Chemie für Quereinsteiger/ Vorwort 1997

Vorwort 1997

In jedem Lexikon steht zu lesen: "Die Chemie ist die Lehre von den Eigenschaften der Substanzen und deren Umwandlungen." Der in diese Lehre Nichteingeweihte hört davon mit Schaudern, in neuerer Zeit sogar immer mehr mit Ablehnung. In den Schulen steht das Fach Chemie an nahezu letzter Stelle der Beliebtheitsskala, es wird für schwierig und undurchschaubar gehalten. Für den Neuling, sei er auch noch so neugierig und lernbereit, wird nach erstem Kennenlernen das Fach Chemie immer schwieriger, obwohl es Chemiebücher für Anfänger in Hülle und Fülle gibt.

Woran liegt es wohl, daß Schüler der Sekundarstufe Chemie als ein Horrorfach empfinden? Welches sind die Gründe dafür, daß Studenten des Maschinenbaues, der Elektrotechnik oder des Bauingenieurwesens womöglich am Fach Chemie scheitern? Diese Frage hat die nahezu dreißigjährige Lehrtätigkeit der Autoren ständig begleitet, die Lehrtätigkeit sowohl im Bereich von Industrie und Hochschule als auch bei Schülern und Schülerinnen der Sekundarstufe unserer öffentlichen Schulen. Die Antwort ist zu finden, wenn man sich die Geschichte der Chemie ansieht und einen Augenblick zurückschaut. Es sind sehr alte Erfahrungen der Menschen, daß Eisen rostet und Kohle brennt. Eine Substanz verändert sich oder verschwindet scheinbar ganz. Gemäß dieser und vieler anderer Erfahrungen haben Alchimisten und Chemiker dann Experimente geplant und ausgewertet, ihre Beobachtungen in Systemen geordnet und sogar mit geheimwissenschaftlichen, undurchschaubaren Formeln und Symbolen beschrieben. Jeder Chemiker wie jeder Laie hat aber in früheren Zeiten immer nur die Substanz in der für uns Menschen zugängigen Gestalt wahrnehmen können: einen vielbegehrten Gold-Nugget, rotbraune Kupferkristalle, klares Wasser in einem Glas, weiße Zucker- oder Kochsalzkristalle. Heute nennen wir dies die makroskopische Erscheinung der Substanzen. Das Rosten des Eisens und die Verbrennung der Kohle zeigen also Veränderungen der makroskopischen Eigenschaften dieser Substanzen an.

Eine eindeutige Beschreibung, Ordnung, Übersicht und Systematik der Substanzen und deren Umsetzungen ist jedoch allein anhand der makroskopischen Erscheinungen nicht möglich. Die moderne Wissenschaft Chemie mit ihrer Systematik hat deshalb ihre Wurzeln nicht in der chemischen Koch-kunst des Labors, sondern in der Philosophie! Die Tragik des Faches Chemie liegt darin, daß diese Erkenntnis für die Lehre an Hochschulen und für Chemieunterricht an Schulen völlig verlorengegangen ist.

Worin besteht nun das Wesentliche dieser der Chemie zugrunde liegenden Philosophie? Einige griechische Philosophen hatten einen uralten Traum. Sie wollten die Welt und ihre vielfältigen Erscheinungen einheitlich anhand der Kombination von Grundbausteinen deuten. Sie wollten die Welt zusammensetzen, wie heute ein Kind seine Welt mit LegoBausteinen baut. Diese Bau-kasten-Philosophie haben die Chemiker zu Beginn des 19. Jahrhunderts übernommen, weil sie sich am besten zur Interpretation der Beobachtungen an vielen Materialien und deren Umwandlungen erfolgreich anwenden ließ.

Als Grundbausteine werden heutzutage kugelförmige Atome und Ionen angenommen und Substanzen als Kombinationen unzählig vieler Atome oder Ionen zu einem Teilchenverband beschrieben. Damit setzt der moderne Chemiker die Tradition der alten Philosophie fort. Insofern muß er seine Substanzen neben der makroskopischen Erscheinung in eine mikroskopische Welt umdeuten: Er muß sich ein Stück Gold, Eisen oder Kohle als systemati-sche Verknüpfung kleinster Teilchen vorstellen können. Obwohl der Chemiker im Labor experimentiert und Substanzen beobachtet - die kleinsten Teilchen sieht er nicht! Er sieht eigentlich nichts von dem, was für ihn wichtig ist - deshalb müssen die kleinsten Teilchen den Chemiker in der Vorstellung und Phantasie ständig beim Experimentieren begleiten.

Auch der Quereinsteiger muß zunächst in diese gedachte Welt der winzigen, unsichtbaren Teilchen eintauchen. Dann wird er folgerichtig viele Fragen des Alltags und der Technik deuten, womöglich voraussagen können. Warum wirft sich der Rost am Auto unter dem Lack als Beule? Warum kann man chemisch aus Blei kein Gold herstellen? Warum schwimmt Eis auf dem Wasser? Wie funktioniert das Abbinden des Gipses? Viele Substanzen werden heutzutage bereits aufgrund der Philosophie der mikroskopischen Teilchen gezielt angefertigt, um bestimmte Eigenschaften der Materialien zu erhalten: angefangen von Gläsern mit bestimmten Eigenschaften der Lichtbrechung, über korrossionsfeste Werkstoffe mit bestimmten Härten, bis hin zu Arzneimitteln. Überall ist Phantasie und Vorstellungsvermögen gefragt.

Hier liegt die größte Schwierigkeit für den Anfänger. Insofern soll diese Buchreihe das Vorstellungsvermögen und die für die Chemie benötigte Phantasie entwickeln, stärken und trainieren. Zu diesem Zweck werden zunächst nur Substanzen vorgestellt und in eine mikroskopische Betrachtungsweise übertragen. Dazu gehört das systematische Anordnen und Kombinieren der kleinsten Teilchen im Raum. Solche Teilchenkombinationen im Raum nennt man chemische Strukturen. Für den Lernprozeß ist es nun unbedingt erforderlich, diese Strukturen mit Hilfe von Strukturmodellen zu verstehen: am besten ist es, der Anfänger baut sie sich mit im Handel erhältlichen Kugeln selbst oder mit bereits vorgefertigten Bauteilen eines Modellbaukastens.

Entscheidend ist für den Anfänger und Quereinsteiger, daß sich die chemische Symbolik, die der Chemiker in Form von Formeln und Reaktionsgleichungen für seine Substanzen verwendet, direkt und klar aus der Struktur entwickeln und ableiten läßt. Dies wird für alle behandelten Substanzen konsequent gezeigt, so daß sich der Neuling rasch und sicher mit der chemi-schen Symbolsprache vertraut machen kann.

Die Frage, inwieweit man die Bindekräfte zwischen den Bausteinen auf Ursachen zurückführen und zu begründen versucht, soll zu Beginn völlig in den Hintergrund treten - lediglich die Wirkungen der Kräfte sind in erster Linie von Bedeutung. Beschreibende Rechenverfahren der Wellen- und Quantenmechanik werden aus guten Gründen in diesem Rahmen nicht verwendet.

Da zu Beginn dieser Einführung in das Fach Chemie bewußt keine Fragen der chemischen Bindung, sondern vorzugsweise Strukturfragen behandelt werden, nennen wir dieses Konzept strukturorientiert. Aus der Struktur wird dann in einem zweiten Schritt die chemische Reaktion als Umgruppierung der Teilchen gedeutet.

Die Stoffauswahl aus den bislang bekannten und hergestellten circa 12 Millionen Substanzen ist exemplarisch. Die durch uns ausgewählten Substanzen sollen die wichtigsten Grundlagen der Teilchenkombination und Teilchenumgruppierung aufzeigen. Für spezielle Fragen zu Eigenschaften besonderer Substanzen und der gesamten "Stoffchemie" sei auf die bekannten Lexika der Chemie hingewiesen.

Die Buchreihe wendet sich an alle, die von makroskopischen Kenntnissen vieler Substanzen herkommend in die moderne mikroskopische Chemie einsteigen oder aus anderen Fächern "quereinsteigen" wollen: Ein Querein-stieg ist deshalb in einen beliebigen Band der Buchreihe möglich, weil die Struktur der dort behandelten Stoffe nachgebaut und deshalb "begriffen" werden kann. Das Konzept ist zunächst für Studenten und Studentinnen der technischen Berufe entwickelt worden: für Maschinenbauer, Versorgungsingenieure, Feinwerktechniker, Bauingenieure, Elektrotechniker. Es soll aber auch den interessierten Schüler oder die motivierte Schülerin ansprechen und jeden, der sich im Nebenfach für Chemie interessiert. Weiterhin hoffen wir, daß viele Chemielehrer, die den Lehrerfolg ihres Faches optimieren wollen, nützliche Anregungen aus der Buchreihe entnehmen können.

Im ersten Band wird das Periodensystem als "Teilchenbaukasten" mit den dazugehörenden allgemeinen Kombinationsregeln vorgestellt. Die speziellen Teilchenkombinationen zu Metallkristallen, zu Molekülkristallen und Ionenkristallen finden sich in den weiteren Bänden. Wenn die Strukturen wichtiger Stoffgruppen in einem ersten Abschnitt studiert worden sind, soll in einem zweiten Abschnitt die chemische Reaktion als Umgruppierung von Strukturen interpretiert werden. Sind die an der Reaktion beteiligten Strukturen aus dem ersten Abschnitt bekannt, wird auch ein Quereinstieg in die Welt der chemischen Reaktionen möglich.

In diesem Sinn viel Spaß beim Studium der Chemie auf strukturorientiertem Wege.

Münster und München im Januar 1997 Hans-Dieter Barke Dieter Sauermann