durch ein bestimmtes Volumen und eine bestimmte Form aus, die durch eine enge Packung von Atomen, Ionen oder Molekülen entsteht. Konzentrieren Sie sich darauf, wie die Packung in kristallinen Festkörpern, die Gittergeometrien aufweisen, sehr regelmäßig ist. Untersuchen Sie insbesondere die Struktur und die Eigenschaften von Metallen und Legierungen.