Ein bißchen Chemie

Birgitta Meister

Einführung

Um Chemotherapie zu verstehen, sollte man einige elementare Grundkenntnisse in Chemie besitzen. Das, was man in der Schule gelernt hat, reicht hierfür eigentlich völlig aus. Wenn das nur nicht so lange her wäre... Deshalb hier eine kleine Wiederholung für die Leute, die noch mal nachlesen möchten.

Elementares

Alle in der Natur vorkommenden Stoffe, egal, ob fest, flüssig oder gasförmig, lassen sich auf eine begrenzte Anzahl bestimmter Stoffe zurückführen, die sich, wie man lange annahm, nicht mehr weiter zerlegen lassen, jedenfalls nicht auf chemischem Wege. Diese Stoffe nennt man Grundstoffe oder Elemente. Davon gibt es 92 natürliche und z.Zt. 12 durch Atomumwandlung künstlich hergestellte. Sie werden meist mit Kurzzeichen benannt, die von ihren lateinischen oder griechischen Namen abgeleitet sind. Die künstlichen Elemente sind nach irgendwelchen Wissenschaftlern benannt.

Chemische Elemente alphabetisch:

Die Zutaten der Materie

Die Elemente bestehen aus sehr kleinen, nicht mehr chemisch zerlegbaren Teilchen, den Atomen. Die Atome besitzen einen inneren Aufbau, der für jedes Element typisch ist, d.h. die Atome eines Elementes sind untereinander gleich. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Elemente ergeben sich aus dem unterschiedlichen Aufbau der Atome.

Atome sind so klein, daß sie nicht sichtbar gemacht werden können. Ein kluger Kopf namens Niels Bohr hat jedoch ein Modell entwickelt, wie so ein Atom aussehen könnte. Danach hat es kugelförmige Gestalt mit einem Durchmesser zwischen 2 * 10^-8 und 5 * 10^-8 cm. Es besteht aus sog. Elementarteilchen, die sich z.T. im Atomkern und z.T. in der Atomhülle befinden.

Der Atomkern befindet sich in der Mitte des Atoms. Sein Durchmesser beträgt etwa 10^-12 cm, d.h. er ist etwa 10.000 mal so klein wie der Durchmesser des Atoms, Dafür ist in ihm fast die ganze Masse des Atoms vereinigt. Er besteht aus zwei Sorten von Elementarteilchen, den Protonen und den Neutronen. Sie werden auch als Kernbausteine (Nukleonen) bezeichnet.

Die Protonen sind elektrisch positiv geladen. Ihre Anzahl bezeichnet man als Kernladungszahl oder Ordnungszahl, sie bestimmt, um welches Element es sich handelt.

Die Neutronen sind elektrisch neutral und ungefähr genauso schwer wie die Protonen. Die Anzahl von Protonen und Neutronen ergibt zusammen die Massezahl des Atoms.

Von den meisten Elementen gibt es verschiedene Varianten, die sich, bei gleicher Protonenzahl, durch die Anzahl der Neutronen und damit durch ihre Massezahl unterschieden. Sie werden als Isotope oder Nuklide des Elementes bezeichnet.

Der Atomkern ist von der Atomhülle umgeben. Sie besteht aus den Elektronen, von denen man sich vorstellt, daß sie sich mit sehr großer Geschwindigkeit in verschiedenen Abständen und Richtungen um den Atomkern bewegen. Sie sind elektrisch negativ geladen. Die negative Ladung eines Elektrons ist gleich der positiven Ladung eines Protons, auch wenn das Elektron eine viel geringere Masse besitzt (1/2000). Die Zahl der Elektronen in der Atomhülle ist genauso groß wie die Zahl der Protonen im Atomkern, sie entspricht also der Ordnungszahl. Die elektrischen Ladungen von Atomkern und Atomhülle gleichen sich aus, so daß das Atom nach außen hin elektrisch neutral ist.

Nach der sog. Unschärfetheorie von Werner Heisenberg ist es nicht möglich, Ort und Geschwindigkeit eines Elektrons gleichzeitig festzustellen. Das bedeutet, daß für ein Elektron keine genaue Flugbahn ermittelt werden kann, sondern nur ein Raum, in dem es mit sehr großer Wahrscheinlichkeit anzutreffen ist. Der Fachausdruck hierfür heißt Orbital. Hinzu kommt noch, daß die Elektronen in unterschiedlichen Abständen um den Atomkern kreisen. Wegen der unterschiedlichen Ladung werden sie von den Protonen im Kern angezogen. Dieser Anziehungskraft wirkt eine Fliehkraft entgegen, die durch die Bewegung des Elektrons um den Kern entsteht. Je größer diese Kraft ist, desto weiter entfernt sich das Elektron vom Kern. Die Elektronen können sich also auf verschiedenen Energieniveaus aufhalten, die sich in unterschiedlichem Abstand vom Atomkern befinden. Sie werden als Elektronenschalen bezeichnet und haben von den Wissenschaftlern die sinnigen Namen K, L, M, N, O, P und Q (von innen nach außen) erhalten. Sie werden noch einmal in Unterschalen mit den Namen s, p, d, f unterteilt. Jede Schale und Unterschale kann nur eine begrenzte Anzahl von Elektronen aufnehmen, und zwar um so mehr, je weiter außen sie liegt. D.h. die Elektronen verteilen sich so auf die verschiedenen Energieniveaus, daß einerseits alle Platz haben und andererseits ein möglichst energiearmer Zustand angestrebt wird. (Man sieht, daß die Natur im großen wie im kleinen doch den gleichen Gesetzen folgt)

Diese Verteilung ist jedoch nicht unveränderlich. Durch Energiezufuhr, z.B Wärme oder energiereiche Strahlung können Elektronen auf eine energiereichere Schale angehoben werden oder sogar vom Atom abgetrennt werden. Fällt solch ein Elektron wieder auf das energieärmere Niveau zurück, wird die Energie wieder abgegeben, meist als elektromagnetische Strahlung, z.B. Licht oder g -Strahlung.

Radioaktivität

Die Kernbausteine (Nukleonen) eines Atoms werden durch die sog. Kernkräfte zusammengehalten. Es gibt Elemente oder Isotope eines Elementes, bei denen diese Kernkräfte nicht unbegrenzt lange vorhalten. Diese Stoffe sind nicht stabil. Nach einer gewissen Zeit fällt der Atomkern auseinander. Es entsteht ein neues Element mit einer niedrigeren Ordnungs- und Massezahl, die "überschüssigen" Elementarteilchen fliegen davon. Diese Erscheinung bezeichnet man als Radioaktivität oder radioaktiven Zerfall.

Hierbei können verschiedene Sorten von Strahlung entstehen:

• Die alpha -Strahlen bestehen aus positiv geladenen Heliumkernen, das sind 2 Protonen und 2 Neutronen. Sie haben in Luft nur eine geringe Reichweite von ca. 7 cm.
• Die beta -Strahlen sind Elektronen, die bei der Umwandlung von Neutronen in Protonen frei werden. Ihre Reichweite beträgt in Luft mehrere Meter, sie durchdringen Stahl- und Bleibleche bis zu einer Dicke von 1 mm.
• Die gamma -Strahlen sind keine Teilchenstrahlen, sondern elektromagnetische Wellen, die entstehen, wenn Elektronen von energiereichen in energieärmere Zustände wechseln. Sie sind sehr energiereich und können Bleiplatten von mehreren Zentimetern Dicke durchdringen.

Das Periodensystem der Elemente

Um etwas Ordnung und Übersichtlichkeit in die ganzen Elemente zu bringen, ist man hingegangen und hat sie zunächst einmal nach ihrer Ordnungszahl sortiert. Dann hat man jedesmal, wenn eine neue Elektronenschale hinzukommen mußte, um alle Elektronen aufzunehmen, eine neue Reihe angefangen. Dabei ist eine Tabelle mit 7 Reihen entstanden. Die Reihen hat man Perioden genannt, die Tabelle Periodensystem. Es gibt einen Überblick über die Kernladungszahl und die dazugehörige Anordnung der Elektronen für jedes Element.

Die chemischen Eigenschaften eines Elementes werden zu einem ganz wesentlichen Teil von der Anzahl und Anordnung der Elektronen auf der äußersten Schale bestimmt. Elemente mit gleicher Elektronenzahl auf der äußeren Schale haben ähnliche chemische Eigenschaften. Sie stehen im Periodensystem in der gleichen Spalte. Die Spalten hat man Gruppen genannt, es gibt die 8 Hauptgruppen I bis VIII und die Nebengruppen Ia bis VIIIa. Die Nummer der Hauptgruppe gibt die Anzahl der Elektronen auf der äußersten Schale an (bei den Nebengruppen ist es etwas komplizierter, aber das soll hier keine Rolle spielen).

Periodensystem der Elemente

Von diesen vielen Stoffen bilden nur wenige den Hauptanteil der im Körper vorkommenden organischen Verbindungen. Es sind Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff.

Die anderen Elemente sind mengenmäßig nicht so stark vertreten, spielen aber, z.T. als Spurenelemente, eine lebenswichtige Rolle. Die wichtigsten sind sicherlich das Eisen als Baustein des roten Blutfarbstoffes und das Calcium als Bestandteil der Knochensubstanz. Weitere wichtige Elemente für den Organismus sind: Natrium, Kalium, Magnesium, Phosphor, Schwefel, Mangan, Kobalt, Kupfer, Zink, Selen, Jod...

Einige Elemente sind auch giftig, z.B. Arsen, Quecksilber, Thallium, Blei...

Beziehungskiste - Chemische Verbindungen

Im Prinzip sind alle Atome elektrisch neutral, aber die Elektronen sind nicht so sehr fest an den Atomkern gebunden, sondern mehr oder minder beweglich. Es gibt Elektronenanordnungen, die stabiler und solche, die weniger stabil sind. Besonders stabil ist die Verteilung der Elektronen dann, wenn die äußerste Schale vollständig besetzt ist. Dies ist bei den Elementen der VIII. Hauptgruppe, den Edelgasen, der Fall. Bei diesen Stoffen sind die Elektronen sehr fest an den Atomkern gebunden, sie haben keinerlei Neigung, mit anderen Elementen irgendeine Verbindung einzugehen.

Anders sieht es bei den Elementen der VII. Hauptgruppe, den sog. Halogenen aus. Ihnen fehlt gerade ein Elektron, um ihre äußerste Schale vollzubekommen. Sie sind ausgesprochen reaktionsfreudig und ziehen Elektronen sehr stark an. Diese Anziehungskraft heißt Elektronegativität. Den passenden Partner finden sie in der I. Hauptgruppe, deren Elemente haben ein einzelnes Elektron auf der äußeren Schale, das sie gerne an ein bedürftiges Halogen abgeben. Ihre Elektronegativität ist niedrig. Das Kochsalz NaCl ist ein typisches Beispiel für eine solche Verbindung.

Atome verbinden sich also untereinander über ihre Elektronen, wobei sie bestrebt sind, eine möglichst stabile Anordnung der Elektronen zu erreichen. Der Vorgang, bei dem dies geschieht, wird chemische Reaktion genannt. Ein Verband aus mehreren Atomen wird Molekül genannt. So wie die Atome die Basis der Elemente sind, sind die Moleküle die Basis der chemischen Verbindungen.

Zu einer chemischen Reaktion kann es schon kommen, wenn die Stoffe nur zusammenkommen oder erst, wenn Energie, z.B. Wärme oder Strahlung, zugeführt wird. Bei der Reaktion selbst kann auch wieder Energie frei werden.

Dabei kann sich die Form der Orbitale, also des Raums, in dem sich ein Elektron aufhält, ändern. Z.B. so, daß die Elektronen jetzt beide Atomkerne umkreisen oder sich nur noch zwischen den Atomkernen aufhalten. Diese Form der Bindung heißt Atombindung oder Elektronenpaarbindung. Ein typisches Beispiel hierfür ist das Wasserstoffmolekül, das aus zwei Wasserstoffatomen besteht, deren Elektronen gemeinsam die beiden Atomkerne umkreisen

Wenn sich die Elektronegativität, also die Kraft, mit der ein Atom Elektronen anzieht, bei zwei Elementen sehr stark unterschiedet, werden eine oder mehrere Elektronen vollständig von einem Atomkern abgetrennt und einem anderen aufgenommen. Die hierdurch entstandenen Teilchen sind nicht mehr elektrisch neutral, sie heißen Ionen. Anders als bei der Atombindung wirken die Kräfte bei der Ionenbindung in alle Richtungen. Dadurch kommt es zur Bildung von Ionenverbänden in Form von geometrisch aufgebauten Raumgittern. Es entstehen feste, ebenmäßig begrenzte Körper, die man als Kristalle bezeichnet. Das Kochsalz ist ein typisches Beispiel hierfür.

Auch bei den Metallen bilden sich Ionen, die Kristalle bilden. Die Elektronen sind zwischen den Atomen ziemlich frei beweglich. Deshalb leiten Metalle elektrischen Strom.

Durch die Zufuhr von Energie können Elektronen aus einem Atom oder Molekül herausgelöst werden. Oder ein Molekül wird in Ionen zerlegt. Dieser Vorgang heißt Ionisation und wird u.a. durch energiereiche Strahlung wie UV-Strahlung oder Röntgenstrahlen ausgelöst. Moleküle bzw. ihre Bruchstücke und Atome, die durch ein einzelnes (ungepaartes) Elektron charakterisiert sind, heißen Radikale. Sie sind äußerst reaktionsfreudig. Reaktionen unter Beteiligung von Radikalen laufen im allgemeinen augenblicklich ab und sind nicht umkehrbar.

Geschäft auf Gegenseitigkeit - Oxidation und Reduktion

Eine Reaktion, bei der ein Stoff Elektronen abgibt, insbesondere die Verbindung mit Sauerstoff, heißt Oxidation. Man sagt, der Stoff wird oxidiert. Wenn ein Stoff Elektronen aufnimmt, insbesondere durch Abspaltung von Sauerstoff, nennt man dies Reduktion und sagt, der Stoff wird reduziert. Da, wenn ein Stoff Elektronen abgibt, diese zwangläufig vom Reaktionspartner aufgenommen werden, finden bei einer Reaktion immer Oxidation und Reduktion gleichzeitig statt, es kommt nur auf den Standpunkt an. Man spricht daher auch von Redox-Reaktionen.

Synthese und Analyse

Unter Synthese versteht man das Herstellen einer chemischen Verbindung aus den Grundstoffen, z.B. der Aufbau eines Eiweißes aus einzelnen Aminosäuren.

Der Zerlegung einer chemischen Verbindung in ihre Bestandteile nennt man Analyse. Erfolgt dies mit Hilfe von elektrischem Strom, spricht man von Elektrolyse. Eine Analyse wird durchgeführt, wenn man wissen möchte, wie ein Stoff zusammengesetzt ist.