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Fließgleichgewicht und thermodynamisches Gleichgewicht

Der Begriff „Fließgleichgewicht“ wurde von dem österreichisch-kanadischen Biologen LUDWIG VON BERTALANFFY (1901-1972) erstmalig geprägt. Auch als dynamisches Gleichgewicht bezeichnet, beschreibt die Begrifflichkeit den Gleichgewichtszustand offener Systeme, wobei ein ständiger Austausch von Masse und Energie stattfindet. Im dynamischen Gleichgewicht sind alle am Stoffwechsel beteiligten Verbindungen in der nahezu gleichen Konzentration vorhanden.In einem Ökosystem beispielsweise hält der Energiefluss der Sonne die Stoffkreisläufe (Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf) in Gang. Auf organismischer Ebene bestehen Fließgleichgewichte durch Stoffaustausch zwischen einzelnen Organen eines Organismus und zwischen Organismen mit ihrer Umwelt. Auf molekularer Ebene stellen sich Fließgleichgewichte bei den biochemischen Reaktionsketten der Stoffwechselwege ein.

Fotolyse des Wassers

Durch Lichtabsorption des Fotosystems II gelangen angeregte Elektronen vom Reaktionszentrum (Chlorophyll a-Molekül: P 680) auf ein höheres Energieniveau und werden an einen Akzeptor abgegeben. Die dadurch entstandene Elektronenlücke im Reaktionszentrum wird durch die bei der lichtabhängigen Wasserzersetzung (Fotolyse des Wassers) entstehenden Elektronen wieder aufgefüllt. Zusätzlich entstehen bei dieser Reaktion noch Protonen (Reduktion des Coenzyms ${NADP}^{+}$ ) und Sauerstoff als Abfallprodukt.

Fotophosphorylierung

Die Fotophosphorylierung beschreibt die Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) durch die Anlagerung einer Phosphatgruppe an Adenosindiphosphat (ADP) unter dem Einfluss von Lichtenergie. Der ablaufende Mechanismus der ATP-Bildung im Chloroplasten und die ATP-Bildung im Mitochondrium während der Endoxidation bei der Zellatmung sind grundlegend gleich und werden als Chemiosmose bezeichnet. Es entsteht im Laufe der Lichtreaktionen ein Konzentrationsunterschied an Protonen zwischen Thylakoidinnenraum und Stroma, in dessen Endergebnis durch den angestrebten Konzentrationsausgleich enzymatisch ATP gebildet wird. Je nach Weg der Elektronen bei den lichtabhängigen Reaktionen unterscheidet man zwischen nichtzyklischer und zyklischer Fotophosphorylierung.

Fotosynthese

Die Fotosynthese gehört zum aufbauenden Stoffwechsel. Innerhalb ihres Ablaufs werden mithilfe von Lichtenergie aus anorganischen energiearmen Stoffen organische energiereiche Stoffe hergestellt. Chemoautolithotrophie (Chemosynthese) ist eine andere Form des aufbauenden Stoffwechsels. Die Nutzung der Sonnenenergie durch Fotosynthese ermöglichte erst das Leben auf der Erde. Die Chloroplasten sind die Orte der Fotosynthese.
Die Fotosynthese kann man in lichtabhängige und lichtunabhängige Teilreaktionen untergliedern.
Licht, Wasserversorgung, Temperatur und Kohlenstoffdioxidangebot beeinflussen die Fotosyntheseleistung.

Die Fotosynthese
	ist für die große Mehrzahl der Organismen direkt oder indirekt die Nahrungsgrundlage (Biomasseproduktion);
	liefert für die aeroben Organismen den notwendigen Sauerstoff;
	ist ein wichtiger Prozess im Kohlenstoffkreislauf (jährlicher Verbrauch von ca. 400 Mrd. Tonnen ${CO}_{2}$ );
	stellt langfristige Energieressourcen bereit (Holz, Kohle, Erdöl, Torf);
	hat einen indirekten Einfluss auf die lebensnotwendige Ozonschicht (Schutz vor UV-Strahlung).

Beeinflussung der Fotosyntheseleistung

Die Fotosynthese ist vorwiegend von Licht, Kohlenstoffdioxidkonzentration und Temperatur abhängig, wobei generell der Faktor die Fotosyntheseleistung begrenzt, der im Minimum vorliegt (Gesetz des Minimums von LIEBIG). Die Abhängigkeit der Fotosyntheseleistung von Licht und Kohlenstoffdioxid lässt sich grafisch als Sättigungskurve darstellen. Der Licht- bzw. Kohlenstoffdioxidkompensationspunkt ist für die Pflanzen wichtig, da bei Überschreitung des Kompensationspunkts organische Stoffe innerhalb der Pflanze zur Speicherung von chemischer Energie gebildet werden können. Die Temperaturabhängigkeit der Fotosyntheseleistung wird in Form einer Optimumskurve beschrieben. Die Abhängigkeit der Fotosyntheseleistung von den Faktoren unterscheidet sich zum einen zwischen C3-Pflanzen und Fotosynthesespezialisten (C4-Pflanzen, CAM-Pflanzen) und ebenso bei Licht- und Schattenpflanzen bzw. Licht- und Schattenblättern.

Iatrochemie

Mit Beginn der Neuzeit gewann die Suche nach der Universalmedizin wieder zunehmend an Bedeutung. Der Arzt PARACELSUS wurde der Begründer der Iatrochemie (griech. iatros = Arzt), indem er neue chemische Verbindungen zur Behandlung von Krankheiten einsetzte und die Elementelehre erweiterte.

Durch die Verbreitung der Papierherstellung und des Buchdrucks wurden die naturwissenschaftlichen Erkenntnisse von vielen Gelehrten zugänglich und trotz der Geißel der Inquisition weiterentwickelt. In Europa erfolgte im 17. Jahrhundert die Bildung von Akademien, die anders als die eher geisteswissenschaftlich ausgerichteten Universitäten der naturwissenschaftlichen Forschung dienten. Als Begründer der Chemie als empirischer Wissenschaft gilt der Engländer ROBERT BOYLE, der die Notwendigkeit der experimentellen Methode in der wissenschaftlichen Untersuchung – ganz im Sinne des Physikers GALILEI – betonte. BOYLE definierte den Begriff Element neu und begründete die klassische chemische Analyse. Er legte mit seinen Arbeiten die Grundlagen für die rasante Entwicklung der Chemie im darauffolgenden 18. Jahrhundert.

Internationales Einheitensystem (SI)

Im Internationalen Einheitensystem (SI) sind Basiseinheiten für sieben physikalische Größen festgelegt. Die meisten anderen Einheiten lassen sich aus diesen sieben Einheiten ableiten. Die Festlegungen über Einheiten sind international vereinbart und werden von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) getroffen. Als verbindliche Basiseinheiten wurden auf der 11. Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahre 1960 folgende sieben Einheiten festgelegt:

das Meter (1 m) als die Einheit der Länge bzw. des Weges,
das Kilogramm (1 kg) als Einheit der Masse,
die Sekunde (1 s) als Einheit für die Zeit,
das Ampere (1 A) als Einheit für die Stromstärke,
das Kelvin (1 K) als Einheit für die Temperatur,
das Mol (1 mol) als Einheit für die Stoffmenge,
die Candela (1 cd) als Einheit für die Lichtstärke

Exponentialfunktionen

Funktionen mit Gleichungen der Form
$y = f (x) = a^{x} (a \in ℝ; a > 0; a \neq 1)$
heißen Exponentialfunktionen. Ihr Definitionsbereich ist die Menge $ℝ$ der reellen Zahlen.

Interpretieren, Reaktionsgleichungen

Interpretieren ist eine Tätigkeit, eine verbale Aussage, die eng mit dem Experimentieren sowie mit Gleichungen und Diagrammen verbunden ist.

Beim Interpretieren von Reaktionsgleichungen wird den Zeichen und Symbolen sowie den dargestellten Sachverhalten eine inhaltliche Bedeutung zugeordnet.

Klassifizieren

Klassifizieren ist eine Erkenntnistätigkeit. Beim Klassifizieren werden verschiedene Objekte aufgrund gemeinsamer und unterscheidender Merkmale in Klassen eingeteilt. Alle Objekte, die gemeinsame Merkmale besitzen, werden zu einer Klasse zusammengefasst. Stoffe kann man z. B bezüglich ihrer Härte, ihrer Dichte, ihrer Wärmeleitfähigkeit oder ihrer elektrischen Leitfähigkeit klassifizieren.

Masse von Körpern

Die Masse gibt an, wie leicht oder schwer und wie träge eine Stoffprobe oder Stoffportion ist.

Formelzeichen: m
Einheit: ein Kilogramm (1 kg); ein Gramm (1g)

Die Masse einer Stoffprobe ist im Unterschied zur Gewichtskraft an jedem beliebigen Ort gleich groß. Die Einheit der Masse ist eine Basiseinheit des Internationalen Einheitensystems (SI).

Messen

Messen ist eine Tätigkeit, die eng mit dem Experimentieren verbunden ist. Beim Messen wird der Wert einer Größe, d. h. der Ausprägungsgrad einer Eigenschaft, mithilfe eines Messgerätes dadurch bestimmt, dass die zu messende Größe mit einer festgelegten Einheit verglichen wird. Dazu wird in der Regel eine Messvorschrift festgelegt.

Modelle

Naturkonstanten

Einige Größen in der Natur haben einen bestimmten, festen Wert, der im Laufe der Zeit immer genauer bestimmt worden ist. Man nennt solche Größen auch Naturkonstanten. Typische Beispiele für solche Naturkonstanten sind die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als die größtmögliche in der Natur auftretende Geschwindigkeit, der absolute Nullpunkt der Temperatur als die tiefstmögliche Temperatur oder die AVOGADRO-Konstante als die Anzahl der Teilchen, die in einem Mol eines Stoffes enthalten sind.

Naturwissenschaften

Die Naturwissenschaften beschäftigen sich mit jeweils ausgewählten Teilbereichen der lebenden oder der nicht lebenden Natur. Im Laufe der historischen Entwicklung haben sich als die wichtigsten naturwissenschaftlichen Disziplinen die Astronomie, die Biologie, die Chemie, die Physik und die physische Geographie herausgebildet.

Ziel jeder Naturwissenschaft ist es,

in der Natur Zusammenhänge und Gesetze zu erkennen,
mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse Erscheinungen und Vorgänge erklären und voraussagen zu können,
die gewonnenen Erkenntnisse zu nutzen, um das Leben der Menschen sicherer und angenehmer zu machen.

Im Unterschied zu den Naturwissenschaften beschäftigen sich die Geisteswissenschaften mit der historisch-gesellschaftlichen Entwicklung des Menschen.

Alfred Nobel

* 21.10.1833 in Stockholm
† 10.12.1896 in San Remo (Italien)

ALFRED NOBEL war ein schwedischer Naturwissenschaftler und Industrieller. Obwohl er keine bahnbrechenden wissenschaftlichen Entdeckungen machte, meldete er in seinem Leben 355 Patente an. Darunter war das Patent über die Entdeckung des Dynamits, das gegen Ende des 19. Jahrhunderts den Sprengstoffmarkt der Welt beherrschte. Dieses und andere Sprengstoffpatente machten NOBEL zu einem der reichsten Männer seiner Zeit.
Gegen Ende seines Lebens erkannte er jedoch, dass seine wichtigsten Erfindungen der Menschheit viel mehr Leid zufügten, als dass sie nützlich waren. Um sein Gewissen zu beruhigen, verfügte er in seinem Testament, dass sein Vermögen zukünftig der Erhaltung des Friedens und der friedlichen Entwicklung der Wissenschaften dienen sollte. So wurde nach seinem Tod die NOBEL-Stiftung gegründet, die im Jahr 1900 zum ersten Mal die begehrten NOBEL-Preise für die Entdeckungen verlieh, die der Menschheit im Jahr zuvor den größten Nutzen gebracht hatten.

Nobelpreisträger

Die Verleihung von Nobelpreisen hatte der schwedische Chemiker und Unternehmer ALFRED NOBEL, der von 1833 bis 1896 lebte, 1895 in seinem Testament verfügt. Der Nobelpreis wird seit 1901 jährlich zum Todestag von ALFRED NOBEL am 10. Dezember in den Bereichen Physik, Chemie, Physiologie oder Medizin, Literatur und Frieden verliehen. Seit 1969 erfolgt auch eine Verleihung des Nobelpreises auf dem Gebiet der Wirtschaftswissenschaften. Der Nobelpreis gilt als höchste wissenschaftliche Auszeichnung.

Theophrastus Paracelsus

* 11.11.1493 bei Einsiedel
† 24.09.1541 in Salzburg

Theophrastus Bombastus von Hohenhein, PARACELSUS genannt, wurde am 11. November 1493 bei Einsiedel nahe Zürich geboren. Sein besonderes Interesse galt der Chemie und Medizin. Besonders interessierte ihn neben der Heilung von Krankheiten, deren Ursache. Er war Begründer der Iatrochemie und machte die Chemie zum Bestandteil der Ausbildung von Ärzten und Apothekern. Daneben setzte er sich mit dem Zusammenhang zwischen Stoff und seiner chemischen Wirkung auseinander und nutzte verschiedene chemische Elemente bzw. Verbindungen trotz ihrer Giftigkeit als Medikamente. Damit zeigte er, dass Gifte in geringen Dosen für die Genesung günstig sind. Im Alter von 48 starb PARACELSUS am 24. September 1541 in Salzburg.

Folgen, Allgemeines

Eine Funktion, deren Defitionsbereich die Menge der natürlichen Zahlen (oder eine Teilmenge davon) ist und die eine Teilmenge der reellen Zahlen als Wertebereich besitzt, wird (reelle) Zahlenfolge genannt.
Unter der n-ten Partialsumme einer $s_{n}$ einer Zahlenfolge $(a_{n})$ versteht man die Summe der Folgenglieder von $a_{1}$ bis $a_{n}$ .

Physik

Die Physik ist eine Naturwissenschaft. Sie beschäftigt sich mit grundlegenden Erscheinungen und Gesetzen in unserer Umwelt und ermöglicht auf der Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse die Erklärung und Voraussage vieler Erscheinungen in der Natur. Das Wort „Physik“ ist von dem griechischen Wort „physis“ abgeleitet, das „Natur“ bedeutet.

Die Physik untersucht vielfältige Naturerscheinungen und wendet typische Denk- und Arbeitsweisen an, die z. B. mit solchen Tätigkeiten wie dem Beobachten, dem Messen und dem Experimentieren verbunden sind.

Traditionell wird die Physik in die Teilgebiete Mechanik, Wärmelehre (Thermodynamik), Elektrizitätslehre (Elektrik), Optik, Atom- und Kernphysik sowie Energie eingeteilt.

Max Planck

* 23.04.1858 in Kiel
† 04.10.1947 in Göttingen

MAX PLANCK war ein deutscher Physiker und zählt zu den bedeutendsten Wissenschaftlern seiner Zeit. Er befasste sich mit Thermodynamik, Thermochemie und Relativitätstheorie.

Weltberühmt wurde PLANCK durch seine Entdeckungen über die Quantelung der Energie, aus der sich die Quantentheorie entwickelte. 1918 erhielt er dafür den Nobelpreis für Physik. Die Entdeckung der Energiequanten leitete eine Epoche stürmischer Umwälzungen in Physik und Chemie ein.

Arnold Sommerfeld

* 05.12.1868 in Königsberg
† 26.04.1951 in München

ARNOLD JOHANNES WILHELM SOMMERFELD war ein bedeutender Physiker seiner Zeit. Mit seinen Arbeiten zum Bau und Wesen der Atomhülle, der Weiterentwicklung des Atommodells und Darstellungen zur Elektronengastheorie der Metalle nahm er starken Einfluss auf die Entwicklung der physikalischen Chemie.

Steckbriefe

Feste Stoffe sind die Materialien, aus denen Gegenstände bestehen. Auch flüssige und gasförmige Stoffe existieren. Wir nutzen sie vielfach im Haushalt, in der Technik und im Labor. Verwechslungen können gefährlich werden. Daher muss man Stoffe erkennen. Durch eine Kombination wesentlicher Eigenschaften kann man sie charakterisieren.

Tätigkeiten

In der Wissenschaft Chemie und im Chemieunterricht gibt es eine Reihe von Tätigkeiten, die immer wieder durchgeführt werden und die für die Chemie charakteristisch sind.
Jede dieser Tätigkeiten lässt sich genauer kennzeichnen. Für viele Tätigkeiten lassen sich auch Schrittfolgen angeben.

Teilgebiete der Chemie

Die Chemie wird in verschiedene Teilgebiete untergliedert: allgemeine theoretische Chemie, analytische Chemie, präparative Chemie, physikalische Chemie, anorganische Chemie, organische Chemie, technische Chemie und Biochemie. Sie unterscheiden sich in Aufgabenbereichen und Arbeitsmethoden.
Auch mit anderen Wissenschaften ist die Chemie eng verknüpft.