Anorganische Chemie

Allgemeine und Anorganische Chemie: Zusammenfassung

So viel zur Abgrenzung der anorganischen Chemie (auch Anorganik), aber was ist eigentlich die allgemeine Chemie? Häufig werden die Begriffe gleichbedeutend verwendet, weil sie beide die Grundlage für alle anderen Unterthemen darstellen. Tatsächlich gibt es auch keine genaue Abgrenzung zwischen diesen beiden Themenbereichen.

Allerdings kannst Du Dir merken, dass zur allgemeinen Chemie Themen wie das Periodensystem und die chemische Bindung gezählt werden. Denn: die Untersuchung der Elemente und Verbindungen ist für alle Teilgebiete der Chemie wichtig.

Periodensystem der Elemente

Das Periodensystem der Elemente (kurz: PSE) ist das mit Abstand wichtigste Werkzeug in der anorganischen Chemie. Forschenden erlaubt das Periodensystem grob vorherzusagen, wieso Elemente reagieren, welche Bindungen die Elemente wahrscheinlich eingehen, und, wie stabil die entstehenden Verbindungen sein werden.

Chemische Bindungen

Hast Du Dich schon immer mal gefragt, wieso Stoffe zusammenhalten oder wieso manche Stoffe biegsam sind und andere wiederum spröde? All das lässt sich durch chemische Bindungen erklären! Auf StudySmarter lernst Du alles zu den Primärbindungen, die die Bindungen im Molekül beschreiben und Du erfährst, was eine Sekundärbindung ist.

Diese Definition der anorganischen Chemie grenzt die Auswahl nicht unbedingt ein, denkst Du jetzt vielleicht. Schließlich brauchst Du nur einen Blick ins Periodensystem zu werfen, um zu merken, dass es entsprechend der vielen anderen Elemente eine ganze Reihe an unterschiedlichen anorganischen Stoffen geben muss. Mit dieser Annahme liegst Du natürlich völlig richtig. Daher liest Du in diesem Abschnitt von den wichtigsten Stoffgruppen der anorganischen Chemie und welche Ausnahmen es gibt.

Metalle und Legierungen

Etwa drei Viertel der Elemente des Periodensystems sind Metalle. Diese Stoffgruppe der anorganischen Chemie zeichnet sich dadurch aus, dass die Atome dieser Kategorie sogenannte metallische Bindungen (Metallbindungen) eingehen können. Bei dieser Bindungsart ordnen sich die einzelnen Metallatome eng aneinander an, sodass geordnete Kristallstrukturen entstehen. Die Elektronen in Metallen bewegen sich dabei frei durch den gesamten Kristall, was unter anderem die gute elektrische Leitfähigkeit dieser Stoffgruppe der anorganischen Chemie erklärt.

Salze und Minerale

Salze bestehen aus gegensätzlich geladenen Ionen. Das positiv geladene Ion (Kation) ist dabei in der Regel ein Metallatom, das ein oder mehrere Elektronen abgegeben hat. Als negativ geladenes Ion (Anion) kann zum Beispiel ein Halogenatom dienen, das ein Elektron zu viel trägt. Zusammen bilden diese gegensätzlich geladenen Ionen eine Ionenbindung. Auch etwa 90 % aller natürlich vorkommenden Minerale weisen eine Ionenbindung auf.

Säuren und Basen

Säuren und Basen zeichnen sich durch ihre Eigenschaft aus, positiv geladene Wasserstoffionen (H⁺) übertragen zu können. Weil H⁺-Ionen keine Elektronen besitzen, werden sie häufig als Protonen bezeichnet. In einer wässrigen Lösung sind Säuren in der Lage, diese Protonen abzugeben und werden daher Protonendonatoren genannt. Basen sind Stoffe, die Protonen aufnehmen – sie werden auch als Protonenakzeptoren bezeichnet.

Nichtmetallverbindungen

Es gibt eine Vielzahl an anorganischen Nichtmetallverbindungen, bei denen die Atome über kovalente Bindungen zusammengehalten werden. Diese Bindungsart zeichnet sich dadurch aus, dass sich die beteiligten Atome mindestens ein Elektronenpaar teilen. Die Elektronen halten sich dabei zwischen den beiden Atomkernen auf, ohne dass eines der Atome eine derart starke Anziehung ausübt, die zum Bruch der Bindung führen würde.

Komplexchemie

Komplexe bestehen aus einem Zentralteilchen und mindestens einem Liganden. Das Zentralteilchen ist meistens ein positiv geladenes Metallion. Die Liganden stellen jeweils mindestens ein freies Elektronenpaar für eine koordinative Bindung zur Verfügung. Auf diese Weise entstehen geometrische Strukturen, die in wässriger Lösung in vielen Fällen eine charakteristische Farbe zeigen.

Nomenklatur in der anorganischen Chemie

Hast Du Dich schon mal gefragt, wer die Namen für chemische Verbindungen aus der anorganischen Chemie vorgibt? Tatsächlich hat die International Union of Pure and Applied Chermistry (IUPAC) spezielle Regeln für die Benennung chemischer Verbindungen entworfen. Diese sogenannte IUPAC-Nomenklatur soll die Kommunikation zwischen Chemiker*innen auf der ganzen Welt erleichtern. Dir hilft sie vor allem dabei, die ganzen chemischen Verbindungen, die Du im Laufe Deines Lebens kennenlernst, besser einzuordnen und ihre Reaktivität abzuschätzen.

Summenformeln

Schau Dir zunächst mal die Summenformeln in der anorganischen Chemie an. Vielleicht ist Dir schon aufgefallen, dass in Verbindungen wie Kochsalz (NaCl) das Halogenion immer hinten steht – das ist kein Zufall, sondern so gewollt. Der Grund für diese Anordnung ist die höhere Elektronegativität des Chlors. Du kannst Dir also als Regel merken, dass die Atome in einer Summenformel nach aufsteigender Elektronegativität sortiert sind.

Beispiele, auf die diese Regel zutrifft, sind neben NaCl auch Aluminiumoxid (Al₂O₃), Silberchlorid (AgCl) oder Phosphorpentafluorid (PF₅).

Sonderfall: Wasserstoff

Natürlich ist eine Regel nichts ohne ein paar Ausnahmen. Wasserstoff steht trotz der geringen Elektronegativität immer an letzter Stelle. Beispiele für Verbindungen, auf die dieser Fall zutrifft, sind unter anderem: Ammoniak (NH₃) und Siliciumwasserstoff (SiH₄).

Aber auch hier gibt es wieder eine Ausnahme – nervig, aber dafür wird es nicht so schnell langweilig in der anorganischen Chemie. Bei Verbindungen, die in wässrigen Lösungen sauer reagieren, steht der Wasserstoff immer an erster Stelle. Auf diese Weise siehst Du immer sofort, ob es sich um eine Säure handelt oder nicht. Diesen Fall kannst Du unter anderem bei diesen Verbindungen beobachten: Fluorwasserstoff (HF), Chlorwasserstoff (HCl), Wasser (H₂O) und Schwefelwasserstoff (H₂S).

Benennung

Zur Benennung von Verbindungen in der anorganischen Chemie beginnst Du mit dem ersten englischen Elementnamen einer Summenformel. Dabei wird die Atomanzahl als ausgeschriebene griechische Zahl an den Anfang gestellt. Danach gehst Du zum nächsten Element in der Verbindung und gehst genauso vor. Zum Schluss wird noch eine Endung angehängt, die beschreibt, auf welche Weise die Atome miteinander gebunden sind.

Trivialnamen und alternative Bezeichnungen

Auch wenn Dihydrogenmonooxid als Name für Wasser ziemlich cool klingt, ist er doch etwas lang und umständlich. Schön, dass für viele Substanzen aus dem Alltag kürzere und leichter zu merkende Namen genutzt werden. Keiner wird dich im Labor schief anschauen, wenn Du zu H₂O einfach Wasser sagst. Diese allgemein und auch unter Chemiker*innen akzeptierten Namen werden als Trivialnamen bezeichnet. Auch die IUPAC hat diese Namen für die anorganische Chemie anerkannt, also kannst Du sie bedenkenlos benutzen.

Abgesehen von den Trivialnamen, die sich mit der Zeit verbreitet haben, ist die Benennung nach den IUPAC-Regeln in einigen Fällen zu umständlich, wodurch häufig alternative Namen benutzt werden. Ein anschauliches Beispiel dafür ist die Verbindung H₂S: Nach den Benennungsregeln würde diese Verbindung Dihydrogenmonosulfid heißen, allerdings ist Schwefelwasserstoff geläufiger und ebenso richtig. Das Gleiche gilt für die Bezeichnung Chlorwasserstoff für Salzsäure aus dem obigen Beispiel.

Bedeutung der verschiedenen Endungen

-id als Endung für die Anionen von Wasserstoffsäuren hast Du bereits kennengelernt. Die Endung -at wird benutzt, wenn das Anion einer Verbindung aus mehreren Atomen besteht, wie beim Chloration (ClO₃^-) in der Chlorsäure (HClO₃). Das ist häufig bei den sogenannten Elementsäuren aus der anorganischen Chemie der Fall.

Die Namen der Anionen von Sauerstoffsäuren mit einem zusätzlichen Sauerstoffatom (Persäuren) fangen mit per- an und hören mit -at auf. Ein Beispiel dafür ist die Perchlorsäure (HClO₄), die nach den Benennungsregeln auch Hydrogenperchlorat heißt.

Weiter geht es mit den sogenannten elementigen Säuren, die die Endung -it tragen. Diese Säuren haben ein bis zwei Sauerstoffatome weniger als die entsprechenden Elementsäuren. Ein Beispiel dafür ist die chlorige Säure (HClO₂) mit dem Anion Chlorit (ClO₂^-).

Außerdem gibt es noch hypoelementige Säuren, die noch ein Sauerstoff weniger haben als die elementigen Säuren. Die Anionen dieser Säuren bekommen ein hypo- vorne angestellt und ein -it hinten angestellt. Konkret heißt das Anion (ClO^-) der hypochlorigen Säure dann Hypochlorit.

Weitere Benennungsregeln

Viele Metallverbindungen in der anorganischen Chemie werden lieber mit der deutschen Bezeichnung für das Element und einer römischen Zahl für die Oxidationsstufe benannt. Ein Beispiel für diese Benennung ist Eisen(II)-sulfat (FeSO₄). Außerdem folgt die Benennung von Komplexverbindungen ganz eigenen Regeln. Wenn Dich das Thema interessiert, schau Dir gern die Erklärung zur Komplexchemie aus der anorganischen Chemie an.

Reaktionen in der anorganischen Chemie

Die beiden wichtigsten Reaktionstypen in der anorganischen Chemie sind die Redoxreaktionen und die Säure-Base-Reaktionen.

Redoxreaktion

Bei einer Redoxreaktion, also einer Reduktions-Oxidations-Reaktion, werden zwischen zwei Reaktionspartnern Elektronen ausgetauscht. Die bekannteste Redoxreaktion im alltäglichen Leben ist wahrscheinlich die Verbrennung. Doch auch die Prozesse der Elektrochemie, wie sie beispielsweise in Deinem Lithium-Ionen-Akku ablaufen, sind Redoxreaktionen.

Säure-Base-Reaktion

Basen und Säuren begegnen uns nicht nur in der anorganischen Chemie, sondern überall im Alltag. Säuren treffen wir in unserem Körper, unseren Softdrinks oder auch im sauren Regen an. Basen, wie Natronlauge, benutzen wir unter anderem, um unsere Hände zu waschen. Säure-Base-Reaktionen laufen, genau wie die Redoxreaktionen, nach dem Donator-Akzeptor-Prinzip ab. Der Unterschied liegt aber darin, dass keine Elektronen übertragen werden, sondern Protonen (H⁺-Ionen).

Anorganischen Chemie – Anwendungen

Die Forschungsergebnisse der anorganischen Chemie bilden die Grundlage für viele wichtige technologische Errungenschaften. Zwei wichtige Beispiele sind die Nanoteilchen und die Silikone.

Nanoteilchen

Nanoteilchen sind Teilchen im nanoskaligen Bereich. Aufgrund ihrer geringen Größe haben sie ganz andere Eigenschaften im Gegensatz zu normalen Materialien. Durch genaue Veränderung der Struktur von Nanoteilchen können sie für bestimmte Zwecke optimiert werden und finden so unter anderem in der Medizin eine immer größer werdende Bedeutung.

Silikone

Silikone bilden die Brücke zwischen anorganischen und organischen Kunststoffen. Im Alltag kommen Silikone häufig in Backförmchen, Teigschabern oder Dichtungen vor. Durch ihre Hitzeresistenz und Elastizität eignen sie sich gut für die Anwendung in der Küche.