5 Unterschiede zwischen chemischen & physikalischen Stoffeigenschaften

Unterschiede zwischen chemischen und physikalischen Stoffeigenschaften

Eine chemische Eigenschaft beschreibt die Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Stoffes. Die physikalische Eigenschaft hingegen ist eine Eigenschaft, die ohne die Veränderung der chemischen Zusammensetzung einer bestimmten Substanz bestimmt wird. Da physikalische und chemische Eigenschaften bei der Untersuchung von Stoffen entscheidend sind, müssen für viele Prozesse und Verfahren in der Industrie sowie der Wissenschaft auch die Unterschiede zwischen physikalischen und chemischen Eigenschaften bekannt sein. Diese Unterschiede lassen sich in verschiedenen Bereichen nachweisen.

Makroebene vs. Mikroebene

Die Physik untersucht einen Stoff auf der Makroebene. Das bedeutet, dass dessen offensichtlichen Eigenschaften untersucht und herausgearbeitet werden. Diese Eigenschaften können bspw. die Farbe, das Gewicht oder die Größe sein.

Da Gewicht und Größe zwei Merkmalsausprägungen sind, welche nicht nur vom Stoff – sondern auch vom Volumen des Stoffes abhängig sind – reduziert man beide Merkmale auf eine Volumeneinheit. Dadurch können zwei Stoffe in der gleichen Volumeneinheit verglichen werden. Diese Maßzahl bezeichnet man als Dichte – bei der sowohl das Volumen als auch die Masse vereinheitlicht werden.

Berechnet wird die Dichte, indem Masse durch Volumen geteilt wird. Somit ist es egal, ob man zwei Kilogramm eines Stoffes mit drei Kilogramm eines anderen Stoffes vergleicht. Durch die Division von Volumen und Masse ergibt sich eine Verhältniszahl, welche Vergleiche zwischen unterschiedlichen Stoffen möglich macht.

Neben der Dichte und Farbe betrachtet die Physik weitere offensichtliche Merkmale, wie den Geruch – welcher von einem Stoff ausgeht oder den Geschmack, welchen der Stoff auslöst. Weitere Stoffeigenschaften, welche die Physik benennt und untersucht sind der Schmelzpunkt und der Siedepunkt eines Stoffes. Beide Punkte sind eigentlichen Schwellenwerte, welche mit der Temperatur zusammenhängen. Zu diesen Temperaturwerten findet ein Übergang zwischen einem Aggregatzustand zum einem anderen statt. Somit ist auch der Aggregatzustand ein Merkmal der Physik.

Die Chemie untersucht alle Stoffeigenschaft, welche durch die Sinnesorgane nicht wahrgenommen werden können. Zur Wahrnehmung gehören das Sehen (Farbe, Aggregatzustand), das Schmecken (Geschmack), Fühlen (Gewicht, Aggregatzustand, Dichte) und das Hören. Nun muss man sagen, dass von einem Stoff im Ruhezustand keine Schallwellen ausgesondert werden. Und deshalb erzeugt dieser auch kein Geräusch- wodurch das Hören als wahrnehmbares Merkmal eines Stoffes auch in der Physik nicht untersucht wird.

Bleibt die Frage….
Wenn die Chemie alle Stoffeigenschaften untersucht, welche nicht durch die Sinnesorgane wahrgenommen werden können – was bleibt dann noch übrig. Ich sag’s dir: die Mikroebene. Auf der Mikroebene wird die molekulare Beschaffenheit eines Stoffes untersucht. Dazu gehören der Aufbau von Atomen und Molekülen, die Atommasse, die Anzahl der Valenzelektronen, die Anzahl der Protonen, Neutronen und Elektronen in der Elektronenhülle usw. Und aufgrund der Anzahl der Außenelektronen in der Hülle, ergeben sich weitere Stoffeigenschaften, wie Reaktivität – also ob ein Stoff reaktionsträge ist oder reaktionsfreudig.

Weitere Stoffeigenschaften ergeben sich aus der chemischen Reaktion mit anderen Stoffen, wodurch in der Chemie neue Eigenschaften der Substanz erkennbar werden. Dies sind bspw. Toxizität oder die Radioaktivität.

Unterschiedliche Systemansätze

In der Physik werden Stoffe mehr oder weniger als etwas Beständiges betrachtet. Zwar verändert sich der Aggregatzustand eines Stoffes durch Temperaturunterschiede, allerdings werden diese Zustandsänderungen lediglich als Resultat eines physikalischen Systems betrachtet. In diesem Fall handelt es sich um ein thermodynamisches System, welches Wärmeenergie nutzt, um Zustandsänderungen zu bewirken.

Neben der Thermodynamik sind auch die Mechanik, Optik, Elektrodynamik, Quantenphysik, sowie die Relativitätstheorie weitere Theoriengebäude der Physik. Diese beruhen auf der klassischen Mechanik, also der Bewegungslehre – welche beschreibt – wie sich Stoffe in flüssigen, festen und gasförmigen Zustand – unter Einfluss von Kräften – bewegen.

Anziehungskräfte, welche zwischen zwei Stoffen wirken, sind Teil eines physikalischen Systems, genauso wie die elektrische Leitfähigkeit eines Stoffes – welche auf die Teilchenbewegung beruht. Als übergeordnete Naturwissenschaft stellt die Physik ein Theoriengerüst zur Verfügung, in welchem Kräfte, Energien und auch Stoffe lediglich als Teile dieses Systems begriffen werden. Die Stoffeigenschaften ergeben sich lediglich als Resultat eines untersuchten Systems.

In der Chemie sorgen die Stoffeigenschaften dafür, dass sich Stoffe verändern können, chemische Reaktionen eingehen und zu neuen Substanzen verschmelzen können. Und die Physik liefert das Theoriengerüst, in welches sich die Chemie einordnet.

Betrachtet man bspw. die Energiezufuhr beim Erhitzen eines Stoffes, ist dies Teil der Thermodynamik. Durch die Energie, welche dem System in Form von Wärme zugeführt wird, verändern sich die molekularen Eigenschaften der Atome. Denn die Energie regt die Atome an, wodurch diese sich schneller und mehr bewegen, aus ihrer Umgebung ausbrechen und zu Reaktionen mit anderen Atomen neigen. Die Physik liefert in diesem Fall die Energiegleichung, die Chemie die daraus entstandene Reaktionsgleichung.

unterschiedliche Aspekte in den Naturwissenschaften

Wie eben beschrieben, liefert die Physik alle Theorien – in welcher sich chemische Prozesse einordnen lassen. Beide Naturwissenschaften erklären wiederum die Biologie. So wird bspw. in der Physiologie erörtert, wie ein Organismus als Ganzes oder wie die Organe als dessen Einzelteile funktionieren.

Dabei fließen Aspekte der Physik in die Physiologie ein, da dies mechanische Abläufe- wie beim Blutkreislauf, dem Pumpen des Herzens, die Anspannung in Muskeln usw. sind. Die physikalischen Stoffeigenschaften im Gewebe, Zellen, Organen usw. spielen hierbei keine Rolle. Auch hier wird lediglich das System, in diesem Fall der Organismus, betrachtet.

Die Chemie wiederum greift tiefer ein, indem bspw. die Stoffeigenschaften des Sauerstoffs eine Rolle bei der Atmung oder die Stoffeigenschaften des Hämoglobins beim Sauerstofftransport spielen. Denn im Organismus finden permanent chemische Reaktionen statt, bei der die Stoffeigenschaften einen wesentlichen Aspekt dazu beitragen.

Somit kann man durchaus sagen, dass in der Biophysik die Übertragung von Kräften und Energien untersucht wird, welche durch die Stoffeigenschaften zwar ermöglicht – aber nicht genauer untersucht werden. Die Biochemie untersucht den Stoffaufbau und Abbau im Organismus, dessen Wechselwirkung mit anderen Stoffen und den daraus erzielten Energiegewinn oder Informationsgewinn. Solche Informationsübertragung durch chemische Substanzen findet bspw. bei der Ausschüttung von Botenstoffen, wie Transmittern und Hormonen oder bei der Bildung von Sekreten statt. Aber auch bei der Zellatmung und bei anderen Stoffwechselprozessen im Organismus sind Substanzen beteiligt, deren Stoffeigenschaften dies ermöglichen.

In der Natur unterliegt jedes chemische Element einem Stoffkreislauf. Das bedeutet, dass es an irgendeiner Stelle aufgebaut, dann chemische Reaktionen eingeht, den Aggregatzustand ändert und an anderer Stelle wieder abgebaut oder anders transformiert wird. Dies findet im Kleinen, wie dem Organismus, statt – aber auch im Großen, wie im Ökosystem oder der Biosphäre. Die Untersuchung der chemischen Stoffeigenschaften ist somit auch ein Aspekt der Ökologie, der Genetik und anderen Lebenswissenschaften.

unterschiedliche Verfahren, Experimente und Beobachtung

Aufgrund der unterschiedlichen Aspekte, welche in Chemie und Physik einfließen – ergibt sich für beide Naturwissenschaften eine andere Methodik. Wird bspw. in der Physik untersucht, wie schnell ein Gegenstand zu Boden fällt – fließen dessen Gewicht, Dichte, Erdanziehungskraft und die Beschaffenheit der Atmosphäre in die Überlegung ein. Die molekularen Eigenschaften, welche eine chemische Reaktion des Gegenstandes mit dem Umgebungsmedium erklären würden, sind nicht Teil der physikalischen Erkenntnis.

Aufgrund des möglichen Erkenntnisgewinns, welche ein Stoff und dessen Eigenschaften verspricht, werden Untersuchungsmethoden in den Naturwissenschaften hergleitet. In der Physik beschränken sich diese Methoden auf das übergeordnete System, welches untersucht wird. Dies wäre am Beispiel des fallenden Gegenstandes, ein mechanisches System – in welchem die Kräfte in Wechselwirkung stehen. Durch diese Kräfte werden Energie freigesetzt, welche dann in der Physik untersucht werden.

Da der Aggregatzustand des Gegenstandes und auch dessen Umgebungsmedium eine wesentliche Rolle bei der Energiefreisetzung spielen, fließen diese Stoffeigenschaften in die physikalische Betrachtung ein. Hier sind Gewicht, Volumen und Dichte bei unterschiedlichem Aggregatszustand die entscheidenden Faktoren.

In dem Beispiel vom fallenden Gegenstand spielt zwar die Farbe keine Rolle, in der Optik allerdings schon. Denn das Sonnenlicht wird – je nach Farbe – unterschiedlich reflektiert. Deshalb ergeben sich Farbe und Aussehen eines Stoffes als optischer Prozess, welcher durch die Physik erklärt wird. Auch der Geruch eines Gegenstandes ist eine physikalische Eigenschaft, da sich dieser im Medium ausbreitet, als Fluid verstanden – welcher vom Stoff ausgesondert wird.

Die Chemie baut ihre Verfahren, Messungen und Experimente auf Mikroebene auf. Dabei werden chemische Reaktionen eingeleitet, welche durch chemische Stoffeigenschaften überhaupt erst möglich wären. Die Energie, welche bei dieser Reaktion gewandelt wird, ins System einfließt oder abfließt – sind nicht Teil des chemischen Erkenntnisgewinns und werden deshalb nicht betrachtet. In der Physik würde man allerdings diese chemischen Begleiterscheinungen als Gegenstand der Untersuchung betrachten und die Methodik danach ausrichten.

Unterschiedliche Theorienbildung

In der Physik gibt es weder eine physikalische Reaktion, welche von einem Stoff ausgeht – noch gibt Theorien und Modelle zu den Stoffeigenschaften. Auch dies liegt an der Makroebene, welche die Physik einnimmt und lediglich das System untersucht, in welchem die Stoffe eine Teilmenge sind. Jede Wissenschaft beruht auf Beobachtungen, wie bspw. dem Fallen eines Gegenstandes oder dem grünlichen Schimmern von Kuppeldächern, welche durch Oxidation des Kupfers entstanden. Lassen dann verschiedene Beobachtungen eine Tendenz erkennen, könnte sich hinter den Einzelereignissen eine Gesetzmäßigkeit ergeben, welche das Phänomen erklärbar machen könnte.

Diese Überlegungen führen dazu, dass neugierige Forschende diese Phänomene untersuchen wollen. Man stellt also eine Arbeitshypothese auf. Diese könnte bspw. lauten: „Immer wenn ich etwas loslasse, fällt es zu Boden“. Da dies im Weltall oder im Vakuum keineswegs der Fall ist, muss die Arbeitshypothese entsprechend konkretisiert werden. Besser wäre: „Im Schwerefeld eines massereichen Objektes, wie der Erde, wird ein Gegenstand immer zu dessen Zentrum gezogen – sobald ich diesen loslasse.“

Die Arbeitshypothese verknüpft demnach die Stoffeigenschaften mit einer Beobachtung. In diesem Fall wird die Masse bzw. die Dichte eines Stoffes mit der Beobachtung des Fallens verknüpft. Nun kann man diese Hypothese untersuchen, indem man sehr oft den Gegenstand fallen lässt. In der Forschung sammelt man nun Daten, welche als Empirie verstanden werden.

Normalerweise wird der Gegenstand immer auf die Erde fallen, wodurch sich durch die gewonnenen Daten ein Modell formulieren lässt. Dieses Modell basiert auf Naturgesetzen und Regelmäßigkeiten. Sind diese Einzelgesetze in sich schlüssig, kann eine Theorie formuliert werden – welche als gültig erachtet werden kann.

Im Beispiel des fallenden Gegenstandes spielt es allerdings keine Rolle, ob der Gegenstand aus Holz, Blei oder Kupfer besteht. Dieser wird immer von der Erde angezogen, außer dessen Dichte ist geringer als die Dichte des umgebenden Mediums – in diesem Fall der Luft. Dann steigen bestimmte Stoffe, wie Heliumballons, nach oben und fallen nicht zur Erde. Aber dies ist ein anderes Thema.

Was ich sagen will, ist – dass die physikalischen Stoffeigenschaften nicht zur Theorienbildung der Physik beitragen. In unserem Beispiel würde die Gravitationstheorie lediglich besagen, dass Masse andere Masse anzieht. Die physikalischen Eigenschaften des fallengelassenen Gegenstandes sind unwichtig und für die Theorie der Erdanziehung unrelevant.

Und wie bei der Fallbeschleunigung ist, so ist es bei allen physikalischen Modellen und Theorien. Die Stoffeigenschaften begründen nicht die Theorien der Mechanik, der Quantenphysik, Optik oder einer anderen Teildisziplin der Physik.

Bei den chemischen Theorien ist dies anders. Denn schon die Experimente zielen darauf ab, die Eigenschaften der Stoffe zu ergründen, deren Reaktionsfähigkeit zu messen und mögliche Reaktionspartner auszumachen.

Zusammenfassung

• Grob lassen sich Merkmalsausprägungen von Substanzen in chemische und physikalische Stoffeigenschaften unterteilen.
• Physikalische Eigenschaften kann man sehen, anfassen, fühlen, schmecken oder riechen.
• Eine physikalische Reaktion, welche von einem Stoff ausgeht – gibt es nicht. Denn jeder Stoff wird in der Physik lediglich als Teil eines Systems betrachtet.
• Chemische Stoffeigenschaften sind jene Eigenschaften, welche chemische Reaktionen ermöglichen.

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