Chemische Eigenschaften

Unterscheidung von Stoffen

Substanzen können sich voneinander unterscheiden und haben eine Reihe genau definierter Eigenschaften, die es ermöglichen, sie zu erkennen und entsprechend zu verwenden. Diese Merkmale werden auch als Eigenschaften der jeweiligen Substanz bezeichnet.  Nehmen wir als Beispiel die Verwendung eines Messers, das aus verschiedenen Stoffen – Kunststoff, Holz und Metall – besteht, um einen Apfel zu schneiden.  Es ist leicht zu erkennen, dass jede der genannten Substanzen eine Vielzahl von charakteristischen Eigenschaften aufweist. Zum Schneiden eignet sich am besten ein Messer aus einer hochwertigen Metalllegierung, das sich gut schärfen lässt.  Aber auch andere Stoffe finden bei der Herstellung von Messern Verwendung – billiger Kunststoff wird für Einwegbesteck verwendet, und Holz eignet sich gut für Messer, die zum Schmieren bestimmt sind.

Merkmale der Substanz

Die Eigenschaften von Substanzen werden anhand von zwei Zusammenhängen beschrieben – unter Berücksichtigung der physikalischen Phänomene und der ablaufenden chemischen Reaktionen.  Eigenschaften, die mit den Sinnen (Geruch oder Sicht) sowie mit geeigneten Instrumenten (z. B. Dichtemessgeräten) wahrgenommen werden können, werden als physikalische Eigenschaften bezeichnet.  Dazu gehören u.a. der Aggregatzustand, die Farbe, die Härte, die Dichte und die Formveränderung unter Einwirkung entsprechender Kräfte (Sprödigkeit, Elastizität, Verformbarkeit).  Etwas komplizierter kann es sein, die chemischen Eigenschaften der uns interessierenden Stoffe zu bestimmen.  Dies sind alles Eigenschaften, die nur auf der Grundlage ihrer Reaktion mit anderen beschrieben werden können, wie z.B. Toxizität, Entflammbarkeit und Reaktivität.  Wir bestimmen sie durch die chemischen Umwandlungen, die zwischen der betreffenden Substanz und anderen Substanzen stattfinden, oft mit einer Veränderung der Struktur der Substanz.

Reaktivität

Reaktivität ist ein breiter Begriff, der in der Praxis die Anzahl der Reaktionen beschreibt, die eine bestimmte Substanz durchläuft, und die Effizienz, die sie unter normalen Bedingungen erhält.  Das heißt, wenn die betrachtete Reaktion mit hoher Effizienz abläuft und nur eine geringe Änderung der Temperatur- und Druckbedingungen erfordert, handelt es sich um eine chemische Eigenschaft des Stoffes.  Abgelehnt werden dagegen alle Reaktionen, die nur unter dem Einfluss von mehreren hundert Grad oder Atmosphären und mit geringen Effizienz ablaufen.  Diese Eigenschaft wird durch das Periodensystem der Elemente nahegelegt, da mit zunehmender Ordnungszahl bei Metallen die Reaktivität innerhalb der Gruppe zunimmt und innerhalb der Periode abnimmt, während sie bei Nichtmetallen innerhalb der Gruppe abnimmt und innerhalb der Periode zunimmt.  Die Edelgase gelten als die am wenigsten reaktiven Substanzen im Periodensystem, da sie die stabilsten Elektronenzustände (Dublett und Oktett) aufweisen und daher nur ungern mit anderen Substanzen reagieren.

Reaktionen mit Sauerstoff

Anhand der Verbrennung bzw. der Fähigkeit, mit Sauerstoff zu reagieren, lässt sich ein weiteres chemisches Merkmal eines Stoffes bestimmen – die Entflammbarkeit.  Wenn ein Stoff diese exotherme Reaktion unter Freisetzung von Wärme und Licht durchläuft, kann er entflammbar oder leicht brennbar sein.  Die experimentelle Bestimmung der Entflammbarkeit basiert auf der Bestimmung des Sauerstoffindexes (OI), d.h. oxygen index, der den prozentualen Anteil von Sauerstoff in einem Gemisch mit Stickstoff angibt, der erforderlich ist, um die Verbrennung eines Materials mit einer Zündtemperatur von 20^oC aufrechtzuerhalten. Liegt der Index unter 21, gilt der Stoff als leicht brennbar, im Bereich zwischen 21 und 28 werden schwer entflammbare Stoffe definiert, und ab 28 gilt der Stoff als nicht brennbar.  Zu den brennbaren Stoffen gehören beispielsweise Benzin und Erdgas, zu den schwer entflammbaren Stoffen Polyester und zu den nicht brennbaren Stoffen Kohlendioxid, Beton, Freon und Steinwolle.

Schädliche Auswirkung auf Organismen

Die Toxizität beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, dem Körper Schaden zuzufügen, wenn er verschluckt oder über die Haut oder die Atemwege aufgenommen wird.  Es kann zu Zell- und Organfehlfunktionen und folglich zur Vergiftung des Organismus führen. Solche Auswirkungen werden hauptsächlich in toxikologischen Experimenten in vitro mit Zellen oder Biomarkern und in vivo an Labortieren untersucht. Zu den hochgiftigen Stoffen gehören zum Beispiel Arsen oder Diarsentrioxid.

Beispiel – chemische Eigenschaften von Wasser

Bei der Betrachtung der Wasserchemie werden Parameter wie pH-Wert, Oxidations-Reduktionsbedingungen, Säuregehalt und Alkalität, Mineralisierung, Trockenrückstand und Härte untersucht. Es handelt sich dabei um Merkmale, die hauptsächlich auf der Reaktivität des Stoffes beruhen und eng mit der spezifischen Art des Wassers zusammenhängen.  Destilliertes Wasser, das eine reine Substanz ist, wird andere Parameter aufweisen als Regenwasser, das eine etwas andere Zusammensetzung hat, und andere Parameter. Andererseits gibt es auch chemische Eigenschaften wie Nichtentflammbarkeit, flammenhemmende Eigenschaften, fehlende Toxizität und gute Lösungseigenschaften von anderen Substanzen.

Beispiel – Chemische Eigenschaften von Metallen

Bei Metallen ist es am einfachsten, die Zusammenhänge zu finden, indem man sie gemäß dem Periodensystem nach den Blöcken s, p und d unterteilt.  Aufgrund der Elektronenkonfiguration von Metallen des Blocks s erfordert der Übergang von Valenzelektronen keine großen Energieaufwendungen.  Somit sind sie chemisch am aktivsten.  Bei der Reaktion mit Wasser bilden sie basische Hydroxide, und bei Kontakt mit Säuren gehen sie ebenfalls in chemische Umwandlungen ein.  Sie haben reduzierende Eigenschaften, die sich in Reaktionen mit Wasser, Sauerstoff, Wasserstoff oder anaeroben Säuren zeigen und die mit zunehmender Ordnungszahl der Gruppe zunehmen.  Wenn sie in einer Flamme verbrennen, geben sie dieser ihre charakteristische Farbe, z.B. färbt Barium die Flamme gelb-grün.  Die Metalle des Blocks p haben Valenzelektronen, die ausschließlich auf der letzten Schale verteilt sind, und sind ebenfalls reaktiv.  Das chemisch wichtigste Element in dieser Gruppe ist das Aluminium, das trotz seiner Reaktivität bei der Verwendung in Legierungen die korrosive Wirkung oxidierender Säuren durch Bildung einer Passivschicht aufhebt.  Es ist ein amphoteres Reduktionsmittel und reagiert sowohl mit Säuren als auch mit Basen.  Die Metalle des Blocks d hingegen haben Valenzelektronen auf der letzten und vorletzten Außenschale, wodurch sie meist in verschiedenen Oxidationsstufen vorkommen und insbesondere zur Abgabe von Elektronen aus der S-Schale bereit sind. Ein Eisenatom kann unter Bildung von Ionen Fe²⁺ oder Fe³⁺ zwei oder drei Elektronen abgeben.  Es ist mäßig reaktiv und reagiert mit Nichtmetallen wie Schwefel oder Chlor, mit Wasserdampf und mit Sauerstoff unter Dampfbedingungen.  Es reagiert auch mit Sauerstoffsäuren und bildet eine Passivschicht.  Die Elemente aus der Zinkgruppe 12 bilden im Allgemeinen di-positive Kationen.  Ihre Reaktivität nimmt mit zunehmendem Atomgewicht ab.  Unter den Metallen zeigen diejenigen aus der Kupfergruppe die geringste chemische Reaktivität.  Sie sind schwache Reduktionsmittel und reagieren in der Regel mit oxidierenden Säuren.  Sie sind nicht in der Lage, Wasserstoff aus anaeroben Säuren zu verdrängen.