1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung

1.1 Klinischer Fall

Freibad statt Radtour Sauerstoff ist vielleicht das wichtigste Element. Die Elemente sind im Periodensystem zusammengestellt, über das Sie im nächsten Kapitel mehr erfahren werden. Ohne Sauerstoff hätten sich die heutigen Lebensformen auf der Erde nicht entwickeln können. Die meisten Elemente des Periodensystems sind für den Organismus wichtig oder sogar unersetzlich, beispielsweise Phosphor gebunden als Phosphat als Bestandteil der Knochen oder Iod als Baustein der Schilddrüsenhormone. Doch viele Elemente, die in niedriger Konzentration vom Körper benötigt werden, sind in größeren Mengen giftig, beispielsweise Arsen oder Quecksilber. O3, Ozon, kann in hoher Konzentration die Atemwege schädigen. Die 16-jährige Petra gehört zu den Menschen, die im Sommer unter ozonbedingten Atemwegsproblemen leiden.

Brustschmerzen, Husten und Kurzatmigkeit Petra kann nicht mehr. Sie hat Schmerzen in der Brust und bekommt kaum noch Luft. Ständig muss sie husten. Die 16-Jährige flucht innerlich darüber, dass sie mit ihren beiden Brüdern diese Radtour macht. Bei dem tollen Wetter hätte sie auch prima im Freibad faulenzen können. Stattdessen tritt sie hier auf dem Feldweg in die Pedale. Bei der nächsten Rast bemerken ihre Brüder, dass es Petra nicht gut geht. Obwohl sie nun im Gras liegt, ist sie kurzatmig. Wenn sie versucht, tiefer einzuatmen, tut ihr der ganze Brustkorb weh. Erst am Abend geht es Petra besser.

Viel Sonnenschein, viel Ozon Zwei Wochen später hilft Petra ihren Großeltern bei der Gartenarbeit. Als sie wieder Atemprobleme bekommt, bringt ihre Oma sie zum Arzt. Dieser untersucht das Mädchen gründlich. Er kann nichts Auffälliges finden. Dennoch hat er eine Vermutung, woher Petras Beschwerden kommen könnten: Möglicherweise ist sie besonders ozonempfindlich. Bei schönem Wetter ist die Ozonkonzentration besonders hoch: Die UV-Strahlung wandelt das hauptsächlich aus Autoabgasen stammende NO2 (Stickstoffdioxid) in NO (Stickstoffmonoxid) und 1 Sauerstoffatom um. Letzteres verbindet sich dann mit O2 zu O3, dem Ozon. So kann die Ozonbelastung der Luft auf bis zu 80 ppb (ppb = parts pro billion) ansteigen. Normalerweise liegt sie bei etwa 20 ppb. In der Nacht wird das Ozon wieder abgebaut.

Obstruktion durch Ozon Manche Menschen sind gegenüber Ozon besonders empfindlich und leiden an Thoraxschmerzen, Kurzatmigkeit und Hustenreiz. Die Ursache der erhöhten Ozonempfindlichkeit ist nicht geklärt. Sicher ist jedoch, dass es beim Einatmen von Ozon zu einer Entzündung der Atemwege kommt. Dadurch steigt der Atemwegswiderstand, d. h., die Betroffenen haben – ähnlich wie Asthmatiker – Probleme, die eingeatmete Luft wieder auszuatmen. Diese sog. Bronchialobstruktion kann man auch in einer Lungenfunktionsprüfung ermitteln: Die Patienten müssen tief einatmen und dann die Luft so schnell wie möglich in ein Messgerät ausatmen. Je stärker die Obstruktion, desto weniger Luft kann in einer Sekunde ausgeatmet werden. Bei manchen Menschen ist diese sog. Einsekundenkapazität bei hohen Ozonwerten verringert. Lässt die Ozonbelastung jedoch nach, sind die Atemwege wieder voll funktionsfähig. Welche Konsequenzen hat dies für Petra? An Tagen mit hoher Ozonkonzentration sollte sie körperliche Anstrengung meiden. Denn die Menge des aufgenommenen Ozons hängt nicht nur von der Konzentration in der Luft, sondern auch vom Atemminutenvolumen ab, dem Luftvolumen, das in einer Minute eingeatmet wird. Und das ist bei Belastung natürlich höher. Petra hat also allen Grund, im Freibad zu faulenzen, wenn ihre Brüder anstrengende Fahrradtouren unternehmen.

1.2 Was ist Chemie?

Die Chemie ist eine Naturwissenschaft und befasst sich mit der Zusammensetzung, der Charakterisierung und der Umwandlung von stofflicher Materie.

Der Ursprung des Wortes „Chemie“ ist bis heute nicht zweifelsfrei geklärt. Es kann sowohl vom ägyptischen Wort „chmi“ für schwarz als auch vom arabischen Begriff „chemi“ abgeleitet sein, der den schwarzen, fruchtbaren Humusboden des Nildeltas beschreibt. Auch ein Zusammenhang mit dem griechischen „chyma“ für Metallguss ist möglich.

Diese verschiedenen Deutungen zeigen sehr anschaulich den Einfluss der Chemie auf das Leben des Menschen: Alles, was uns umgibt, jegliche Materie, die unser Auge sehen oder die mithilfe von Geräten sichtbar gemacht werden kann, ist Chemie.

Jeden Tag führen wir – größtenteils unbewusst – chemische Reaktionen durch. Chemische Verbindungen sind in Benzin ebenso vorhanden wie in Milch, Waschmittel oder Zahnpasta. Trotzdem ist die Chemie eine eher unbeliebte Naturwissenschaft, über die in der Bevölkerung relativ wenig bekannt ist. Dies mag mit der ungeheuren Komplexität chemischer Prozesse zusammenhängen: Chemische Reaktionen wie Milch Säuern, Bier Brauen oder die Herstellung von Metall aus Erz sind schon seit der Urzeit bekannt, konnten aber nicht erklärt werden, da das entsprechende Instrumentarium fehlte. Auch Heilpflanzen werden seit der Antike eingesetzt, die Inhaltsstoffe und deren Wirkungen konnten jedoch erst in der heutigen Zeit analysiert werden.

Erst Ende des 18. Jahrhunderts gelang es, ein wissenschaftliches Fundament für die Chemie aufzubauen und so deren außerordentliche Entwicklung zu ermöglichen. Das Verständnis für Chemie hat sich jedoch nicht im erwünschten Maß entwickelt, was sicher auch damit zusammenhängt, dass die Erklärungen für chemische Vorgänge auf atomarer Ebene erfolgen und dadurch sehr abstrakt sind.

1.3 Die Einteilung der Materie

1.3.1 Elemente, Verbindungen und Stoffe

1.3.1.1 Die Elemente

Die griechischen Naturphilosophen vermuteten schon im 6. Jh. v. Chr., dass die Materie aus unveränderlichen, einfachsten Grundstoffen besteht. Diese Grundstoffe bezeichneten sie als Elemente. Nach Lavoisier ist ein Element ganz pragmatisch und anwendungsorientiert ein Stoff, der durch chemische Mittel nicht weiter zerlegt werden kann.

Dalton konkretisierte den Elementbegriff und bezog ihn auf den atomaren Aufbau: Chemische Elemente bestehen aus kleinen, elektrisch neutralen, mit chemischen Mitteln nicht weiter zerlegbaren Teilchen, den Atomen (atomos griech. unteilbar). Alle Atome eines Elementes sind einander gleich, besitzen also gleiche Masse und gleiche Gestalt. Atome verschiedener Elemente haben unterschiedliche Eigenschaften. Heute sind mehr als 115 Elemente bekannt, 88 kommen in fassbarer Menge in der Natur vor. ▶ Tab. 1.1zeigt einige für den menschlichen Körper wichtige Elemente.

Sowohl die Definition von Lavoisier als auch die von Dalton werden heute noch verwendet, obwohl mit besseren Kenntnissen des Atombaus eine moderne Elementdefinition eingeführt wurde. Dabei wird der Begriff Element synonym mit der durch die Protonenzahl gekennzeichneten Atomart benutzt (s.  ▶ 1.4.3 ). Stoffe, die aus nur einer Atomart bestehen, nennt man auch Elementsubstanzen (z. B. H2, S8).

Tab. 1.1  Wichtige Elementeim menschlichen Körper

Element

Symbol

Massenanteil in %

Sauerstoff

O

63

Kohlenstoff

C

20

Wasserstoff

H

10

Stickstoff

N

3

Calcium

Ca

1,5

...