Organische Chemie – vier Grundelemente und Definition

Organische Chemie – vier Grundelemente und Definition Übung

• Definiere den Begriff organische Verbindung.

  Tipps

  Derivat stammt vom Lateinischen derivare ab, was so viel wie ableiten bedeutet.

  Synthese stammt vom griechischen Wort synthesis ab, was so viel wie Zusammensetzung oder Verknüpfung bedeutet.

  Die organische Chemie wird oft auch als Kohlenstoffchemie bezeichnet.

  Lösung

  Die organische Chemie ist ein großer Zweig der Chemie. Die Basis dieser Chemie ist der Kohlenstoff. Kohlenstoff kann vier Bindungen zu anderen Atomen ausbilden und ermöglicht dadurch eine große Vielfalt an unterschiedlichen Verbindungen. Diese lassen sich durch chemische Reaktionen gezielt verändern, so erhält man zum Beispiel Materialien mit ganz bestimmten Eigenschaften. Kunststoffe gehören zu diesen Verbindungen.
  Reaktionen in der organischen Chemie können der Austausch von Atomen, Verknüpfung von Molekülen oder auch die Herstellung ganz neuer Verbindungen durch Knüpfung neuer Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen umfassen.

• Nenne die vier Grundelemente der Verbindungen in der organischen Chemie.

  Tipps

  Die Grundelemente sind diejenigen, die 98% der organischen Verbindungen bilden.

  Nur etwa 0,03% der Atome, aus denen sich der menschliche Körper zusammensetzt, sind Natriumatome.

  Sauerstoffatome sind zum Beispiel in allen Zuckermolekülen und allen Alkoholmolekülen enthalten.

  Lösung

  Der Kohlenstoff ist das wichtigste Element in der organischen Chemie. Er gibt den Molekülen das Gerüst, da er Bindungen mit bis zu vier anderen Atomen bilden kann.
  Wasserstoff besetzt häufig die übrigen Bindungen der Kohlenstoffatome. Man sagt auch, die Verbindungen sind gesättigt mit Wasserstoff.
  Sauerstoff und Stickstoff sind nicht ganz so häufig wie Kohlenstoff und Sauerstoff, sie spielen aber in sehr vielen Molekülen eine besonders wichtige Rolle. Sie verleihen den organischen Verbindungen häufig ihre besonderen Eigenschaften.

• Ordne die Verbindungen der organischen oder der anorganischen Chemie zu.

  Tipps

  Die Gase, aus denen sich die Luft in unserer Atmosphäre zusammensetzt, gehören nicht zu den organischen Verbindungen.

  Ionenverbindungen (Salze) werden meistens den anorganischen Verbindungen zugeordnet.

  Die einfachsten organischen Verbindungen sind die Kohlenwasserstoff-Verbindungen.

  Die Kohlensäure entsteht durch Reaktion von Kohlenstoffdioxid mit Wasser und wird daher der gleichen Stoffgruppe zugeordnet wie das Kohlenstoffdioxid.

  Lösung

  Die meisten Verbindungen, bei denen du ein Grundgerüst aus Kohlenstoffatomen erkennen kannst, sind organische Verbindungen. Viele der freien Bindungen der Kohlenstoffatome werden mit Wasserstoffatomen besetzt, gelegentlich auch mit Sauerstoff- oder Stickstoffatomen. Sogar das Methan, $CH_4$, das nur ein Kohlenstoffatom enthält, wird zu den organischen Verbindungen gezählt.
  Einige Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten, zählt man jedoch zu den anorganischen Verbindungen. Das sind Stoffe, die auch in der unbelebten Natur vorkommen. Kohlenstoffdioxid, $CO_2$, spielt zwar in der Biologie eine große Rolle, es kommt aber auch in der Atmosphäre vor und gilt daher nicht als organischer Stoff. Auch Mineralien, die Carbonat $CO_3^{2-}$ enthalten, sind in der unbelebten Natur zu finden.
  Wasserstoff enthält keine Kohlenstoffatome und ist daher natürlich auch ein anorganischer Stoff.

• Analysiere die Verbindungsklasse, der die Moleküle zugeordnet werden können.

  Tipps

  Eine räumliche Vernetzung der Kohlenstoffatome findet man in einem Käfig, der von Kohlenstoffatomen gebildet wird.

  Eine Verzweigung in einer Kette entsteht, wenn ein Kohlenstoffatom der Kette nicht nur mit zwei, sondern mit drei anderen Kohlenstoffatomen verknüpft ist.

  In einem Kettenmolekül sind Kohlenstoffatome aneinandergereiht, so dass zwei Kohlenstoffatome an nur ein weiteres Kohlenstoffatom gebunden sind und alle anderen an zwei.

  In einem Ring müssen nicht alle Atome in einer Ebene liegen!

  Ein Ring ist eine geschlossene Kette, jedes C-Atom ist an zwei weitere C-Atome gebunden.

  Lösung

  Kohlenstoffatome lassen sich durch Bindungen aneinanderreihen. Dadurch entstehen Ketten. Die verbleibenden Bindungsstellen der Kohlenstoffatome werden oft mit Wasserstoffatomen besetzt. Ein Beispiel ist die vorletzte Verbindung.
  Ist ein Kohlenstoffatom nicht nur mit zwei, sondern mit drei anderen Kohlenstoffatomen verknüpft, so kommt es zu einer Abzweigung in der Kette. Eine solche verzweigte Kette ist in der ersten Abbildung gezeigt.
  Verbindet man das erste Kohlenstoffatom einer Kette mit dem letzten, so entsteht eine ringförmige Verbindung. Ringe können unterschiedlich viele Kohlenstoffatome enthalten. Ein Ring mit fünf Kohlenstoffatomen ist im zweiten Bild gezeigt.
  Ringe und Ketten lassen sich auch kombinieren. Ein Beispiel einer Verbindung, die einen Ring und eine Kette enthält, siehst du in der letzten Abbildung.
  Die Kohlenstoffatome können auch räumliche Strukturen bilden, wenn jedes Kohlenstoffatom mit drei anderen Kohlenstoffatomen verknüpft wird. Dadurch entstehen geometrische Körper, auf deren Ecken Kohlenstoffatome sitzen. Die mittlere Abbildung zeigt eine solche Struktur, ein fünfseitiges Prisma. Verbindungen dieser Art werden auch Käfigverbindungen genannt, da sie einen Raum in der Mitte umschließen.

• Gib wieder, warum der Bereich der organischen Chemie besonders wichtig ist.

  Tipps

  Gesteine und Mineralien bestehen häufig aus Silicium.

  Im Periodensystem werden Elemente in die Gruppen Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle eingeteilt. In welche Gruppe gehören Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff?

  Lösung

  Fast alle Verbindungen, die in Lebewesen vorkommen, sind organische Verbindungen. Die Lebewesen stellen diese Verbindungen selbst her, wandeln sie ineinander um oder bauen sie zur Energiegewinnung in anorganische Verbindungen um. Ohne die organischen Verbindungen gäbe es daher auch kein Leben, wie wir es kennen. Medikamente greifen in chemische Prozesse im Körper ein, daher sind sie auch immer organische Verbindungen.
  Auch wir nutzen organische Verbindungen, da sie höchst unterschiedliche Eigenschaften haben. Wir stellen daraus zum Beispiel Kunststoffe her. Benzin, Plexiglas oder Stoffe zur Herstellung von Kleidern sind weitere Beispiele für Alltagsgegenstände, die aus organischen Verbindungen bestehen.

• Erkläre die Bedeutung bestimmter Reaktionen für die Chemie der belebten Natur.

  Tipps

  Die Summenformel von Kohlenstoffdioxid ist $\ce{CO2}$.

  Die Summenformel von Ammoniak ist $\ce{NH3}$.

  Fixierung bedeutet, dass ein Element, das in einer anorganischen, nichtreaktiven Form vorliegt, in eine Verbindung überführt wird, die Lebewesen nutzen können.

  Lösung

  Mit dem Kohlenstoffdioxid gibt es eine Quelle für Kohlenstoff, die überall auf der Erde vorhanden ist. Diese anorganische Verbindung können viele Lebewesen aber nicht nutzen, da sie nicht in der Lage sind, daraus organische Verbindungen zu bilden. Pflanzen können das, denn genau das geschieht bei der Fotosynthese. Mit Hilfe der Energie des Sonnenlichtes wird Kohlenstoff aus Kohlenstoffdioxid in Zucker, $\ce{C6H12O6}$, gespeichert. Diesen Stoff wiederum können fast alle Lebewesen verwenden, um Energie zu gewinnen oder neue, eigene Stoffe daraus aufzubauen.
  Beim Energiegewinnen aus Zucker läuft der gegenteilige Prozess ab: Die organische Verbindung Zucker wird zu den anorganischen Verbindungen Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut, dabei wird Energie frei. Die anorganischen Stoffe sind dann nicht mehr nutzbar. Diesen Prozess nennt man Zellatmung, alle Tiere und Pflanzen können ihn nutzen.
  Ist kein Sauerstoff zum Abbau des Zuckers vorhanden, kann nur ein Teil der Energie genutzt werden. Der Zucker wird nicht vollständig zu anorganischen Verbindungen abgebaut. Es entsteht neben Kohlenstoffdioxid noch eine weitere organische Verbindung, die allerdings weniger Kohlenstoffatome enthält. Auf diese Weise werden Hefepilze eingesetzt, um Wein herzustellen.
  Auch Stickstoff benötigen alle Lebewesen zum Aufbau von bestimmten organischen Verbindungen. Dazu muss auch der Stickstoff aus der Atmosphäre fixiert werden. Das heißt, er muss in eine Verbindung überführt werden, die von den Lebewesen genutzt werden kann. Dieser Prozess kann von wenigen Lebewesen, vor allem von Bakterien und Algen, durchgeführt werden. Diese stellen aus dem Stickstoff Ammoniak, $\ce{NH3}$, her. Ammoniak kann von allen Pflanzen genutzt werden. Die Pflanzen dienen dann den Tieren als Quelle für Stickstoffverbindungen.