Lerntext zu den naturwissenschaftlichen Grundlagen für das Verständnis der Biologie

Roland Heynkes, 16.6.2018

Gliederung

zum Text physikalische Grundlagen für das Verständnis von Chemie und Biologie
zum Text vereinfachte Kurzfassung physikalischer Grundlagen
zum Text Diffusion und Osmose
zum Text Atome
zum Text Periodensystem der Elemente
zum Text Edelgase
zum Text Alkalimetalle
zum Text Erdalkalimetalle
zum Text Halogene
zum Text Orbitale und Hybridorbitale
zum Text Übungsmodul zum Thema Ionenbindung versus Atombindung
zum Text Ionen
zum Text Ionenbindung
zum Text Metallbindung
zum Text Atombindung und Moleküle
zum Text Chemie des Kohlenstoffs
zum Text Biomoleküle
zum Text Desillusionierung als Ziel und Voraussetzung des Lernens
zum Text die naturwissenschaftliche Methode
zum Text

physikalische Grundlagen für das Verständnis von Chemie und Biologie nach oben

Leider sind die chemischen Grundlagen der Biologie nicht trivial. Man muss sie sich hart erarbeiten, trainiert dabei aber immerhin sein Gehirn und lernt viele wichtige Grundlagen für das Verständnis aller Naturwissenschaften. Bevor man sich allerdings ernsthaft mit den chemischen Grundlagen beschäftigt, sollte man die physikalischen Grundlagen verstanden haben. Diese zusätzliche Mühe lohnt sich, denn man versteht danach die Chemie viel leichter.

Das zu lesende Material ist mein alter Lerntext: "Physikalische Grundlagen für das Verständnis der Chemie". Die selbständige Erarbeitung soll ein Übungsmodul mit Aufgaben erleichtern.

vereinfachte Kurzfassung physikalischer Grundlagen (pdf) nach oben

Unsere Welt besteht vereinfacht gesagt aus zwei Arten von Teilchen. Das sind Licht-Teilchen und Materie-Teilchen. Beide sind so seltsam, dass wir nicht verstehen können, was und wie sie sind. Aber einige ihrer Eigenschaften kann und sollte man kennen. Im Gegensatz zu den Materie-Teilchen haben Licht-Teilchen keine Masse. Deshalb können sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und darum können sich beliebig viele Licht-Teilchen genau am selben Platz befinden. Jedes Material im Universum besteht aus den Materieteilchen. Sie bilden sogenannte Atome. Der Name Atom bedeutet: "das Unteilbare". Man nannte sie so, weil man sie für die kleinsten Teilchen hielt, aus denen alle Materie besteht. Und tatsächlich sind Physiker die einzigen Menschen, die sogar Atome zerlegen können. Den Aufbau der Atome müssen aber alle Menschen kennen, die etwas von Chemie oder Biologie verstehen wollen.

Atome sind so klein, dass auf 1 Millimeter von den größten mehr als 2 Millionen und von den kleinsten fast 16 Millionen nebeneinander liegen könnten. Noch sehr viel kleiner ist ein Atomkern, der fast die gesamte Masse eines Atoms enthält. Wäre ein Atomkern einen Millimeter groß, dann wäre seine Atomhülle größer als ein Fußballfeld. In ihr gibt es nur genauso viele negativ geladene Elektronen, wie der Atomkern positiv geladene Protonen enthält. Und die Elektronen wiegen ungefähr 2000 mal weniger als die Protonen. Also besteht die Atomhülle fast nur aus leerem Raum. In diesem leeren Raum sind die Elektronen nicht fest montiert. Sie können verschoben werden. Darum können Atome noch viel besser als die besten Gummibälle zusammen gedrückt werden und anschließend wieder ihre ursprüngliche Form annehmen, ohne das dabei Energie verloren geht. Darum geht keine Bewegungsenergie (kinetische Energie) verloren, wenn zwei Atome zusammenprallen. Ähnlich wie im nachfolgenden Video zu sehen, kann es aber vorkommen, dass ein Atom oder Molekül seine Bewegungsenergie auf ein anderes überträgt.

Kugelstoß-Modell im Erlebnisland Mathematik der Technischen Sammlungen Dresden
Jeremy Wolf, CC BY-SA 4.0

Auch zwischen den Atomen befindet sich nur leerer Raum. Während Autos und Radfahrer durch den Luftwiderstand ständig abgebremst werden, fliegen deshalb Atome völlig ungebremst durch die Luft, bis sie mit einem anderen Atom zusammenprallen.

Nicht nur in der Luft sind Atome ständig in Bewegung. In Festkörpern zittern sie auf ihren festen Plätzen. Und je schneller sich die Atome in ihm bewegen, umso wärmer ist ein Material. Im Grunde ist die Temperatur ein Maß für die durchschnittliche Geschwindigkeit der Atome.

Wenn wir im Alltag sagen, dass etwas warm ist oder dass wir die Wärme lieben, dann meinen wir damit eine angenehme Temperatur, die nicht zu kalt und nicht zu heiß ist. In den Naturwissenschaften benutzen wir aber den Begriff Wärme so, wie ihn die Physiker definieren. Demnach ist Wärme eine Energie-Menge, die von etwas heißerem auf etwas kühleres übertragen wird.

Der Unterschied zwischen Temperatur und Wärme wird besonders deutlich, wenn wir die Wirkungen von heißer Luft und heißem Wasser vergleichen. 50°C heiße Luft bereitet uns keine Schmerzen, während wir ein Bad in 50°C heißem Wasser schon nach wenigen Sekunden als unerträglich empfinden würden. Obwohl die Luft und das Wasser die gleiche Temperatur hätten, würde nämlich im Wasser sehr viel mehr Wärme auf die Haut übertragen, weil Wasser viel dichter ist als Luft. Dadurch prallen pro Sekunde im Wasser sehr viel mehr Moleküle gegen die Haut als in der Luft. Und in den meisten Fällen wird dabei etwas Wärme (Energie) auf die Haut übertragen. Hinzu kommt dabei allerdings noch der Effekt, dass wir im Wasser nicht schwitzen und darum weniger Wärme abgeben können.

Diffusion und Osmose nach oben

Ebenfalls sehr wichtig für das Verständnis von Chemie und Biologie sind die physikalischen Phänomene Diffusion und Osmose. Klausurartige Aufgaben für die selbständige Erarbeitung befinden sich im Übungsmodul Diffusion und Osmose. Die Informationen und Erklärungen befinden sich im Lerntext Osmose.

Atome (pdf) nach oben

Der griechische Philosoph Leukipp und sein Schüler Demokrit entwickelten schon vor fast zweieinhalb Tausend Jahren die Theorie, dass alle Materie aus kleinsten unteilbaren Teilchen bestehen müsse, zwischen denen sich nur leerer Raum befinde. Demokrit nannte diese unteilbaren Teilchen Atome. Endgültig bewiesen ist diese Theorie bis heute nicht, bisher sprechen aber viele naturwissenschaftliche Befunde dafür. Auf der Grundlage wichtiger chemischer und mathematischer Vorarbeiten von Robert Boyle, Daniel Bernoulli, des Ehepaars Marie-Anne Pierrette und Antoine Laurent de Lavoisier und Jeremias Benjamin Richter glaubte John Dalton vor etwas mehr als 210 Jahren, in den kleinsten Teilchen der chemischen Elemente die unteilbaren Atome entdeckt zu haben. Deshalb nannte er sie Atome und so heißen sie bis heute. Allerdings konnte Ernest Rutherford vor gut 100 Jahren mit einem berühmten Experiment beweisen, dass unsere sogenannten Atome keineswegs die unteilbaren kleinsten Teilchen sind, die Leukipp und Demokrit gemeint hatten.

Atome sind extrem klein. Die Durchmesser der Atome in Lebewesen liegen zwischen 0,64 Angström beim Wasserstoffatom und 4,62 Angström beim Kalium-Atom. 1 Angström sind 10-10 Meter oder 10-7 Millimeter. Bei einem Durchmesser von 1 Angström müssten 107 = 10 Millionen Atome nebeneinander liegen, um eine Strecke von 1 Millimeter zu ergeben. Mit Kalium-Atomen würden für die Strecke von 1 Millimeter schon gut 2 Millionen Atome ausreichen, während man gut 15,6 Millionen Wasserstoffatome bräuchte.

Atome bestehen aus einem sehr dichten und massereichen, positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Atomhülle. Verglichen mit dem Atomkern ist die Atomhülle gigantisch groß, besteht aber fast nur aus nahezu leerem Raum. Besäße ein Atomkern einen Durchmesser von einem Millimeter, dann überträfe die Fläche eines Querschnittes durch die Atomhülle mit einem Durchmesser von rund 100 Metern deutlich die Fläche eines Fußballfeldes. In der praktisch leeren Atomhülle befinden sich winzig kleine, negativ geladene Elektronen. Zusammen erreichen die Elektronen der Atomhülle maximal ein Zweitausendstel der Masse des Atomkerns. Und im Gegensatz zu den Protonen und Neutronen des Atomkerns scheinen die Elektronen tatsächlich unteilbar zu sein.

Die Elektronenschalen der ersten 10 chemischen Elemente
Elektronenschalen-Atommode
Das Schema zeigt die Atomkerne und die Elektronenschalen der ersten 10 chemischen Elemente des Periodensystems nach Art des einfachen Atom-Modells von Niels Bohr.

Das Atom-Modell von Niels Bohr sieht vor, dass die Elektronen den Atomkern umkreisen wie Planeten ihre Sonne. Dabei sollten die Elektronen keine elektromagnetischen Wellen abstrahlen, obwohl zumindest in unserer Welt der großen Dinge im Kreis fliegende elektrisch geladene Teilchen eigentlich genau das tun. Heute weiß man, dass die Elektronen nicht auf festen Bahnen um den Atomkern flitzen, weil man

  1. nach Heisenbergs Unschärferelation niemals gleichzeitig den Ort und die Geschwindigkeit (Impuls) eines Elektrons kennen kann und
  2. weil sich so winzige Materie-Teilchen wie Elektronen wie Teilchen und wie Wellen verhalten können und Wellen nicht wie Planeten um eine Sonne kreisen.

Heute betrachten wir die Elektronenschalen als stark vereinfachendes Bild für die unterschiedlichen Energieniveaus, zwischen denen Elektronen hin und her hüpfen können. Auf ein höheres Energieniveau springen sie aber nur, wenn sie durch Energie-Zufuhr dazu anregt werden. Auf ein niedrigeres Energieniveau fallen sie unter Abstrahlung von Energie hinab, wenn es in einem Atom für ein Elektron einen freien Platz auf einem niedrigeren Energieniveau gibt.

Periodensystem der Elemente nach oben

Das Periodensystem der chemischen Elemente ordnet die Elemente nach der Zahl ihrer Protonen, Valenzelektronen und Eigenschaften so, dass chemische Elemente mit ähnlichen Eigenschaften untereinander stehen.

Jede Zeile (Periode) im Periodensystem steht für eine Elektronenschale, die ein Atom umgibt. Man sieht, dass die kleinsten chemischen Elemente Wasserstoff und Helium nur eine Elektronenschale besitzen, die beim Wasserstoff ein und beim Helium zwei Elektronen enthält. Mehr Elektronen passen in die erste Elektronenschale nicht hinein. In der zweiten Periode stehen die chemischen Elemente mit zwei Elektronenschalen. In sie passen 8 Elektronen und deshalb gibt es in der zweiten Periode des Periodensystems 8 chemische Elemente. Auch in der dritten Periode stehen acht chemische Elemente, weil auch die dritte Elektronenschale nur acht Elektronen aufnehmen kann. Die darunter folgenden Perioden enthalten mehr chemische Elemente (Nebengruppenelemente), weil es da unter der wieder nur 8 Elektronen fassenden Valenzschale noch eine Art Zwischenschale gibt, in die noch mehr Elektronen passen. Da wird es komplizierter, als wir es für die Biologie wissen müssen.

Periodensystem der chemischen Elemente
Periodensystem
Dr. Peter Cüppers, Public domain
Das Periodensystem ordnet die chemischen Elemente nach der Zahl ihrer Protonen, Valenzelektronen und Eigenschaften so, dass Elemente mit ähnlichen Eigenschaften untereinander stehen.

Das folgende Periodensystem betont die Art der Orbitale, in denen die äußersten Elektronen eines chemischen Elementes stecken.

Periodensystem der chemischen Elemente
Periodensystem mit Orbitalblöcken
Dr. Peter Cüppers, Public domain
Das Periodensystem ordnet die chemischen Elemente nach der Zahl ihrer Protonen, Valenzelektronen und Eigenschaften so, dass Elemente mit ähnlichen Eigenschaften untereinander stehen.

Innerhalb einer Zeile (Periode) nehmen die Durchmesser der chemischen Elemente von links nach rechts ab, weil ungefähr gleich weit vom Atomkern entfernte Elektronen von immer mehr Protonen im Atomkern angezogen werden.

Periodensystem der chemischen Elemente
Periodensystem mit Atomradien
Bleckneuhaus, CC BY-SA 3.0
Das Periodensystem ordnet die chemischen Elemente nach der Zahl ihrer Protonen, Valenzelektronen und Eigenschaften so, dass chemische Elemente mit ähnlichen Eigenschaften untereinander stehen.

Edelgase nach oben

Ganz rechts im Periodensystem stehen die Edelgase, die so heißen, weil sie so stabil sind (Man könnte auch sagen, sie sind mit sich zufrieden.), dass sie mit keinem anderen Atom chemisch reagieren. Die Ursache für diese Selbstgenügsamkeit ist offenbar eine volle äußere Elektronenschale (Valenzschale). Alle anderen chemischen Elemente scheinen unbedingt ebenfalls eine volle Valenzschale haben zu wollen. Zu den Edelgasen gehören Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, das radioaktive Radon sowie das künstlich erzeugte, ebenfalls radioaktive Oganesson.

Alkalimetalle nach oben

Ganz links in der 1. Hauptgruppe stehen untereinander die Alkalimetalle Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Caesium (Cs) und Francium (Fr). Sie alle geben besonders leicht ihr einziges Valenzelektron ab und werden zu einfach positiv geladenen Ionen.

Erdalkalimetalle nach oben

In der 2. Hauptgruppe stehen untereinander die Erdalkalimetalle Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba) und Radium (Ra). Sie alle geben besonders leicht ihre beiden Valenzelektronen ab und werden zu zweifach positiv geladenen Ionen.

Halogene nach oben

Links neben den Edelgasen stehen in der 7. Hauptgruppe (hier unter der 17) die Halogene (Fluor, Chlor, Brom, Iod, das äußerst seltene radioaktive Astat und das 2010 erstmals künstlich erzeugte, sehr instabile Tenness). Die Halogene besitzen 7 Valenzelektronen und benötigen zum Erreichen der Edelgaskonfiguration nur noch ein weiteres Elektron. Darum nehmen die Halogene besonders leicht ein zusätzliches Elektron auf und halten alle ihre Elektronen besonders fest.

Orbitale und Hybridorbitale nach oben

Atome und ihre Eigenschaften kann man nur verstehen, wenn man auch ihre Orbitale und Hybridorbitale kennt. Deshalb habe ich zu diesem Thema einen eigenen Lerntext Orbitale und Hybridorbitale verfasst. Um das Lesen interessanter und zielgerichteter zu machen, gibt es dazu auch ein Übungsmodul Orbitale und Hybridorbitale mit klausurartigen Aufgaben.

Wer danach fasziniert von der Chemie ist, mag vielleicht einen Blick auf meine Chemie-Seiten werfen.

Übungsmodul zum Thema Ionenbindung versus Atombindung nach oben

Im nächsten Aufgabenmodul geht es um die chemischen Grundlagen für das Verständnis der Biologie. Die klausurartigen Aufgaben für die selbständige Erarbeitung befinden sich im Übungsmodul Ionenbindung versus Atombindung. Die Informationen findet man in den folgenden Kapiteln Ionen, Ionenbindung sowie Atombindung und Moleküle.

Ionen (pdf) nach oben

Die Elektronen größerer Atome befinden sich auf verschiedenen Energieniveaus. Um es verständlicher zu machen, stellt man sich diese Energieniveaus oft als Elektronenschalen vor. Die Elektronen in den inneren Elektronenschalen sind aufgrund ihrer größeren Nähe zum positiv geladenen Atomkern viel fester an diesen gebunden als die Elektronen der äußersten Elektronenschale (Valenzschale). Man nennt die Elektronen der äußersten Elektronenschale Valenzelektronen und praktisch nur sie bestimmen die chemischen Eigenschaften eines Atoms. Eine der wichtigsten Ursachen für chemische Reaktionen ist das Bestreben der Atome, ihre Valenzschale entweder ganz voll oder ganz leer zu machen. Mann nennt diesen Zustand die stabile Edelgaskonfiguration, weil die Edelgase volle Valenzschalen besitzen und derart stabil (edel) sind, dass sie praktisch gar nicht an chemischen Reaktionen teilnehmen. Atome mit nur wenigen Valenzelektronen neigen dazu, ihre Valenzelektronen abzugeben. Atome mit fast vollen Valenzschalen neigen dazu, Elektronen aufzunehmen. Dadurch erhalten Atome negative oder positive elektrische Ladungen und man nennt sie im elektrisch nicht neutralen Zustand Ionen.

Ionenbindung nach oben

Natrium ist ein Alkali-Metall, dessen Atome in der Valenzschale nur ein Elektron besitzen, welches sie sehr leicht abgeben. Chlor ist ein äußerst aggressives Gas, dessen Atomen für eine vollständig gefüllte äußerste Elektronenschale nur ein einziges Elektron fehlt. Treffen ein Natrium-Atom und ein Chlor-Atom aufeinander, dann gibt das Natrium-Atom dem Chlor-Atom sein Valenzelektron und es entstehen ein positiv geladenes Natrium-Ion sowie ein negativ geladenes Chlorid-Ion.

Gegensätzlich elektrisch geladene Teilchen ziehen sich an. Das gilt auch für Ionen und man nennt die starke chemische Bindung zwischen positiv und negativ geladenen Ionen eine Ionenbindung. Typisch für Ionenbindungen ist, dass sich sehr viele Ionen zu großen Kristallen verbinden. So entsteht durch die Ionenbindungen zwischen vielen Natrium- und Chlorid-Ionen ein Natriumchlorid-Kristall, den wir Kochsalz nennen.

Ionenbindung bei Natriumchlorid
Natriumchlorid
Roland Heynkes, CC BY-SA-4.0
Kristallstruktur des Minerals Cotunnit = Blei(II)Chlorid oder PbCl2
Natriumchlorid
anonym, CC BY-SA 3.0

Metallbindung nach oben

Wie üblich in den Naturwissenschaften ist die Sache in Wirklichkeit sehr viel komplizierter und letztlich unanschaulich. Aber wenn man kein Quantenphysiker ist und nicht über deren mathematische Fähigkeiten verfügt, dann macht man nichts verkehrt, wenn man sich die metallische Bindung in einem Stück Metall mit Hilfe eines sogenannten Elektronengases vorstellt. Selbstverständlich wollen Atome nichts, weil sie ja keine Gehirne haben. Aber es macht die Sache für uns Menschen anschaulicher, wenn wir uns vorstellen, die Atome wollten immer eine volle oder eine ganz leere äußerste Elektronenschale (Valenzschale) haben. Denn Atome reagieren so, als wollten sie das. Und wenn wir uns vorstellen, die Atome strebten das an, dann können wir zuverlässig vorhersagen, was passieren wird.

Stellen wir uns also vor, Lithium-Atome fänden keine Halogen-Atome als Reaktionspartner für die Bildung eines Salzes. Da wären nur noch viele andere Lithium-Atome, die alle ihre einsamen Elektronen auf der zweiten Schale loswerden wollen. Wenn die Temperatur nicht extrem hoch ist, dann geben Atome ihre Elektronen aber nicht einfach so ins Leere bzw. in ein Plasma ab. Normalerweise brauchen sie andere Atome, welche die Elektronen übernehmen. Aber in einem Metall liegen sehr viele Metall-Atome dicht nebeneinander und alle geben einfach ihre äußersten Elektronen (Valenzelektronen) in die Zwischenräume zwischen den Atomen ab. So übernehmen quasi alle Metall-Atome gemeinsam die überschüssigen Elektronen und die Elektronen können sich zwischen ihnen frei wie ein Gas (Elektronengas) bewegen. Diese Beweglichkeit ist der Grund dafür, dass in Metallen Strom fließen kann, nämlich ein Strom von negativ geladenen Elektronen.

Die metallische Bindung können wir uns nun so vorstellen, dass zwischen all den positiv geladenen Metall-Ionen negativ geladene Elektronen herum fliegen. Dabei ziehen sich die positiven Ladungen der Metall-Ionen und die negativen Ladungen der Elektronen gegenseitig an. Und so werden die positiv geladenen Metall-Ionen durch das zwischen ihnen fließende Elektronengas zusammen gehalten.

Metallgitter-Modell mit Lithium-Ionen
Lithium-Metall-Modell
Das Schema zeigt die einfach positiv geladenen Lithium-Ionen, die in einem Stück Metall ein Gitter bilden. Darin sitzt jedes Lithium-Ion an seinem Platz, aber sie schwingen umso stärker um ihre Positionen herum, je höher die Temperatur des Metalls ist.

Atombindung und Moleküle nach oben

Die Ionenbindung ist typisch für chemische Bindungen zwischen Metallen und Nichtmetallen. Chemische Bindungen gibt es aber auch zwischen Nichtmetallen. Aufgrund ihrer großen Elektronegativität trennen sich Nichtmetall-Atome allerdings normalerweise nicht von ihren Elektronen. Um trotzdem chemische Bindungen einzugehen zu können, müssen sich deshalb zwei Nichtmetall-Atome ihre Valenzelektronen teilen. Das kann etwas kompliziert sein, denn häufig erfordert es die Bildung der im Lerntext Orbitale und Hybridorbitale beschriebenen Hybridorbitale.

Eine Atombindung ist ein Elektronenpaar, welches zwei Atome miteinander verbindet, weil es mit seiner negativen Ladung zwischen zwei positiv geladenen Atomkernen liegt. Solch ein beiden Atomen gehörendes gemeinsames Elektronenpaar (Bindungselektronenpaar) entsteht quasi als Misch- oder Fusionsorbital durch die Überlappung zweier Valenzorbitale. Meistens steuert dazu jedes der beiden Atome ein Valenzorbital bei, das mit einem einsamen Valenzelektron gefüllt ist. Nicht selten verbindet sich aber auch ein mit zwei Valenzelektronen gefülltes Valenzorbital des einen Atoms mit einem leeren Valenzorbital des anderen Atoms.

Moleküle sind chemische Verbindungen aus mindestens zwei Atomen über wenigstens eine kovalente Elektronenpaarbindung. Die folgende Darstellung soll das am besonders einfachen Beispiel zweier Wasserstoff-Atome (H) zeigen, die sich auf diese Weise zu einem Wasserstoff-Molekül (H2) verbinden.

Atombindung am Beispiel des Wasserstoffs
Natriumchlorid
Roland Heynkes, CC BY-SA-4.0
Mit meiner Zeichnung versuche ich anschaulich zu machen, wie sich zwei H-Atome ihre beiden Elektronen teilen. Die positiv geladenen Atomkerne werden aneinander gebunden, weil sie beide durch die zwischen ihnen konzentrierte negative elektrische Ladung angezogen werden.
Eine Atombindung verbindet zwei Atome miteinander, indem zwei positiv geladene Atomkerne von der zwischen ihnen liegenden konzentrierten negativen elektrischen Ladung des Bindungselektronenpaars angezogen werden.

Wasserstoff-Atome sind allerdings ein Grenzfall zwischen zwischen den Metallen und Nichtmetallen. Bei allen echten Nichtmetallen gibt es keine Valenzelektronen, die einsam in ihrer Valenzschale sind. Sonst wären es keine Nichtmetalle, sondern Metalle. Aber Atombindungen (Bindungselektronenpaar) werden von Valenzelektronen gebildet, die allein in ihren Valenzorbitalen sind. In jedes Orbital passen zwei Elektronen und das Atom erreicht einen stabileren Zustand (Edelgaskonfiguration), wenn seine Orbitale alle doppelt besetzt sind.

Das folgende Schema des Ethen-Moleküls zeigt grün die s-Orbitale der Wasserstoffatome, rot jeweils ein p-Orbital der Kohlenstoff-Atome sowie blau deren jeweils 3 sp2-Hybridorbitale, die alle in einer Ebene liegen und 120°-Winkel bilden. Außerdem zeigt das Schema des Ethen-Moleküls, wie die s-, p- und sp2-Hybridorbitale zu Bindungselektronenpaaren verschmelzen und auf diese Weise Atombindungen bilden.

Schema des Ethen-Moleküls
Ethen
Mit meiner Zeichnung versuche ich den Unterschied zwischen der (roten) pi-Bindung (π) zwischen den beiden C-Atomen und den (blauen) Sigma-Bindungen (σ) zwischen allen Ethen-Atomen deutlich zu machen. Die π-Bindung wird gebildet aus zwei p-Orbitalen. Die σ-Bindung zwischen den beiden C-Atomen wird gebildet von zwei überlappenden sp2-Hybridorbitalen. Die σ-Bindungen zwischen den C-Atomen und den Wasserstoffatomen (H) werden gebildet von jeweils einem sp2-Hybridorbital, das mit einem 1s-Orbital überlappt.

Doppelbindungen wie die oben gezeigte bestehen aus einer σ-Bindung plus einer pi-Bindung und erlauben keine Rotation.

Ionenbindungen führen nur zu einfach strukturierten Kristallen ohne klar definierte Grenzen. Atombindungen hingegen ermöglichen hochkomplexe und eindeutig strukturierte Moleküle mit genau festgelegten Formen. Das ist sehr wichtig, weil die Funktion eines Moleküls von seiner Struktur abhängt.

Chemie des Kohlenstoffs nach oben

Zur selbständigen Erarbeitung dieses Kapitels gibt es wieder Aufgaben.

Besonders wichtig ist die Atombindung in der Chemie des Kohlenstoffs, der sogenannten organischen Chemie. Das Kohlenstoff-Atom besitzt nämlich vier "einsame" Valenzelektronen. Wann immer möglich, bildet das Kohlenstoff-Atom damit vier Atombindungen mit bis zu vier anderen Atomen. Es kann sich aber auch zunehmend kürzer und fester durch Doppelbindungen oder Dreifachbindungen mit einem anderen Atom verbinden.

Entscheidend sind aber nicht nur die variable Anzahl und Unterschiedlichkeit der Atombindungen pro Kohlenstoff-Atom. Zur großen Flexibilität und Vielfältigkeit der Möglichkeiten der Kohlenstoff-Chemie trägt auch bei, dass C-Atome

Das beeinflusst nicht nur die Anzahl der möglichen Bindungspartner, sondern vor allem auch deren räumliche Anordnung (Molekül-Geometrie). Bilden zwei p-Orbitale und zwei sp2-Hybridorbitale gemeinsam eine Doppelbindung aus einer stärkeren σ-Bindung (aus den beiden sp2-Hybridorbitalen) und einer schwächeren π-Bindung (aus zwei überlappenden p-Orbitalen), dann verhindert die π-Bindung eine Rotation um die σ-Bindung.

Besonders oft sind Kohlenstoff-Atome mit Atomen der chemischen Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor verbunden. Doppelbindungen bilden Kohlenstoff-Atome hauptsächlich mit Sauerstoff, Stickstoff und anderen Kohlenstoff-Atomen. Um die Strukturformeln der Biomoleküle zu verstehen, muss man kaum mehr wissen. Und die Geometrie (räumlichen Form) eines Biomoleküls versteht man mit dem im Lerntext Orbitale und Hybridorbitale vermittelten Wissen um die Orbitale und Hybridorbitale. Wer das gar nicht so genau verstehen möchte, kann sich auch einfach folgendes Prinzip merken: Kohlenstoff-Atome richten ihre Atombindungen möglichst so aus, dass ihre 2-4 Partner-Atome so weit wie möglich von einander entfernt sind. Mit nur zwei Partner-Atomen bildet ein Kohlenstoff-Atom eine Gerade. Mit drei Partner-Atomen bildet ein Kohlenstoff-Atom ein ungefähr gleichseitiges Dreieck und mit vier Partner-Atomen bildet ein Kohlenstoff-Atom eine Pyramide mit dreieckigen Flächen (Tetraeder genannt).

Weil das räumliche Zeichnen nicht ganz einfach ist, zeichnet man die Strukturformeln der Biomoleküle aber meistens vereinfacht als nur zweidimensionale Projektionen. Glücklicherweise ist das Zeichnen längst nicht mehr die einzige Möglichkeit der Darstellung von Molekülen. Man kann heute die räumlichen Koordinaten vieler Moleküle Dank kostenloser Datenbanken wie PubChem oder Protein Data Base aus dem Internet auf den eigenen Rechner laden oder im Internet anzeigen lassen. Wurde in PubChem eine Struktur gefunden und auf dem Monitor angezeigt, dann klickt man rechts oben auf das Tetraeder-förmige Symbol für: "Launch Pc3D viewer application with the conformer". Leider wird dieses Symbol nicht bei jedem Molekül angezeigt, denn längst nicht für jedes Molekül der Datenbank existieren die Koordinaten (Conformer). Mit: "Download Pc3D viewer application" lädt man das kostenlose Programm auf den eigenen Rechner, wo man es installieren und zur Darstellung von Molekülen nutzen kann. Mit: "View the conformer with Pc3D viewer application" lädt man die Koordinaten auf den eigenen Rechner.). Mit dem Pc3D Molecule Viewer lassen sich Moleküle anzeigen, wobei viele Parameter eingestellt werden und die Strukturen aus allen denkbaren Blickwinkeln angezeigt werden können. Ist man mit der Darstellung zufrieden, dann kann man sie als Bild exportieren und weiterverarbeiten.

Biomoleküle nach oben

Informationen zu den Biomolekülen findet man im Lerntext Biomoleküle.

Desillusionierung als Ziel und Voraussetzung des Lernens nach oben

Zu den eher unangenehmen Notwendigkeiten des Erwachsenwerdens gehört die Desillusionierung, also der Verlust des kindlichen Glaubens an Osterhasen, Weihnachtsmänner, fliegende Rentiere und ähnliches. Gerne würden wir unseren Kindern die Zerstörung ihrer schönen Illusionen ersparen, aber dann würden sie als Erwachsene nicht ernst genommen und könnten sich kaum zu reifen Selbstdenkern entwickeln. In diesem Sinne halte ich es aber auch für falsch, kindliche Illusionen durch nicht weniger naive Illusionen für Erwachsene zu ersetzen. Wirklich erwachsen gewordene, mündige Bürger vertrauen nicht blind auf alles, was ihnen Politiker, Journalisten, Lehrer, Ärzte oder auch Naturwissenschaftler in Zeitschriften, Büchern, Fernsehen, World Wide Web oder in Gesprächen und Vorlesungen weiszumachen versuchen. So angenehm die gefühlte Sicherheit vermeintlichen Wissens auch ist, sie behindert das Lernen, das eigenständige Denken und die nie enden dürfende Arbeit an der Unterscheidung zwischen dem, was wir wirklich gesichert wissen, was wir nur zu wissen glauben, was wir nicht wissen und was man nicht wissen kann.

Biologische Strukturen sollten im Unterricht nicht einfach anhand der Darstellungen eines Biologiebuches oder eines Videos vorgestellt werden. Vielmehr sollten Schemata, anatomische Zeichnungen und Videos verschiedener Quellen kritisch miteinander verglichen werden. Anstatt Lernenden vermeintlich gesichtertes Wissen vorzugaukeln, sollte ihnen durch direkte Vergleiche vor Augen geführt werden, wie sehr sich vermeintlich wissenschaftlich gesicherte Darstellungen in vielen Details unterschieden können. Wenn sich zwei Darstellungen stark unterscheiden oder gar widersprechen, dann sind nur selten beide wahr, häufiger sogar beide falsch. Oft helfen schon logisches Denken und Vergleiche mit unserem bereits erworbenen Wissen, um falsche Darstellungen als solche zu entlarven. Um aber die Richtigkeit einer Darstellung nachzuweisen, benötigt man unverfälschte Originaldaten vom dargestellten Objekt. Solche Informationen über Strukturen im menschlichen Körper lassen sich heute in hoher Auflösung durch das nichtinvasive bildgebende Verfahren der Magnetresonanztomographie (MRT) gewinnen. Für Computerspiele und Fantasy-Filme entwickelte mathematische Verfahren und Computerprogramme machen es heute möglich, solche Rohdaten in per Maus oder Touchscreen beliebig drehbare Computeranmationen zu verwandeln, die man von allen Seiten betrachten kann. Die für uns kostenlose Zugänglichkeit solcher technischer Errungenschaften und die Freigiebigkeit zweier Universitäten versetzen uns beispielsweise im Falle einiger innerer Strukturen des menschlichen Ohres in die glückliche Lage, ausnahmsweise zwischen korrekten und falschen Darstellungen in Modellen und Filmen unterscheiden zu können. Meistens führt ein vertieftes Studium nämlich nur zu der Erkenntnis, dass man die wahren Verhältnisse nicht genau ermitteln kann. Installiert man aber eine kostenlose Software (VRML Viewer) zur Darstellung von Dateien im Format VRML (Virtual Reality Modeling Language), dann kann man im Falle unseres Hörorgans dem Link im Lerntext Ohr folgen und die wahre Anordnung der Strukturen selbst erforschen.

die naturwissenschaftliche Methode nach oben

Es gibt viele Möglichkeiten, etwas zu lernen. Eine davon ist die naturwissenschaftliche Methode, der moderne Gesellschaften ihr Wissen in Fächern wie Physik, Chemie, Erdkunde und Biologie verdanken. Die naturwissenschaftliche Methode ist das Gegenteil schlichten Glaubens an das, was Andere behaupten. Es ist die Methode, mit der Naturwissenschaftler neues Wissen schaffen oder zumindest älteres, vermeintliches Wissen widerlegen. Der Unterschied zu anderen Methoden besteht darin, dass man nicht einfach glaubt, was man irgendwo hört oder liest. Stattdessen überlegt man sich, wie man das überprüfen könnte, was man vermutet oder zu wissen glaubt. Dazu denkt man sich Experimente oder Beobachtungen aus, mit denen sich zeigen ließe, ob eine Vermutung (Hypothese) richtig ist oder nicht.

Es beginnt immer damit, dass ein naturwissenschaftlich interessierter Mensch sich über eine Beobachtung wundert. Beispielsweise sehen die meisten von uns die Sonne fast jeden Tag zu verschiedenen Tageszeiten. Trotzdem dauert es Jahre, bis einem zum ersten Mal auffällt, dass die Sonne morgens und abends rötlicher als mittags aussieht. Beobachtet hatten wir das schon unzählige Male, aber jahrelang war es uns nicht bewußt geworden. Deshalb hatte es uns auch noch nicht gewundert. Über alltägliche Beobachtungen wundern wir uns erst, wenn sie uns bewußt werden. Deshalb ist der erste Schritt der naturwissenchaftlichen Methode eine bewusste Beobachtung verbunden mit Erstaunen. Der zweite Schritt ist die Frage nach der Ursache für die Beobachtung. Daraus folgt als drittes die Entwicklung einer oder mehrerer Hypothesen. So nennen Naturwissenschaftler ihre Vermutungen.

In diesem Fall könnte man vermuten, die Sonne ändere im Laufe des Tages ihre Farbe. Die Farbe des Sonnenlichts könnte aber auch durch die Luft verändert werden. Ganz wichtig ist nun die Klärung der Frage, ob ein Experiment eine der beiden Hypothesen widerlegen könnte. Denn nur wenn das der Fall ist, lässt sich die Frage naturwissenschaftlich klären. In diesem Fall wäre das nicht schwierig. Man müsste nur eine ferngesteuerte Kamera in den Weltraum schießen oder die Astronauten der Weltraumstation fragen, ob sich die Sonne täglich verfärbt. So ließe sich schnell feststellen, dass sich die Sonne im Tagesrhythmus nicht verfärbt. Damit wäre schon eine Hypothese widerlegt.

In einem zweiten Experiment könnte man dann mit einem Ballon in große Höhen aufsteigen und prüfen, ob sich vielleicht die Farbe des Sonnenlichtes ändert, wenn mit zunehmender Höhe die Dicke der Luftschicht abnimmt, welche das Sonnenlicht durchdringen muss. Tatsächlich würde dieses Experiment die Hypothese unterstützen, dass die Luft etwas mit der Farbe des Sonnenlichtes zu tun hat. Je dicker die zu durchdringende Luftschicht ist, umso rötlicher wird das Licht, das uns von der Sonne erreicht.

Die folgende Liste fasst die wichtigsten Schritte der naturwissenschaftlichen Methode noch einmal übersichtlich zusammen:

  1. bewußte Beobachtung
  2. Frage nach der Ursache für die Beobachtung
  3. Hypothese zur Erklärung der Beobachtung
  4. Experiment zur Unterstützung oder Widerlegung der Hypothese

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Roland Heynkes, CC BY-SA-4.0

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