Quelle Nummer 486
Rubrik 19 : CHEMIE Unterrubrik 19.00 : CHEMIE
SCHULBUCH: CHEMIE B
ALFRED KEMPER U.A.
CHEMIE B
ERNST KLETT VERLAG STUTTGART 1971, S. 52-
001 Wasserversorgung. Ohne Wasser ist kein Leben
002 möglich. Deshalb wurden schon in früheren Zeiten nur an solchen
003 Stellen Siedlungen gegründet, die eine ausreichende
004 Wasserversorgung gewährleisteten. Mit der wachsenden Zahl von
005 Menschen reichten vor allem in Städten die vorhandenen Quellen
006 nicht mehr aus; Grundwasser und Oberflächenwasser von Flüssen
007 und Seen mußten in zunehmendem Maße verwendet werden. Heute ist
008 die ausreichende Versorgung mit Trinkwasser zu einem ernsten
009 Problem geworden, da der Wasserverbrauch stark gestiegen ist.
010 Pro Person und Tag wurden vor etwa 40 bis 50 Jahren noch rund 50
011 l Wasser verbraucht, heute sind es über 120 l (in Großstädten
012 bis 450 l). Allein für die Haushalte werden in der BRD pro
013 Jahr etwa 4 Milliarden (Formel) Wasser verbraucht. Ein einziger
014 großer Industriebetrieb braucht oft so viel Wasser wie eine
015 Großstadt, da für die Herstellung einer einzigen Tonne Stahl z.B.
016 15 (Formel) bis 20 (Formel) Wasser benötigt werden, für eine
017 Tonne Kunstseide (Reyon) sogar die riesige Menge von 750 (Formel).
018 Der Wasserverbrauch der Industrie übersteigt den der privaten
019 Haushalte heute bei weitem: Etwa 13 Milliarden (Formel) müssen für
020 die Industrie der BRD jährlich aufgebracht werden. Der
021 jährliche Wasserbedarf in der BRD beträgt demnach etwa 17
022 Milliarden (Formel), eine Menge, die etwa 1 (math.Op.) 3 des Bodensee-
023 Volumens entspricht. Der Wasserbedarf wird bis zum Jahr 2000 auf
024 ca. 30 Milliarden (Formel) ansteigen. In Leitungen von oft mehreren
025 hundert Kilometern Länge muß das Trinkwasser aus Seen oder
026 Stauseen in die Ballungszentren des Landes gepumpt werden. Auch
027 das Wasser der Flüsse wird immer wieder zu Trinkwasser
028 aufbereitet, wobei die wachsende Verschmutzung der Flüsse
029 zunehmend Sorgen bereiten. Wasserverschmutzung. Die
030 von der Industrie und den Haushalten verbrauchten Wassermengen
031 fließen beladen mit Abfallstoffen heute noch zu 70 %
032 ungereinigt in die Flüsse. Die Verschmutzung der deutschen
033 Flüsse hat einen derartigen Grad erreicht, daß man sie einem
034 Wannenbad vergleichen kann, in das man 1 (math.Op.) 4 l Jauche gekippt
035 hat. Eine Kommission der Vereinten Nationen hat den Rhein als
036 den schmutzigsten Fluß der Erde bezeichnet. In Düsseldorf
037 wurden im Jahre 1959 in 1 (Formel) Rheinwasser 500 Erreger von Typhus,
038 Cholera und Ruhr festgestellt. Pro Tag führt der Rhein über
039 50 Millionen Kilogramm gelöste Stoffe ins Meer. Betroffen von
040 der katastrophalen Verschmutzung der Flüsse und Seen sind vor
041 allem die vielen Städte, die ihr Trinkwasser aus diesen
042 Gewässern gewinnen müssen, da selbst durch riesige Filteranlagen
043 viele gelöste Fremdstoffe nicht zu entfernen und Krankheitserreger
044 nur durch die Desinfektion mit Chlor abzutöten sind. Das Baden
045 in vielen Flüssen ist gesundheitsschädlich geworden. Der
046 Fischbesatz der Flüsse wird ständig kleiner, da u.a. mit
047 der zunehmenden Verschmutzung der für die Fische zum Atmen
048 notwendige Sauerstoffgehalt der Gewässer abnimmt; so kommt die
049 Flußfischerei praktisch zum Erliegen. Eine neue Gefahr für
050 unser Wasser ist das Öl. Ablaßöl von Kraftfahrzeugen wird oft
051 achtlos weggeschüttet. Viele tausend Heizölbehälter und
052 Treibstofftanks lagerten ohne jegliche Sicherung im Boden, bevor
053 entsprechende Schutzvorschriften erlassen wurden. Werden sie im
054 Laufe der Jahre leck, verseucht das auslaufende Öl das
055 Grundwasser. 1 l Öl macht 1 Million Liter Trinkwasser
056 ungenießbar. Ein Beispiel dafür bot Neckarsulm, eine Stadt
057 mit 16 000 Einwohnern. Dort mußte im August 1960 ein großer
058 Teil der Bevölkerung längere Zeit aus Trinkwasserwagen versorgt
059 werden, weil Mineralöl in einen Tiefbrunnen eingedrungen war.
060 Bei geringer Verschmutzung wirkt in den Gewässern eine sogenannte
061 biologische Selbstreinigung. Bakterien und andere Kleinlebewesen
062 bauen die meisten Abfallstoffe ab. Zu diesem Abbau ist in Wasser
063 gelöster Sauerstoff nötig. - Erreicht die Verschmutzung einen
064 immer höheren Grad, verarmt das Wasser an Sauerstoff, die
065 biologische Selbstreinigung hört auf. Die Erkenntnis, daß der
066 zunehmenden Gewässerverschmutzung durch gesetzgeberische
067 Maßnahmen und durch den Bau von Kläranlagen Einhalt geboten
068 werden muß, kam zu spät und setzt sich auch heute nur zögernd
069 durch. Industriebetriebe und Kommunalverwaltungen scheuen den
070 riesigen Kapitalaufwand, der für die Jahre zwischen 1970 und 1985
071 etwa 28 Milliarden DM betragen würde, wenn man etwa 90 % der
072 Abwässer reinigen wollte. Atombau. Periodensystem.
073 Wir hatten in Kap. festgestellt, daß die kleinsten
074 Teilchen der Stoffe entweder Atome sind oder aus Atomen
075 zusammengesetzt sind. Will man in die Vorgänge, die bei
076 chemischen Reaktionen ablaufen, weiter eindringen, so ist es
077 notwendig, sich mit den Atomen näher zu befassen. Der erste,
078 der über die Atome im heutigen Sinn Aussagen machte, war der
079 englische Chemiker DALTON. Er stellte sich die Atome als
080 massive Körperchen vor, die als unveränderliche Urteilchen die
081 Elemente zusammensetzen. Die Atome der einzelnen Elemente
082 sollten sich durch ihre Masse und ihre Größe voneinander
083 unterscheiden. Bei chemischen Reaktionen sollten die Atome
084 unverändert bleiben und sich lediglich entsprechend der
085 Zusammensetzung der Verbindungen vermischen. Die von Dalton
086 entwickelten Vorstellungen von den Atomen genügen heute nicht
087 mehr, um die Eigenschaften der Stoffe und ihr Verhalten bei
088 chemischen Reaktionen zu erklären. Um mehr über die Atome
089 aussagen zu können, müssen wir uns zunächst einmal mit den
090 Erscheinungen befassen, die im folgenden Abschnitt geschildert
091 sind. Der elektrische Zustand der Materie. Reibt man
092 einen Glasgegenstand mit einem Tuch aus Synthesefasern (Perlon,
093 Dralon), so zieht er kleine Papierschnitzel an. Die gleiche
094 Erscheinung zeigen manche Kämme oder Füllfederhalter, wenn sie
095 mit einem Wolltuch gerieben werden. Man sagt, die Gegenstände
096 sind elektrisch geladen. Wir können es einem Gegenstand
097 nicht ansehen, ob er geladen ist; wir erkennen es nur an der
098 Anziehung, die er auf leichte nichtmetallische Körper ausübt.
099 Manchmal laden sich Kleidungsstücke aus Synthesefasern beim
100 Bewegen so stark auf, daß man im Dunklen Funken überspringen
101 sieht, ein deutliches Knistern hört und beim Berühren eines
102 metallischen Gegenstands ein Zucken spürt. Nähert man zwei mit
103 einem Wolltuch geriebene, an einem Faden hängende
104 Hartgummistäbe (Füllfederhalter) einander, so stoßen sie sich
105 gegenseitig ab. Von einem geriebenen Glasgegenstand werden aber
106 beide angezogen. Der elektrische Ladungszustand der
107 Hartgummistäbe muß also ein anderer sein als der des Glases.
108 Man sagt, der Hartgummistab ist negativ geladen, während
109 das Glas positiv geladen ist. Aus dem Verhalten der
110 geladenen Gegenstände zueinander können wir schließen, daß sich
111 gleichartige Ladungen abstoßen und ungleichartige anziehen.
112 Prüft man das Wolltuch, mit dem man einen Hartgummistab gerieben
113 hat, so stellt man fest, daß auch dieses auf leichte Körperchen
114 (Papierschnitzel) anziehend wirkt. Es ist elektrisch geladen.
115 Bei näherer Untersuchung zeigt sich, daß das Tuch immer die
116 entgegengesetzte Aufladung zeigt, wie der geriebene Gegenstand.
117 Die Aufladung erfolgt nur durch Reiben der Gegenstände (Tuch
118 und Stab) aneinander. Es kommt von außen weder etwas hinzu,
119 noch wird etwas weggenommen. Daraus schließen wir, daß die
120 beiden Ladungsarten schon in den Stoffen vorhanden waren. Wir
121 konnten sie nur nicht feststellen, weil sich ihre Wirkung
122 gegenseitig aufhob. Durch Reiben wurden die Ladungsarten
123 voneinander getrennt und konnten so wirksam werden. Wir haben die
124 Existenz von positiven und negativen Ladungen und ihr Verhalten
125 zueinander kennengelernt. Da die Stoffe letztlich aus Atomen
126 aufgebaut sind, müssen wir einen Zusammenhang zwischen diesen und
127 den elektrischen Ladungen finden. Diesen Zusammenhang können wir
128 nur mit Hilfe eines Atommodells erklären. Wir können
129 jetzt die gleichen Überlegungen durchführen, wie wir sie bei den
130 kleinsten Teilchen anstellten. Auf Grund experimenteller
131 Tatsachen stellten wir die Hypothese (unbewiesene Behauptung)
132 auf, daß es solche kleinsten Teilchen geben müsse. Da die
133 Teilchen selbst uns wegen ihrer Kleinheit nicht zugängig waren,
134 mußten wir mit einem Modell arbeiten. Dieses Modell mußte so
135 beschaffen sein, daß wir das Verhalten der Stoffe damit erklären
136 konnten. Dazu genügte unser Kugelmodell, wenn wir den
137 Kugeln drei Eigenschaften zuordneten: Sie mußten Masse haben,
138 sich gegenseitig anziehen und in ständiger Bewegung sein. Wir
139 nahmen dabei in Kauf, daß ein Teilchen, könnten wir es sichtbar
140 machen, vielleicht gar keine Kugel ist. Später stellten wir fest,
141 daß die kleinsten Teilchen meist Moleküle sind, die aus zwei
142 oder mehr Atomen aufgebaut sind und deshalb gar keine Kugeln sein
143 können. Trotzdem erwies sich das Kugelmodell auch weiterhin als
144 brauchbar. Die Atome, von deren Existenz wir überzeugt sind,
145 sind nicht sichtbar. Dennoch kennen wir eine ganze Reihe von
146 Tatsachen über sie, z.B. daß sie positive und negative
147 Ladungen enthalten. Wir müssen nun auf Grund bekannter
148 Tatsachen ein Atommodell entwickeln, das es uns ermöglicht, das
149 Verhalten der Stoffe, den Ablauf chemischer Reaktionen und
150 vieles mehr zu erklären. Je mehr man mit einem Modell erklären
151 will, desto komplizierter wird es. Da wir nur einen ganz kleinen
152 Teil des riesigen Wissensstoffes der Chemie bearbeiten müssen,
153 genügt für uns auch ein verhältnismäßig einfaches Modell.
154 Auch dieses ist sicher nicht ein vergrößtertes Abbild eines
155 Atoms. Niemand weiß, wie ein Atom wirklich aussieht. Wichtige
156 Grundlagen für ein modernes Atommodell schufen die Physiker
157 LORENTZ und ZEEMANN, als sie 1896 erkannten, daß die
158 Atome negative geladene Teilchen außerordentlich kleiner Masse,
159 die Elektronen, enthielten. Im gleichen Jahr entdeckte
160 der Physiker BECQUERL die radioaktive Strahlung.
161 Die darin enthaltenen sogenannten alpha-Strahlen bestehen aus
162 positiv geladenen Materieteilchen mit der Masse 4 u, die sich
163 gleichfalls als Atombestandteile radioaktiver Elemente erwiesen.
164 Den entscheidenden Versuch für die Entwicklung eines modernen
165 Atommodells machte im Jahre 1911 der englische Chemiker
166 RUTHERFORD. Er beschoß eine sehr dünne Goldfolie mit
167 alpha-Teilchen, den Materieteilchen der alpha-Strahlung.
168 Die Folie bestand bei einer Dicke von 1 (math.Op.) 2000 mm aus etwa 1000
169 Atomschichten. Wären die Atome massive Kugeln, so hätten die
170 alpha-Teilchen teils an der Oberfläche der Folie abprallen,
171 teils in den obersten Atomschichten stecken bleiben müssen.
172 RUTHERFORD konnte aber feststellen, daß die alpha-
173 Teilchen die 1000 Atomschichten fast ungehindert durchdrangen.
174 Nur etwa jedes 100 000.Teilchen stieß in der Folie auf ein
175 Hindernis, durch das es aus seiner Bahn abgelenkt wurde.
176 RUTHERFORD schloß aus seinem Versuch, daß die Atome im
177 Verhältnis zu ihrer Größe winzige Massezentren enthalten, die
178 von einem praktisch masseleeren Raum umgeben sind. Unter
179 Verwertung der Kenntnisse über die im Atom enthaltenen negativen
180 und positiven Masseteilchen entwickelte er ein Atommodell, das in
181 seinen Grundzügen heute noch verwendet wird. Auch das von uns
182 benutzte Atommodell, das wir im folgenden beschreiben wollen, ist
183 eine etwas abgewandelte Form des Rutherfordschen.
184 Atommodell. Das Atom besteht aus einem sehr kleinen
185 Atomkern, der aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt ist
186 (ausgenommen das Wasserstoffatom, dessen Kern nur aus 1 Proton
187 besteht). Protonen sind Teilchen, die ungefähr die
188 Masse 1 u besitzen und eine positive Ladung tragen.
189 Neutronen sind elektrisch neutral und haben etwa die
190 gleiche Masse wie die Protonen. Um den Atomkern bewegen sich
191 Elektronen. Dies sind Teilchen mit einer negativen
192 Ladung. Ihre Masse beträgt rund 1 (math.Op.) 1800 der
193 Protonenmasse. Die negative Ladung eines Elektrons ist genau so
194 groß wie die positive eines Protons. Da die Zahl der Protonen
195 und Elektronen in einem Atom gleichgroß ist, gleichen sich die
196 Ladungen gerade aus. Ein Atom ist deshalb ein elektrisch
197 neutrales Körperchen. Atomkern. Wir wollen uns nun
198 zunächst etwas näher mit dem Atomkern befassen. Er
199 enthält praktisch die ganze Masse des Atoms. Die Elektronen
200 tragen wegen ihrer geringen Masse dazu kaum etwas bei. Die
201 Atommasse ist deshalb gleich der Summe aus den Massen der
202 Kernteilchen. Der Kern eines Fluoratoms besteht z.B.
203 aus 9 Protonen (Masse 9 u) und 10 Neutronen (Masse 10 u);
204 die Atommasse des Fluors ist 19 u. Die Zahl der Protonen ist
205 dafür maßgeblich, zu welchem Element ein Atom gehört; z.B.
206 sind alle Atome mit 8 Protonen im Kern Sauerstoffatome,
207 alle mit 6 Protonen Kohlenstoffatome. Nach der Zahl der
208 Protonen in ihren Atomen wurden die Elemente durchnumeriert.
209 Diese Elementnummern nennt man die Ordnungszahlen. Chlor
210 hat die Ordnungszahl 17; seine Atome enthalten 17 Protonen.
211 Isotope. Bei genaueren Untersuchungen hat man festgestellt,
212 daß nicht alle Atome des selben Elements die gleiche Atommasse
213 haben. So enthält z.B. das Chlor Atome mit der Masse
214 35 u und solche mit der Masse 37 u. Da beide Atomsorten die
215 gleiche Anzahl von Protonen besitzen, können sie sich nur in der
216 Zahl der Neutronen im Kern unterscheiden. Die eine Atomsorte
217 enthält 18 Neutronen im Kern, die andere 20. Man nennt solche
218 verschieden schwere Atome des gleichen Elements Isotope.
219 Um sie unterscheiden zu können, hat man eine besondere
220 Schreibweise eingeführt. Für die beiden Chlorisotope schreibt
221 man: (Formel) und (Formel). Die obere Zahl gibt die Atommasse, die
222 untere die Ordnungszahl an. Die Atommassentabellen geben einen
223 Durchschnittswert für alle natürlich vorkommenden Atome des
224 Elements an, wobei die Häufigkeit der einzelnen Isotope
225 berücksichtigt wird. Beispiel: Für Chlor wird die Atommasse
226 35,45 u angegeben, da es ein Isotopengemisch ist aus
227 75,4 % Atomen mit der Masse 35 u und 24,6 %
228 Atomen mit der Masse 37 u. Elektronenhülle. Der
229 Atomkern ist für die Masse des Atoms und für manche
230 physikalischen Eigenschaften der Stoffe maßgebend. Die
231 chemischen Eigenschaften werden jedoch weitgehend von den
232 Elektronen bestimmt. Wir müssen uns deshalb näher mit ihnen
233 befassen. Die Elektronen bewegen sich sehr schnell um den Kern.
234 Könnte man die Bewegung verlangsamen und ein Elektron beobachten,
235 so könnte es etwa mit einem um eine Straßenlaterne flatternden
236 Nachtfalter verglichen werden. Die Schnelligkeit der Bewegung
237 läßt jedoch das Elektron im Bewegungsraum verschwimmen, wie die
238 Flügel eines schnell laufenden Ventilators. Es macht den
239 Eindruck, als hülle es als eine äußerst durchsichtige Wolke den
240 Atomkern ein. Man spricht deshalb von einer Elektronenwolke,
241 die ein Elektron bildet. Um das Verhältnis zwischen
242 Atomkern und Elektron besser verstehen zu können, sollten wir uns
243 an das Verhalten der kleinsten Teilchen erinnern. Wir hatten
244 festgestellt, daß sich z.B. die kleinsten Teilchen einer
245 Flüssigkeit lebhaft bewegen, jedoch durch die gegenseitige
246 Anziehungskraft zusammengehalten werden. Führt man den Teilchen
247 Energie zu, indem man die Flüssigkeit erwärmt, so werden die
248 Teilchenbewegungen lebhafter, die Teilchen rücken weiter
249 auseinander, bis schließlich die Anziehungskraft nicht mehr
250 ausreicht, sie zusammen zu halten; die Flüssigkeit verdampft.
251 Die Teilchen bewegen sich jetzt unabhängig voneinander, sie
252 befinden sich im Gaszustand.
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