Chemie

Chemie

Die Chemie (Standardaussprache: ; Rheinisch-Westfälisch, Sächsisch: ; bairisch, badisch, Österreichisches Deutsch: ) ist die Lehre vom Aufbau, Verhalten und der Umwandlung von Stoffen sowie den dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten.

Die Chemie entstand in ihrer heutigen Form als exakte Naturwissenschaft im 17. und 18. Jahrhundert allmählich aus der Anwendung rationalen Schlussfolgerns basierend auf Beobachtungen und Experimenten der Alchemie. Einige der ersten großen Chemiker waren Robert Boyle, Humphry Davy, Jöns Jakob Berzelius, Joseph Louis Gay-Lussac, Joseph Louis Proust, Marie und Antoine Lavoisier und Justus von Liebig.

Bei chemischen Reaktionen werden Bindungen zwischen Atomen getrennt und neu gebildet, es findet also eine Stoffveränderung statt. Da die für die Chemie relevanten Eigenschaften der Atome fast ausschließlich in der Struktur ihrer Elektronen (Elektronenhülle) begründet liegen, können grundlegende Aufgabengebiete der Chemie auch als „Physik der äußeren Elektronenhülle“ betrachtet werden.

Alle Eingriffe, die die Art des Stoffes (Stoff = Substanz) unverändert lassen (z. B. Schmelzen, Erstarren), gehören zur Physik. Zur Kernphysik zählen Veränderungen am Atomkern.

Die Chemie befasst sich mit den Eigenschaften der Elemente und Verbindungen, mit den möglichen Umwandlungen eines Stoffes in einen anderen, macht Vorhersagen über die Eigenschaften für bislang unbekannte Verbindungen, liefert Methoden zur Synthese neuer Verbindungen und Messmethoden, um die chemische Zusammensetzung unbekannter Proben zu entschlüsseln.

Obwohl alle Stoffe aus vergleichsweise wenigen „Bausteinsorten“, nämlich aus etwa 80 bis 100 der 118 bekannten Elemente aufgebaut sind, führen die unterschiedlichen Kombinationen und Anordnungen der Elemente zu einigen Millionen sehr unterschiedlichen Verbindungen, die wiederum so unterschiedliche Materieformen wie Wasser, Sand, Pflanzen- und Tiergewebe oder Kunststoffe (z.B. PVC) aufbauen. Die Art der Zusammensetzung bestimmt schließlich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Stoffe und macht damit die Chemie zu einer umfangreichen Wissenschaft.

Fortschritte in den verschiedenen Teilgebieten der Chemie sind oftmals die unabdingbare Voraussetzung für neue Erkenntnisse in anderen Disziplinen, besonders in den Bereichen Biologie und Medizin, aber auch im Bereich der Physik und der Ingenieurwissenschaften. Außerdem erlauben sie es häufig, die Produktionskosten für viele Industrieprodukte zu senken. Beispielsweise führen verbesserte Katalysatoren zu schnelleren Reaktionen und dadurch zur Einsparung von Zeit und Energie in der Industrie. Neu entdeckte Reaktionen oder Substanzen können alte ersetzen und somit ebenfalls von Interesse in der Wissenschaft und Industrie sein.

Die chemische Industrie ist – gerade auch in Deutschland – ein sehr bedeutender Wirtschaftszweig: In Deutschland liegt der Umsatz der Chemieindustrie bei über 100 Milliarden Euro, die Zahl der Beschäftigten lag nach der Wiedervereinigung Deutschlands bei über 700.000 und ist jetzt unter 500.000 gesunken. Sie stellt einerseits Grundchemikalien wie beispielsweise Schwefelsäure oder Ammoniak her, oft in Mengen von Millionen von Tonnen jährlich, die sie dann zum Beispiel zur Produktion von Düngemitteln und Kunststoffen verwendet. Andererseits produziert die chemische Industrie viele komplexe Stoffe, u. a. pharmazeutische Wirkstoffe (Arzneistoffe) und Pflanzenschutzmittel (Pestizide), maßgeschneidert für spezielle Anwendungen. Auch die Herstellung von Computern, Kraft- und Schmierstoffen für die Automobilindustrie und vielen anderen technischen Produkten ist ohne industriell hergestellte Chemikalien unmöglich.

Chemische Reaktionen im Alltag finden zum Beispiel beim Kochen, Backen oder Braten statt, wobei oft gerade die hier ablaufenden, recht komplexen Stoffumwandlungen zum typischen Aroma der Speise beitragen. Nahrung wird bei körpereigenen Abbauvorgängen chemisch in ihre Bestandteile zerlegt und auch in Energie umgewandelt. Eine gut beobachtbare chemische Reaktion ist die Verbrennung.

Haarfärbung, Verbrennungsmotoren, Handy-Displays, Waschmittel, Dünger, Arzneimittel u.v.m. sind weitere Beispiele für Anwendungen der Chemie im alltäglichen Leben.

Im Alltag wird der Begriff 'Chemie' oft in einem eingeschränkten Sinn als Abkürzung für 'Produkt der chemischen Industrie' verwendet, zum Beispiel bei der 'Chemischen Reinigung': Diese reinigt Textilien mit (synthetischen) Lösungsmitteln. Der Reinigungsvorgang selbst ist in der Regel ein Lösen der Verunreinigung (beispielsweise eines Fettflecks) im Lösungsmittel und damit kein chemischer Prozess (Stoffumwandlung) im eigentlichen Sinne, sondern ein physikalischer Vorgang (Lösen). Im Gegensatz dazu ist das manchmal als 'Putzen ohne Chemie' gepriesene Auflösen von Kalkflecken mit Essig oder Zitronensaft sehr wohl ein chemischer Vorgang, da dabei festes Calciumcarbonat (Kalk) durch die Säuren zu löslichen Calciumsalzen und Hydrogencarbonat bzw. Kohlenstoffdioxid umgesetzt wird.

Es ist Aufgabe des Chemieunterrichts, einen Einblick in stoffliche Zusammensetzung, in Stoffgruppen und in stoffliche Vorgänge der Natur zu geben. Stoffumwandlungen in der belebten und unbelebten Natur beruhen ebenfalls auf chemischen Reaktionen und sollten als solche erkannt werden können. Ebenso sollte aus der Vermittlung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse Verständnis für die moderne Technik und eine positive Einstellung dazu aufgebaut werden, da doch gerade die Chemie durch Einführung neuer Produkte einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Lebensbedingungen des Menschen geleistet hat. Nicht zuletzt dient der Chemieunterricht auch dazu, die Schüler zu mündigen Verbrauchern zu erziehen. Er wird aus diesem Grund nach Lehrplänen (Curricula) und pädagogischen Konzepten gestaltet (Chemiedidaktik).

Viele Universitäten bieten einen Studiengang Chemie an. Ein Großteil der Chemiker schließt im Anschluss an das Studium eine Promotion an.

Die Chemie hat in der Öffentlichkeit – auch aufgrund von Chemiekatastrophen und Umweltskandalen – ein relativ schlechtes Ansehen. Viele Fachleute empfinden dies angesichts des Nutzens und der allgemeinen Bedeutung der Chemie als nicht gerechtfertigt, weil in Europa unter anderem aufgrund der strikten Gesetzgebung (Chemikaliengesetz, Gefahrstoffverordnung) eine weitgehend sichere Handhabung von Chemikalien gewährleistet ist. Um das Ansehen der Chemie zu verbessern wurde das Jahr 2003 von verschiedenen Trägerorganisationen zum „Jahr der Chemie“ erklärt.

Die Chemie in der Antike bestand im angesammelten praktischen Wissen über Stoffumwandlungsprozesse und den naturphilosophischen Anschauungen der Antike. Die Chemie im Mittelalter entwickelte sich aus der Alchemie, die in China, Europa und Indien schon seit Jahrtausenden praktiziert wurde.

Die Alchemisten beschäftigten sich sowohl mit der Veredlung der Metalle (Herstellung von Gold aus anderen unedlen Metallen) als auch mit der Suche nach Arzneimitteln bzw. einem Allheilmittel für Krankheiten. Insbesondere für die Herstellung von Gold suchten die Alchemisten nach einem Elixier (Philosophen-Stein, Stein der Weisen), das die unedlen („kranken“) Metalle in edle („gesunde“) Metalle umwandeln sollte. Im medizinischen Zweig der Alchemie wurde ebenfalls nach einem Elixier gesucht, dem Lebenselixier, ein Heilmittel für alle Krankheiten, das schließlich auch Unsterblichkeit verleihen würde. Kein Alchimist hat allerdings je den Stein der Weisen oder das Lebenselixier entdeckt.

Bis zum Ende des 16. Jahrhunderts basierte die Vorstellungswelt der Alchemisten in der Regel nicht auf wissenschaftlichen Untersuchungen, sondern auf Erfahrungstatsachen und empirischen Rezepten. Alchemisten führten eine große Auswahl Experimente mit vielen Substanzen durch, um ihre Ziele zu erreichen. Sie notierten ihre Entdeckungen und verwendeten für ihre Aufzeichnungen die gleichen Symbole, wie sie auch in der Astrologie üblich waren. Die mysteriöse Art ihrer Tätigkeit und die dabei oftmals fabrizierten farbigen Flammen, Rauch oder Explosionen führten dazu, dass sie als Magier und Hexer bekannt und teilweise verfolgt wurden. Für ihre Experimente entwickelten die Alchemisten die gleichen Apparaturen, wie sie heute noch in der chemischen Verfahrenstechnik verwendet werden.

Ein bekannter Alchimist war Albertus Magnus. Er befasste sich als Kleriker mit diesem Themenkomplex und fand bei seinen Experimenten ein neues chemisches Element, das Arsen. Erst mit Paracelsus wandelte sich die Alchemie von einer mehr empirischen zu einer mehr experimentellen Wissenschaft, die zur Basis der modernen Chemie wurde.

Die Chemie in der Neuzeit erhielt als Wissenschaft entscheidende Impulse im 18. und 19. Jahrhundert: Sie wurde auf die Basis von Messvorgängen und Experimenten gestellt – den Gebrauch der Waage sowie die Beweisbarkeit von Hypothesen und Theorien über Stoffe und Stoffumwandlungen.

Die Arbeiten von Justus von Liebig über die Wirkungsweise von Dünger begründeten die Agrarchemie und lieferten wichtige Erkenntnisse über die anorganische Chemie. Die Suche nach einem synthetischen Ersatz für den Farbstoff Indigo zum Färben von Textilien waren der Auslöser für die bahnbrechenden Entwicklungen der organischen Chemie und der Pharmazie. Auf beiden Gebieten hatte man in Deutschland bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts eine absolute Vorrangstellung. Dieser Wissensvorsprung ermöglichte es beispielsweise, den zur Führung des Ersten Weltkrieges notwendigen Sprengstoff statt aus importierten Nitraten mit Hilfe der Katalyse aus dem Stickstoff der Luft zu gewinnen (siehe Haber-Bosch-Verfahren).

Die Autarkiebestrebungen der Nationalsozialisten gaben der Chemie als Wissenschaft weitere Impulse. Um von den Importen von Erdöl unabhängig zu werden, wurden Verfahren zur Verflüssigung von Steinkohle entwickelt (Fischer-Tropsch-Synthese). Ein weiteres Beispiel war die Entwicklung von synthetischem Kautschuk für die Herstellung von Fahrzeugreifen.

In der heutigen Zeit ist die Chemie ein wichtiger Bestandteil der Lebenskultur geworden. Chemische Produkte umgeben uns überall, ohne dass wir uns dessen bewusst sind. Allerdings haben Unfälle der chemischen Großindustrie wie beispielsweise die von Seveso und Bhopal der Chemie ein sehr negatives Image verschafft, so dass Slogans wie „Weg von der Chemie!“ sehr populär werden konnten.

Die Forschung entwickelte sich um die Wende zum 20. Jahrhundert soweit, dass vertiefende Studien des Atombaus nicht mehr zum Bereich der Chemie gehören, sondern zur Atomphysik bzw. Kernphysik. Diese Forschungen lieferten dennoch wichtige Erkenntnisse über das Wesen der chemischen Stoffwandlung und der chemischen Bindung. Weitere wichtige Impulse gingen dabei auch von Entdeckungen in der Quantenphysik aus (Elektronen-Orbitalmodell).

Die Chemie wird aus traditionellen Gründen in die organische und anorganische Chemie unterteilt, wobei etwa um 1890 auch noch die physikalische Chemie hinzukam.

Seit der Harnstoffsynthese 1828 von Friedrich Wöhler, bei der die organische Substanz Harnstoff aus der anorganischen Verbindung Ammoniumcyanat hergestellt wurde, verwischen sich die Grenzen zwischen Stoffen aus der unbelebten (den „anorganischen“ Stoffen) und der belebten Natur (den organischen Stoffen). So stellen Lebewesen auch eine Vielzahl anorganischer Stoffe her, während im Labor fast alle organischen Stoffe hergestellt werden können.

Die traditionelle, aber auch willkürliche Unterscheidung zwischen anorganischer und organischer Chemie wurde aber dennoch beibehalten. Ein Grund besteht darin, dass die organische Chemie stark vom Molekül bestimmt wird, die anorganische Chemie jedoch oft von Ionen, Kristallen, Komplexverbindungen und Kolloiden. Ein weiterer ist, dass sich die Reaktionsmechanismen und Stoffstrukturen in der Anorganik und Organik vielfach unterscheiden.

Eine weitere Möglichkeit ist es, die Chemie nach der Zielrichtung in die untersuchende, 'zerlegende' Analytische Chemie und in die aufbauende, produktorientierte Präparative- oder Synthetische Chemie aufzuspalten. In der Lehrpraxis der Universitäten ist die Analytische Chemie oft als Unterrichtsfach vertreten, während die Präparative Chemie im Rahmen der organischen oder anorganischen Chemie behandelt wird.

Es gibt natürlich noch weitere Fachgebiete, doch die hier geschilderten sollen einen groben Überblick verschaffen.

Unter Allgemeiner Chemie werden die Grundlagen der Chemie verstanden, die in fast allen chemischen Teilgebieten von Bedeutung sind. Sie stellt somit das begriffliche Fundament der gesamten Chemie dar: den Aufbau des Atoms, das Periodensystem der Elemente (PSE), die Chemische Bindung, die Grundlagen der Stöchiometrie, Säuren, Basen und Salze und chemische Reaktionen.

Im Gegensatz zu anderen naturwissenschaftlichen Disziplinen gibt es in der Chemie den Terminus Technicus „Allgemeine Chemie“ (eine „Allgemeine Physik“ gibt es nicht). Insofern steht die Allgemeine Chemie am Anfang jeder näheren Beschäftigung mit der Chemie.

Diese auch Anorganik genannte Richtung umfasst, einfach ausgedrückt, die Chemie aller Elemente und Verbindungen, die nicht ausschließlich Kohlenstoffketten enthalten, denn diese sind Gegenstände der organischen Chemie. Die anorganische Chemie beschäftigt sich beispielsweise mit den Mineralsäuren, Metallen, und anderen kohlenstofffreien Verbindungen, aber auch mit Kohlendioxid, den Säuren Cyanwasserstoff (Blausäure) und Kohlensäure sowie mit deren Salzen. Verbindungen, die sich nicht genau einteilen lassen fallen in den Bereich der Organometallchemie. Die Bioanorganische Chemie überschneidet sich hingegen thematisch mehr mit der Biochemie.

In der klassischen Anorganik geht es um kleine Moleküle oder überhaupt um Salze bzw. Metalle, daher reicht eine Summenformel meist aus. In der Komplexchemie, wo es dennoch Isomere gibt, werden verständlicherweise wie in der organischen Chemie systematische Namen und Strukturformeln benötigt. Oft orientieren sich diese dabei sogar an denen von ähnlich aufgebauten Substanzen in der organischen Chemie (siehe beispielsweise Silane). Die moderne anorganischen Chemie befasst sich damit der Strukturbildung (Strukturchemie) von Molekülen und Festerkörpern (Festkörperchemie) um z.B. neue Werkstoffe mit speziellen physikalischen und chemischen zu erschaffen oder dem komplexen Verhalten von Teilchen in Lösungen (Kolloidchemie).

Historische Definition: Die Anorganische Chemie befasst sich mit den chemischen Elementen und Reaktionen der Stoffe, die nicht von organischem Leben (mit Hilfe der hypothetischen Lebenskraft) erzeugt werden.

Die organische Chemie (auch Organik) ist die Chemie des Elementes Kohlenstoff und nur wenigen anderen Elementen, besitzt dennoch die größte Vielfalt an chemischen Verbindungen. Durch die Vielzahl an Strukturelementen enthält schon alleine die Chemie der Kohlenwasserstoffe eine gewaltige Zahl an unterschiedlichen Substanzen, die sich nur in unterschiedlichen Bindungsarten, Anordnungen (Isomerie) oder überhaupt nur an der Struktur (Stereochemie) unterscheiden. Hinzu kommt noch, dass häufig auch Fremdatome im Kohlenwasserstoffgerüst eingebaut sind. Um diese Unzahl an Verbindungen einwandfrei zu identifizieren, genügen keine Summenformeln mehr. Aus diesem Grund gibt es die IUPAC-Nomenklatur, die jeder Substanz (auch jeder anorganischen) einen eindeutigen, systematischen Namen zuweisen, obwohl gerade bei organischen Stoffen oft Trivialnamen (gewohnte Bezeichnungen; z. B.: Essigsäure) vorhanden sind. Die organische Chemie teilt daher ihre Verbindungen in funktionelle Gruppen mit ähnlichen chemischen Eigenschaften ein und wird anhand von vergleichbaren Reaktionsmechanismen gelehrt.

Die Strukturaufklärung und Synthese von natürlichen Stoffen ist Bestandsteil der Naturstoffchemie. Heutzutage ist der Erdölverarbeitende Sektor (Petrochemie) wirtschaftlich von Bedeutung, da er Ausgangsstoffe für zahlreiche großtechnische Synthese liefert.

Bei der physikalischen Chemie handelt es sich um den Grenzbereich zwischen Physik und Chemie. Während in der präparativen Chemie (Organik, Anorganik) die Fragestellung z. B. ist: „Wie kann ich einen Stoff erzeugen“, beantwortet die physikalische Chemie stärker quantitative Fragen, z. B. „Unter welchen Bedingungen findet eine Reaktion statt?“ (Thermodynamik), „Wie schnell ist die Reaktion“ (Kinetik). Sie liefert auch die Grundlage für analytische Verfahren (Spektroskopie) oder technische Anwendungen (Elektrochemie, Magnetochemie und Nanochemie). In Überschneidung mit der Meteorologie auch Atmosphärenchemie.

Die an Bedeutung gewinnende theoretische Chemie, Quantenchemie oder Molekularphysik versucht, Eigenschaften von Stoffen, chemischer Reaktionen und Reaktionsmechanismen anhand von physikalischen Modellen, wie z. B. der Quantenmechanik oder Quantenelektrodynamik und numerischen Berechnungen zu ergründen.

Die Physikalische Chemie wurde um 1890 vor allem von Svante Arrhenius, Jacobus Henricus van 't Hoff und Wilhelm Ostwald begründet. Letzterer war auch erster Herausgeber der 1887 gemeinsam mit van 't Hoff gegründeten Zeitschrift für physikalische Chemie und hatte in Leipzig den ersten deutschen Lehrstuhl für Physikalische Chemie inne.

Das erste eigenständige Institut für Physikalische Chemie wurde 1895 von Walther Nernst, der sich bei Ostwald habilitiert hatte, in Göttingen gegründet. Weitere spezifisch der Physikalischen Chemie gewidmete Institute folgten dann in rascher Folge in Leipzig (1897), Dresden (1900), Karlsruhe (1903), Breslau, Berlin (1905) und andernorts.

Chemiker und Physiker, die vorwiegend im Bereich der Physikalischen Chemie tätig sind, werden auch als Physikochemiker bezeichnet.

Die Biochemie ist die Grenzdisziplin zur Biologie und befasst sich mit der Aufklärung von Stoffwechsel-Vorgänge, Vererbungslehre auf molekularer Ebene (Genetik) und der Strukturaufklärung und der Synthese (Molekulardesign) von großen Biomolekülen. Die Anwendung der Biochemie im technischen Bereich wird als Biotechnologie bezeichnet. Sie überschneidet sich angrenzenden Disziplinen wie der Pharmazeutische Chemie, Medizinische Chemie.

Theoretische Chemie ist die Anwendung nichtexperimenteller (üblicherweise mathematischer oder computersimulationstechnischer) Methoden zur Erklärung oder Vorhersage chemischer Phänomene. Man kann die Theoretische Chemie grob in zwei Richtungen unterteilen: Einige Methoden basieren auf Quantenmechanik (Quantenchemie), andere auf der statistischen Thermodynamik (Statistische Mechanik). Wichtige theoretische Chemiker sind bzw. waren Linus Carl Pauling, John Anthony Pople, Walter Kohn und John C. Slater.

Die Analytische Chemie beschäftigt sich mit der qualitativen Analyse (welche Stoffe sind enthalten?) und der quantitativen Analyse (wie viel von der Substanz ist enthalten?) von Stoffen. Während die klassische analytische Chemie noch stark auf aufwendige Trennungsgänge um verschiedene Substanzen zu isolieren und Nachweisreaktionen im Reagenzglas aufbaute, so werden heutzutage diese Fragestellungen in der instrumentellen Analytik mit hohem apparativen Aufwand bearbeitet.

Man unterteilt auch hier in Anorganische analytische Chemie und Organische analytische Chemie. Hier haben sich zahlreiche Spezialgebiete herausgestellt: z.B. die Klinische Chemie in Überschneidung mit der Medizin (vergleiche Labormedizin) und Toxikologie) oder die Lebensmittelchemie. Für manche Verfahren in der Mikrochemie und Spurenanalytik werden nur noch kleinste Substanzmengen benötigt.

Die Technische Chemie beschäftigt sich mit der Umsetzung von chemischen Reaktionen im Labormaßstab auf großmaßstäbliche Industrieproduktion.

Chemische Reaktionen aus dem Labor lassen sich nicht ohne weiteres auf die großindustrielle Produktion übertragen. Die technische Chemie beschäftigt sich daher mit der Frage, wie aus einigen Gramm Produkt im Labor viele Tonnen des selben Produktes in einer Fabrik entstehen.

Etwas abstrakter ausgedrückt: Die technische Chemie sucht nach den optimalen Bedingungen für die Durchführung technisch relevanter Reaktionen; dies geschieht empirisch oder mehr und mehr durch eine mathematische Optimierung auf der Grundlage einer modellhaften Beschreibung des Reaktionsablaufs und des Reaktors.

Nahezu jede Produktion in der chemischen Industrie lässt sich in diese drei Schritte gliedern. Zunächst müssen dabei die Edukte vorbereitet werden. Sie werden eventuell erhitzt, zerkleinert… oder komprimiert. Im zweiten Schritt findet die eigentliche Reaktion statt. Im letzten Schritt wird schließlich das Reaktionsgemisch aufbereitet. Mit der Vorbereitung und der Aufbereitung beschäftigt sich die chemische Verfahrenstechnik. Mit der Reaktion im technischen Maßstab beschäftigt sich die Chemische Reaktionstechnik.

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Klinische Chemie

Der Begriff klinische Chemie beschreibt die analytische Erfassung chemischer Kenngrößen, die sich aus physiologischen oder biochemischen Vorgängen im Körper ergeben. In einem enger gefassten medizinischen Sinne gehört sie zu den Teilgebieten der Laboratoriumsmedizin, wo sie sich mit pathologischen Veränderungen von diagnostischer Relevanz befasst.

In der klinischen Chemie kommen vielfältige Methoden zum Einsatz. Mit Hilfe der anorganischen Chemie können Elektrolyte und ggf. Schwermetalle bestimmt werden. Methoden der organischen Chemie und Biochemie dienen der Bestimmung von Proteinen, Lipiden, Kohlenhydraten inkl. Glykosylierungsmustern u.ä. Die Verfahren der Molekularbiologie, insbesondere die PCR in zahlreichen Varianten kommen zum Einsatz, um Veränderungen der Erbsubstanz zu bestimmen.

Das Zertifikat "Klinischer Chemiker" berechtigt zur Leitung eines Klinisch-Chemischen Laboratoriums. Es wurde von der Deutschen Gesellschaft für Klinische Chemie ins Leben gerufen, die später mit der Deutschen Gesellschaft für Laboratoriumsmedizin unter dem Namen DGKL fusionierte.

Das Zertifikat kann von Ärzten sowie Apothekern nach der Approbation und von Chemikern, Biologen und Biochemikern nach der Diplomprüfung erworben werden. Die Weiterbildung dauert fünf Jahre, davon müssen mindestens vier Jahre unter Anleitung eines Klinischen Chemikers in einem der Krankenversorgung dienenden Labor stattfinden, ein Jahr kann auch in einem anderen medizinischen Labor durchgeführt werden. Eine wissenschaftliche Arbeit auf dem Gebiet Analytische Chemie oder Biochemie wird bis zu einem Jahr angerechnet.

Zur Anerkennung müssen mindestens zwei wissenschaftliche Arbeiten in einer wissenschaftlichen Zeitschrift mit Begutachtung angenommen oder publiziert worden sein. Außerdem muss eine Abschlussprüfung bestanden werden.

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Nomenklatur (Chemie)

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Wichtig bei der Nomenklatur (Namensgebung) für chemische Substanzen ist, dass ein Verbindungsname eindeutig ist und nur zu einer einzigen Strukturformel führt. Die Bezeichnung „Ethanol“ bezeichnet beispielsweise nur die Verbindung CH3-CH2-OH und keine andere. Umgekehrt haben chemische Verbindungen aber keinen eindeutigen Namen, z. B. kann man die Verbindung CH3-CH2-OH nach verschiedenen Nomenklatursystemen sowohl als „Ethanol“ als auch als „Ethylalkohol“ bezeichnen.

Um die Bezeichnungsweisen für chemische Verbindungen zu vereinheitlichen, gibt es die als international verbindlich vereinbarten Richtlinien der IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) und der IUBMB (International Union of Biochemistry and Molecular Biology) sowie deren als Ausgleichskommission eingesetzte Joint Commission on Biochemical Nomenclature. Diese regeln den englischen Sprachgebrauch. Die nationalsprachlichen Bezeichnungen werden von den nationalen Chemikerverbänden entsprechend übertragen, z. B. im deutschsprachigen Raum durch die Chemikerverbände von Deutschland (GDCh), Schweiz und Österreich. Auch die IUPAC selbst verwendet in ihren Elementlisten viele englische Namen statt der den Elementkürzeln zugrunde liegenden (z. B. Potassium, Sodium, Tungsten, Mercury). Die Bedürfnisse verschiedener Sprachen und sogar des Englischen selbst werden von der IUPAC ausdrücklich anerkannt. Besonders stringente Nomenklaturregelungen sind insbesondere für Index-Werke für chemische Substanzen wie Beilsteins Handbuch der Organischen Chemie und Chemical Abstracts bis vor kurzem notwendig gewesen, da deren System zur Auffindung von Einträgen bis zur Einführung elektronischer Recherche hauptsächlich danach erfolgte. Die immer leistungsstärkeren Möglichkeiten zur Online-Recherche geben der Literaturrecherche eine bisher nicht dagewesene Dimension.

Da die systematische Bezeichnung von chemischen Verbindungen nach diesen Regeln oft sehr kompliziert ist, wird von den Chemikern im Alltagsgebrauch bis hin zu wissenschaftlichen Publikationen weiterhin eine große Anzahl von traditionellen Namen oder neu geschaffenen, anerkannten Kurznamen verwendet. Die IUPAC unterscheidet zwischen Trivialnamen, die keinen Bezug zur systematischen Nomenklatur haben (z. B. Wasser, Harnstoff oder Glaubersalz), semisystematischen Namen oder Semitrivialnamen, die zumindest einen Teil eines systematischen Namens verwenden (z. B. Kohlendioxid statt Kohlenstoffdioxid, Trityl für die Triphenylmethyl-Gruppe oder Glycerin für Propan-1,2,3-triol) und den bereits erwähnten systematischen Namen. Auch für die Erfindung neuer Trivialnamen, z. B. von neu entdeckten Naturstoffen, gibt es IUPAC-konforme Regeln.

Ferner herrschen bei den Elementnamen die nationalen Gewohnheiten vor, und selbst die IUPAC-Elementwurzeln entsprechen nicht durchgängig dem für die Formelkürzel maßgebenden Namen (Beispiel Hg = Hydrargyrum, dt. Quecksilber, IUPAC-Wurzel „mercur“ wie engl. mercury und lat. Mercurius).

Falls eine Art von Atomen oder Atomgruppen in einem Molekül mehrfach vorkommt, wird die Anzahl durch ein entsprechendes Zahlenpräfix (Vorsilbe) angegeben, das von den griechischen Zahlwörtern abgeleitet ist und dem Namen des entsprechenden Atoms bzw. der entsprechenden Atomgruppe vorangestellt wird.

Falls der Name einer Verbindung dadurch eindeutig bleibt, kann man die Zahlenpräfixe auch weglassen. So gibt es z. B. nur ein einziges Oxid des Aluminiums, nämlich Al2O3, weshalb man statt Dialuminiumtrioxid auch einfach Aluminiumoxid schreiben kann.

Sehr oft wird die Vorsilbe mono- weggelassen, z. B. PH3 = Phosphan (statt Monophosphan), obwohl es auch ein Diphosphan P2H4 gibt.

Die Namen der chemischen Elemente werden von den Entdeckern festgelegt und sind hier aufgeführt. Für unbekannte oder neue Elemente, die noch keinen Namen erhalten haben, gibt es systematische Elementnamen, die sich von der Kernladungszahl ableiten. Eine systematische Anordnung der Elemente nach ihrer Elektronenkonfiguration bietet das Periodensystem der Elemente.

Für jedes Element existiert ein Kürzel aus ein bis drei Buchstaben (Elementsymbol). Für die Haupt- und Nebengruppenelemente sind diese Symbole untenstehend aufgelistet. Die Elementsymbole sind international gültig, sie werden also beispielsweise auch auf Japanisch durch lateinische Buchstaben wiedergegeben.

Will man ein bestimmtes Isotop eines Elements bezeichnen, so stellt man dessen Massenzahl hochgestellt vor das Elementsymbol, zum Beispiel 12C für das Kohlenstoff-12-Isotop, 235U für Uran 235, etc. Eine Ausnahme bilden die schweren Isotope des Wasserstoffs, 2H (Deuterium) und 3H (Tritium), welche mit D bzw. T ein eigenes Elementsymbol besitzen.

Um Verbindungen von verschiedenen Elementen untereinander zu benennen, werden die Elementnamen teilweise abgewandelt und mit Nachsilben versehen. Dazu verwendet man die Elementwurzeln in der folgenden Tabelle, welche aus den lateinischen Elementnamen abgeleitet sind. So wird beispielsweise der Sauerstoff in der Verbindung Aluminiumoxid (Al2O3) durch seine Elementwurzel (ox) und die Endung -id angegeben.

Beim Schreiben von Formeln von chemischen Verbindungen folgt man im Wesentlichen der Elektronegativitätsskala der chemischen Elemente. Man beginnt immer mit dem elektropositiveren Verbindungspartner, deshalb schreibt man etwa AgCl, Al2O3, PCl5 und nicht umgekehrt.

Eine Ausnahme von dieser Regel sind die Wasserstoffverbindungen. Wasserstoffatome schreibt man in den Formeln an letzter Stelle (NH3, SiH4, etc.). Handelt es sich jedoch um aciden Wasserstoff (d. h. die Verbindung reagiert in wässriger Lösung sauer), so schreibt man den Wasserstoff am Anfang der Formel (HF, HCl, HBr, HI, H2O, H2O2, H2S, H2Se, H2Te, HN3). Auch bei anorganischen Oxosäuren schreibt man den Wasserstoff am Anfang der Formel, obwohl er eigentlich am Sauerstoff gebunden ist, also für Schwefelsäure zum Beispiel H2SO4 statt SO2(OH)2.

Kationen (auch nur formale) behalten grundsätzlich den Elementnamen. Anionen erhalten ihren Namen systematisch nach der Säure, von der sie abgeleitet werden, unabhängig davon, ob es sich tatsächlich um eine Ionenbindung oder kovalente Bindung handelt. Die Nomenklatur bei koordinativen Verbindungen, also Komplexen, funktioniert ein wenig komplizierter und wird dort genauer beschrieben.

Die einfachsten Anionen sind die der Wasserstoffsäuren. Bei ihnen bleibt nach Abgabe des Protons das Elementanion zurück.

Alle Endungen außer „id“ sind auf Säuren zurückzuführen, die neben dem namensgebenden Element Sauerstoff enthalten. Da es eine große Menge dieser Verbindungen gibt, wird zunächst die Systematik erklärt und die einzelnen Säuren in einer Tabelle am Ende des Absatzes angegeben.

Es gibt auch Richtlinien für die Benennung von Komplexen.

Zur Benennung des Radikals wird dem Stammnamen die Endung -yl angehängt. Dies gilt sowohl in der organischen wie auch in der anorganischen Chemie.

Einige Radikale haben, besonders bei den Sauerstoffverbindungen, spezielle Namen.

Für die Benennung von organischen Verbindungen nach dem IUPAC-System geht man üblicherweise von einem Stammsystem aus, das unter Umständen weitere Substituenten (Reste) trägt. Ein Substituent ist dabei ein Atom oder eine Atomkombination, welche ein Wasserstoffatom des Stammsystems ersetzt (substituiert). Für die Benennung der Verbindung wird der Name des Stammsystems unverändert übernommen und die Namen der substituierenden Gruppen werden dem Stammsystem in abgewandelter Form angefügt (substitutive Nomenklatur).

Die einfachsten Stammsysteme sind lineare Ketten aus Kohlenstoffatomen, bei denen alle übrigen Bindungen mit Wasserstoffatomen gesättigt sind. Solche gesättigte Kohlenwasserstoffe nennt man Alkane, sie erhalten die Endung -an. Für die vier kleinsten Alkane werden die Namen Methan, Ethan, Propan und Butan beibehalten, für die übrigen Alkane ergibt sich der genaue Name der Verbindung nach der folgenden Tabelle aus der Anzahl der Kohlenstoffatome. Man kombiniert das Zahlwort der ersten Dekade mit den Zahlwörtern für die folgenden Dekaden. Am Ende folgt ein n, sodass man die Alkan-typische Endung -an erhält.

Falls eine Doppelbindung in der Verbindung vorhanden ist, spricht man von Alkenen und verwendet statt der Endung -an die Endung -en. Die Position der Doppelbindung wird durch eine Nummer angegeben siehe unten bei Nummerierung), z. B.

Bei Ketten, die eine Dreifachbindung enthalten (= Alkinen), wird die Endung -in verwendet, z. B.

Falls mehrere Doppel- oder Dreifachbindungen vorkommen, verwendet man die multiplizierenden Vorsilben di, tri, tetra, penta, hexa, hepta, …

Ein Lokantensatz ist die Aufzählung der Lokanten wie z. B. 1,3,5 in 1,3,5-Trimethyl-Hexan. Der „niedrigste Lokantensatz“ bedeutet nun nicht die kleinste Summe der Lokanten, vielmehr vergleicht man die Lokanten der Reihe nach. Der kleinste Lokantensatz ist der, der an der ersten unterscheidbaren Stelle den kleineren Lokanten aufweist.

Bei cyclischen Systemen ist im Allgemeinen ein Cyclus das Stammsystem.

Falls es sich um eine monocyclische Verbindung handelt, erfolgt die Benennung wie bei linearen Ketten, und zusätzlich wird die Vorsilbe Cyclo- vorangestellt, also z. B. Cyclohexan. Für Benzol wird der Trivialname beibehalten.

Monocyclische Verbindungen mit mehr als sechs C-Atomen, die die maximale Anzahl nichtkumulierter Doppelbindungen aufweisen, können als (n)-Annulene bezeichnet werden (n = Anzahl der C-Atome).

Cyclische Systeme werden bevorzugt nach dem Hantzsch-Widmann-System bezeichnet.

Pentalen (2), Inden (2), Naphthalin (2), Azulen (2), Heptalen (2), Biphenylen (3), as-Indacen (3), s-Indacen (3), Acenaphthylen (3), Fluoren (3), Phenalen (3), Phenanthren (3), Anthracen (3), Fluoranthen (4), Acephenanthrylen (4), Aceanthrylen (4), Triphenylen (4), Pyren (4), Chrysen (4), Naphthacen (4), Pleiaden (Chemie) (4), Picen (5), Perylen (5), Pentaphen (5), Pentacen (5), Tetraphenylen (5), Hexaphen (6), Hexacen (6), Rubicen (7), Coronen (7), Trinaphthylen (7), Heptaphen (7), Heptacen (7), Pyranthren (8), Ovalen (10).

Alle übrigen Ringe werden als Vorsilben vorangestellt, wobei die Endsilbe -en in -eno umgewandelt wird (z. B. Benzocycloocten). Die Art der Verknüpfung wird durch Zahlen und Buchstaben angegeben, was aber hier nicht näher erläutert werden soll.

Zur Benennung von gesättigten oder teilweise gesättigten Derivaten der oben angeführten Polycyclen gibt es die Möglichkeit, beim Wegfallen einer Doppelbindung die beiden zusätzlichen Wasserstoffatome durch die Positionsnummern und die Vorsilbe dihydro- anzuzeigen. Analog gibt es tetrahydro-, hexahydro- usw. Vollständig gesättigte Systeme erhalten die Vorsilbe perhydro-. Einzelne Wasserstoffatome werden durch das sogenannte indizierte H angegeben, welches in kursiver Schrift vorangestellt wird (z. B. 4H-Pyrazol).

Cyclophane können nach den gleichen Regeln benannt werden, obwohl es für diese auch eine eigene Nomenklatur gibt.

Bei verbrückten polycyclischen Kohlenwasserstoffen (d. h. die einzelnen Ringe sind jeweils über mehr als eine gemeinsame Bindung verknüpft) wird das von-Baeyer-System verwendet.

Die Nomenklatur von Spiroverbindungen ist (wenig ausführlich) unter dem entsprechenden Stichwort erklärt.

Die Entscheidung, was nun als Stammsystem betrachtet wird, ist bei komplizierteren Verbindungen nicht mehr ganz einfach.

Sofern keine Trivialnamen vorliegen, benennt man monocyclische Heterocyclen mit bis zu 10 Ringgliedern meist nach dem Hantzsch-Widman-System.

Ansonsten folgt die Benennung von Heterocyclen weitgehend den oben angeführten Regeln für cyclische Systeme ohne Heteroatome. Die Art und Position der Heteroatome wird dann mit Hilfe der Austauschnomenklatur oder „a“-Nomenklatur angegeben.

Ein Substituent kann z. B. eine funktionelle Gruppe sein, oder wiederum ein (kleineres) Stammsystem, etwa eine Seitenkette. Die Bezeichnungen für Substituenten werden dem Namen des Stammsystems als Vorsilben (Präfixe) oder Endungen (Suffixe) angefügt. Die genaue Position des Substituenten wird durch Ziffern präzisiert (siehe unten bei Nummerierung).

Falls es mehrere Vorsilben (Präfixe) gibt, werden diese in alphabetischer Reihenfolge aufgelistet.

Wenn man beispielsweise an die Verbindung Propan (CH3-CH2-CH3) in der Mitte noch einen Methanbaustein anhängt, heißt die entstehende Verbindung CH3-CH(CH3)-CH3) dann 2-Methylpropan. Die Verbindung CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-CH(CH2CH3)-CH2-CH3 heißt 3-Ethyl-5-methylheptan.

Für die Bezeichnungen einzelner funktioneller Gruppen und ihre Rangfolge siehe das Stichwort Funktionelle Gruppe.

Die Nummerierung des Stammsystems erfolgt so, dass die erhaltenen Nummern möglichst klein sind. CH3-CH2-CH(CH3)-CH3 heißt also 2-Methylbutan und nicht 3-Methylbutan.

Eine 1 kann auch weggelassen werden (z. B. Propanol = Propan-1-ol). Falls es nur eine mögliche Kombination gibt, können die Nummern ebenfalls weggelassen werden (z. B. Methylpropan = 2-Methylpropan, weil alles andere als Butan zu benennen wäre).

Falls Seitenketten nummeriert werden müssen, ist die Verbindungsstelle zur Hauptkette immer die Position 1.

Bei kondensierten polycyclischen Systemen gibt es oft verbindliche Nummerierungsweisen, die als jeder Logik widersprechend bezeichnet werden können und folglich auswendiggelernt werden müssen.

Die Positionsnummern werden Lokanten genannt.

Falls die Verwendung von di, tri, tetra, usw. missverständlich wäre, etwa bei identischen weitersubstituierten Seitenketten, muss man wie oben beschrieben die entsprechenden alternativen Vorsilben bis, tris, tetrakis, usw. verwenden. Für direkt verknüpfte identische Einheiten sind die Vorsilben bi, ter, quater, usw. in Verwendung.

Zur Unterscheidung von chiralen Verbindungen gibt es die kursiv geschriebenen Vorsilben (R)- und (S)-. Ihre Verwendung wird durch die Cahn-Ingold-Prelog-Regel (CIP-Regel) und ihre Nebenregeln festgelegt.

Bei biochemischen Substanzen wie Kohlenhydraten und Aminosäuren wird auch noch häufig die Fischer-Nomenklatur verwendet, welche die Vorsilben D- und L- verwendet (wobei D und L als Kapitälchen geschrieben werden).

Zur Unterscheidung des Drehsinns bei optisch aktiven Verbindungen verwendet man die Vorsilben (+)- und (−)-, wobei kein Zusammenhang zwischen der optischen Aktivität (Drehsinn) und der „Richtung“ Chiralität besteht.

Es sei darauf hingewiesen, dass sich die unterschiedlichen Bezeichnungsweisen (R, S bzw. D, L und +, −) nach den verschiedenen Nomenklaturarten nicht von den jeweils anderen Bezeichnungen ableiten lassen. Zur systematischen Bezeichnung von Verbindungen mit mehreren Chiralitätszentren eignen sich nur die CIP-Regeln, wobei die Fischer-Nomenklatur beispielsweise für Zucker wesentlich kompakter ist.

Bei der Cis-trans-Isomerie unterscheidet man bei der Nomenklatur zwischen Verbindungen, die nur zwei verschiedene Substituenten haben und Verbindungen mit mehr als zwei. Erstere werden mit den kursiv geschriebenen Vorsilben cis- oder trans- gekennzeichnet. cis- werden nach IUPAC mit einem vorangestellten, kursivem (Z) („Zusammen“) und trans- mit einem (E) („Entgegengesetzt“) gekennzeichnet.

Links ist das trans-1,2-Dibromethen, rechts die cis-Version dargestellt. Auch kann man hier die E/Z-Nomenklatur anwenden, trans-1,2-Dibromethen wird als (E)-1,2-Dibromethen, "cis" als (Z)-1,2-Dibromethen bezeichnet.

Auch hier am Ring sind die beiden Brom in trans (links) und cis-Stellung („Zusammen“ auf einer Seite) dargestellt.

Das ist ein (Z)-3-Methyl-2-penten, da die höheren Substituenten (siehe Stereochemie) auf einer Seite liegen.

Bei Kohlenhydraten unterscheidet man Anomere durch die kursiven Vorsilben α- bzw. β-.

Für die Nomenklatur von Enzymen gibt es gemeinsame Richtlinien der IUPAC und der IUBMB (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Nach dieser Nomenklatur enden Enzymnamen mit -ase und enthalten eine Information über die Funktion des Enzyms. Details unter dem Stichwort Enzym und auf der Website der IUBMB.

Außerdem wurde ein Codesystem (siehe EC-Nummern) entwickelt, in dem die Enzyme unter einem Zahlencode aus vier Ziffern zu finden sind.

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Technische Chemie

Die Technische Chemie beschäftigt sich mit der Überführung chemischer Reaktionen und Prozesse in technische Verfahren sowie der Optimierung bestehender Prozesse und Verfahren unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten.

Die Schwerpunkte der Forschung und Lehre liegen dabei auf der Katalysator - und Verfahrensentwicklung, den mechanischen und thermischen Grundoperationen, der Prozesskunde sowie der Chemischen Reaktionstechnik.

Erste Anfänge der Technischen Chemie lassen sich bereits im siebzehnten und achtzehnten Jahrhundert durch die Arbeiten von Glauber über die Herstellung von Säuren und Salzen sowie bei der Entwicklung des Bleikammer-Verfahrens durch John Roebuck finden.

Die Geschichte der Technischen Chemie im eigentlichen Sinne ist aber an die Entwicklung der Chemischen Industrie als Wirtschaftszweig gebunden. Diese erfuhr mit der Entwicklung der Anilinfarben durch August Wilhelm Hofmann vor allem in Deutschland einen ungeheuren Aufschwung. Ab 1859 wurden in Deutschland innerhalb weniger Jahre viele Farbenfabriken gegründet, wie Boehringer Mannheim, die Bayer-Werke, Hoechst, die Badische Anilin- und Soda-Fabrik (BASF), Agfa, Schering und Boehringer Ingelheim.

Um die Diskrepanz zwischen den Anforderungen der Industrie an die Absolventen und der universitären Ausbildung zu überbrücken, wurden Ende des neunzehnten Jahrhunderts auf Initiative der GDCh und Carl Duisberg vermehrt Institute für Technische Chemie gegründet.

Einen Meilenstein der Technischen Chemie am Anfang des Jahrhunderts stellte die Ammoniaksynthese nach Haber und Bosch dar. Fritz Haber wurde 1898 zum außerordentlichen Professor für Technische Chemie an der Universität Karlsruhe ernannt, ab 1904 befasste er sich mit der Herstellung von Ammoniak aus den Elementen. Die Entwicklung des Haber-Bosch-Verfahrens stellte in vielerlei Hinsicht eine Herausforderung an die Chemie und die Verfahrenstechnik dar. Es mussten Reaktoren entwickelt werden, die Drücke bis zu 300 bar und Temperaturen bis 500°C standhielten, und es wurden Katalysatoren entwickelt, die eine wirtschaftliche Ausbeute an Ammoniak erlaubten.

In den zwanziger und dreißiger Jahren des neunzehnten Jahrhundert waren die Kohle- und Acetylenchemie die dominierenden Themen der Technischen Chemie.

Die Verfügbarkeit von preiswertem Erdöl nach 1950 und damit auch von Ethylen führte zu einer beispiellosen Ausweitung der industriellen Chemieproduktion und damit zu immer neueren Entwicklungen in der Technischen Chemie. Ein Meilenstein dieser Zeit stellt die Entwicklung des Niederdruckverfahrens zur Polyethylenherstellung durch Karl Ziegler dar.

Chemische Reaktionen lassen sich nicht ohne weiteres auf die großindustrielle Produktion übertragen. Die Technische Chemie beschäftigt sich daher mit der Frage, wie viele Tonnen des selben Produktes in einer Fabrik unter Minimierung der Herstellungskosten produzieren werden können.

Dies geschieht empirisch oder durch eine mathematische Optimierung auf der Grundlage einer modellhaften Beschreibung des Reaktionsablaufs und des Reaktors.

Zunächst werden die Edukte vorbereitet, im zweiten Schritt findet die eigentliche Reaktion statt. Im letzten Schritt wird schließlich das Reaktionsgemisch aufbereitet.

Mit der Vorbereitung und der Aufbereitung beschäftigt sich die chemische Verfahrenstechnik, mit der Reaktion im technischen Maßstab die chemische Reaktionstechnik.

Für die notwendigen Berechnungen müssen Transport-, Wärme- und Zeitbilanzen erstellt werden. Vielfach werden dimensionslose Kennzahlen (Euler-Zahl, Reynolds-Zahl, Nusselt-Zahl, Damköhler-Zahl) benutzt, um das Scale-up zu erleichtern.

Die Technische Chemie ermöglicht eine preiswerte Herstellung von Grund-, Zwischen- und Endprodukten. Zwischen 1970 und 1980 konnte durch Verbesserungen von chemischen Verfahren der Energiebedarf für chemische Reaktionen bei gleichem Produktionsvolumen um etwa 40 % gesenkt werden.

Ein wichtiger Aspekt der Technischen Chemie ist das Verständnis des Stoffverbundes der Industriellen Organischen und Anorganischen Chemie. Aus den organischen Rohstoffen Erdöl, Kohle und nachwachsenden Rohstoffen entstehen zunächst die Grundchemikalien. Daraus werden eine Vielzahl von Zwischen- und Endprodukten hergestellt.

Die Chemische Prozesskunde untersucht weiterhin die Verfahren und Reaktionsführungen der wichtigsten industriellen Chemieprodukte.

Ausgehend von den Rohstoffen Erdöl, Erdgas, Kohle und in den letzten Jahren verstärkt nachwachsende Rohstoffe werden zunächst chemische Grundprodukte wie Olefine und Aromaten hergestellt.

Diese werden dann zu Zwischenprodukten wie Alkoholen, Phenolen, Aldehyden, Ketonen, Carbonsäuren oder Aminen weiterverarbeitet.

Die Endprodukte der Chemischen Industrie, wie Polymere, Waschmittel, Pflanzenschutzmittel, Pharmaka und Farbstoffe werden aus den Grund- und Zwischenprodukten hergestellt.

Die Rohstoffe der Industriellen Anorganischen Chemie sind u.a. Luft, Schwefel, Natriumchlorid, Koks und Wasser, aus denen sich über wenige Zwischenstufen wie Ammoniak und Chlor die Endprodukte z.B. Säuren, Laugen, Düngemittel, Glas, Pigmente, Katalysatoren und Werkstoffe herstellen lassen.

Die Aufgabe der Technischen Chemie ist es, aus den vorhandenen möglichen Synthesewegen je nach Verfügbarkeit der Rohstoffe und unter Berücksichtigung des Energieverbrauchs die jeweils ökonomischsten Verfahrenswege zu ermitteln.

Chemische Prozesse unterscheiden sich durch die Art der durchgeführten chemischen Reaktion, z.B. Chlorierung, Hydrierung, Nitrierung, Oxidation, Polymerisation oder Sulfonierung. Die Energiezufuhr kann auf verschiedenen Wegen erfolgen, etwa elektrochemisch, photochemisch oder thermisch.

Sind beide Arten der Reaktionsführung möglich, können neben technischen Bedingungen auch marktwirtschaftliche Aspekte die Entscheidung beeinflussen, ob ein Prozess kontinuierlich oder diskontinuierlich als Batch-Prozess durchgeführt wird. Kontinuierliche Anlagen eignen sich in der Regel für ein in großen Mengen hergestelltes Produkt, während ein Batch-Prozess oft eine größere Flexibilität bei der Produktvariation erlaubt, jedoch auf Kosten der produzierten Menge.

Weitere Einteilungsmerkmale für chemische Prozesse sind die Zahl der durchgeführten Stufen (einstufig/mehrstufig), die Wärmetönung (endo-/exotherm) und die Art der eingesetzten Katalyse (homogen/heterogen/biokatalytisch).

Die Katalyseforschung nimmt einen besonderen Stellenwert innerhalb der Technischen Chemie ein, da ca. 80% aller chemischen Produkte im Laufe ihrer Herstellung einen katalytischen Prozess durchlaufen.

Bei der Herstellung von Grund- und Zwischenprodukten spielt die heterogene Katalyse die bei weitem größte Rolle, bei der Herstellung von Zwischen- und Endprodukten nimmt die Bedeutung von homogen- und biokatalytischen Verfahren zu.

Basierend auf den Ergebnissen der Grundlagenforschung wird zunehmend versucht, die Katalysator- und Prozessentwicklung auf eine erkenntnisorientierte Grundlage zu stellen.

Die neben den chemischen Reaktionen notwendigen physikalischen Vorgänge eines Prozesses werden als mechanische und thermische Grundoperationen bezeichnet. Grundoperationen sind die elementaren Schritte bei der Durchführung eines Verfahrens.

Diese dienen der Vorbereitung von Ausgangsstoffen beispielsweise durch Zerkleinerung, dem Mischen der Reaktanden und der Förderung und Aufarbeitung der Produkte durch Trennverfahren.

Zu den wichtigen mechanischen Grundoperationen zählen das Verfahren zur Stoffvereinigung, Förderung und Formgebung, die Trennverfahren sowie die Zerkleinerungsverfahren für Feststoffe.

Als Verfahren für die Stoffvereinigung werden u.a. das Emulgieren, das Kneten, das Mischen, die Pelletierung, das Pressen, das Rühren, das Suspendieren, das Vermengen und das Versprühen eingesetzt. Eines der wichtigsten Verfahren zur Förderung ist das Pumpen.

Mechanische Trennverfahren werden u.a. eingesetzt, um Feststoffe aus Flüssigkeiten und Gasen oder Flüssigkeiten aus Gasen abzuscheiden. Bekannte Trennverfahren zur Abscheidung sind die Dekantierung, die Elektroabscheidung, die Filtration, die Flotation, die Sedimentation, das Sichten, die Siebung, die Sortierung sowie das Zentrifugieren.

Zerkleinerungsverfahren dienen meist dem Einstellen bestimmter Korngrößenverteilungen oder zur Oberflächenvergrößerung, etwa um eine chemische Reaktion schneller ablaufen zu lassen. Zu den häufig verwendeten Verfahren gehören hier das Brechen, das Mahlen, das Zerreiben, das Zerreißen sowie die Zerschneidung.

Die bei weitem am häufigsten verwendete Methode zur Stofftrennung ist die Rektifikation, die einstufig als Destillation, oder aber mehrstufig in kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeitenden Verfahren durchgeführt werden kann. Rektifikationskolonnen wurden früher häufig nach dem graphischen McCabe-Thiele-Verfahren ausgelegt.

Die Chemische Reaktionstechnik befasst sich mit der Auslegung von chemischen Reaktoren unter gegebenen Reaktionsbedingungen wie Druck und Temperatur, der Stoff- und Energiebilanz und der Makrokinetik einer Reaktion mit dem Ziel, die Investitions- und Betriebskosten eines Reaktors bei optimalem Durchsatz zu minimieren.

Beispiele für die Grundtypen von Chemiereaktoren sind der Rohrreaktor, der Rührkessel und der kontinuierlicher Rührkessel. Wichtige Kenngröße dieser Reaktorarten ist das Verweilzeitverhalten. Vereinfachte mathematische Modelle dieser Reaktortypen werden als ideale Reaktoren bezeichnet.

Die neueren Entwicklungen in der Technischen Chemie sind geprägt vom größer werdenden Druck auf die Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit der Prozesse sowie der knapper werdenden Vorräte der wichtigsten Rohstoffe, vor allem des Erdöls. Einen Überblick über die wichtigsten Trends bietet der Trendbericht Technische Chemie, der von der GDCh herausgegeben wird. Beispiele für neuere Entwicklungen sind der Einsatz von Biomasse als Chemierohstoff, die Mikroreaktionstechnik und der Einsatz neuartiger Lösungsmittel.

Die DECHEMA hat ein Lehrprofil Technische Chemie als Richtlinie für die universitäre Ausbildung erarbeitet, das an den meisten Universitäten und Technischen Hochschulen umgesetzt wird.

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