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Die Autor*innen
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André Otto
Organische Chemie – vier Grundelemente und Definition
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Grundlagen zum Thema Organische Chemie – vier Grundelemente und Definition

Inhalt

Die organische Chemie

Heute wollen wir uns nur mit den Grundlagen der organischen Chemie beschäftigen. Welche chemischen Elemente gibt es in der organischen Chemie und welche Stoffgruppen unterscheidet man? Die Antworten auf diese Fragen findest du im nachfolgenden Text. Doch zunächst wollen wir die organische Chemie definieren.

Organische Chemie – Definition

Die organische Chemie ist ein Teilgebiet der Chemie, das sich mit Verbindungen des Kohlenstoffs (Symbol $\ce{C}$) beschäftigt. Einfach erklärt ist die organische Chemie die Chemie der Kohlenwasserstoffe und ihrer Derivate (Abkömmlinge).
Davon ausgenommen sind allerdings elementarer Kohlenstoff und einige anorganische Kohlenstoffverbindungen wie die Kohlensäure ($\ce{H2CO3}$) oder die Stoffgruppe der Carbonate wie beispielsweise Natriumcarbonat ($\ce{Na2CO3}$).
Welche Elemente und Stoffgruppen es innerhalb der organischen Chemie gibt, behandeln wir im folgenden Abschnitt.

Grundelemente der organischen Chemie

Der überwiegende Teil organischer Verbindungen lässt sich fast ausschließlich aus nur vier Elementen des Periodensystems erstellen:

  • Kohlenstoff ($\ce{C}$)
  • Wasserstoff ($\ce{H}$)
  • Sauerstoff ($\ce{O}$)
  • Stickstoff ($\ce{N}$)

Einige organische Verbindungen enthalten teilweise Phosphor ($\ce{P}$) oder Schwefel ($\ce{S}$). Wie so eine organische Verbindung aussehen kann, wollen wir an einem Beispiel klären.

Beispiel Adenosintriphosphat (ATP)
Um die biologische Relevanz organischer Verbindungen zu verdeutlichen, betrachten wir ein Molekül, das du vielleicht schon im Biologieunterricht kennengelernt hast: Adenosintriphosphat, kurz ATP. Dieses Molekül ist die Energiewährung der Zelle. Den Aufbau dieser organischen Verbindung findest du in der unten stehenden Abbildung.

Beispiel organische Verbindung ATP

Du stellst fest, dass sich in diesem Molekül fast alle zuvor genannten Elemente ($\ce{C,H,O, P}$) wiederfinden. Die Atomgruppe aus den drei Phosphoratomen ($\ce{P}$) und den anhaftenden Sauerstoffatomen ($\ce{O}$) bildet das Triphosphat. Der sich anschließende Fünfring entstammt einem Zuckermolekül, der sogenannten Ribose. An diese schließt sich wiederum ein Adeninrest an, der auch Bestandteil der DNA ist.
Die Energie, die nun z. B. unsere Muskeln zum Arbeiten benötigen, wird dann über den hydrolytischen Abbau von ATP zu ADP (Adenosindiphosphat) und Phosphat bereitgestellt – ein essenzieller Vorgang im Energiestoffwechsel, der dir zeigt, wie bedeutend solche organischen Verbindungen für unser Leben sind.

Organische Verbindungen können sehr komplex sein und dabei verschiedene Formen annehmen:

  • Linear
  • Verzweigt
  • Cyclisch
  • Dreidimensional

Stoffgruppen der organischen Chemie

Im Folgenden wollen wir einige Stoffgruppen der organischen Chemie auflisten, die du im Chemieunterricht kennenlernen wirst.

  • Alkane, Alkene, Alkine
  • Alkohole
  • Aldehyde
  • Ester
  • Ether
  • Carbonsäuren

Die Benennung und somit die Einteilung in unterschiedliche Stoffgruppen erfolgt aufgrund von Strukturmerkmalen. Das können Doppel- oder Dreifachbindungen sein wie bei den Alkenen bzw. den Alkinen oder funktionelle Gruppen wie die Carboxylgruppe der Carbonsäuren oder die Hydroxylgruppe der Alkohole. Die Nomenklatur der organischen Chemie stellt das Regelwerk zur Benennung der zahlreichen organischen Verbindungen dar. Näheres dazu findest du in dem Video zur Nomenklatur funktioneller Kohlenwasserstoffe.

Wichtige Reaktionen der organischen Chemie

Im Folgenden wollen wir die wichtigsten Reaktionstypen der organischen Chemie benennen. Näheres zu den Reaktionstypen findest du in weiterführenden Videos.

  • Additionsreaktion: Verknüpfung mindestens zweier chemischer Verbindungen unter Aufspaltung von Mehrfachbindungen
  • Substitutionsreaktion: Austausch von Atomen oder Atomgruppen
  • Eliminierungsreaktion: Abspaltung von Atomen oder Atomgruppen unter Bildung einer Mehrfachbindung
  • Isomerisierung: Umwandlung der Molekülstruktur durch Umlagerung einzelner Atome oder Atomgruppen

Was ist der Unterschied zwischen anorganischer und organischer Chemie?

Abschließend wollen wir noch einmal hervorheben, was die organische Chemie von der anorganischen Chemie unterscheidet. Wir haben gelernt, dass die organische Chemie die Chemie der Kohlenstoffverbindungen ist. Erst die Bildung von organischen Verbindungen wie Nukleinsäuren ermöglichte Leben auf der Erde. Organische Verbindungen sind unter anderem Grundlage für Kunststoffe und Brennstoffe.
Im Gegensatz dazu ist die anorganische Chemie als die Chemie der kohlenstofffreien Verbindungen definiert. Darunter fallen Säuren (auch die Kohlensäure), Basen, Salze und Metalle und interessanterweise auch die aus reinem Kohlenstoff bestehenden Minerale Diamant und Grafit.

Dieses Video

In diesem Video werden dir die Grundelemente der organischen Chemie gezeigt. Außerdem bekommst du zwei Beispiele für sehr komplexe organische Verbindungen gezeigt, die von großer biologischer Bedeutung sind. Abschließend erfährst du, welche natürlichen Stoffe und welche synthetisch hergestellten Verbindungen zur organischen Chemie zählen. Im Anschluss kannst du dein neu gewonnenes Wissen mit interaktiven Übungsaufgaben testen.

Transkript Organische Chemie – vier Grundelemente und Definition

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt: Organische Chemie - 4 Grundelemente und Definition. Der Film ist folgendermaßen gegliedert: 1. Ein ganzer Zweig 2. 4 Grundelemente 3. 2 Beispiele der Biochemie 4. Warum gibt es so viele Verbindungen? 5. Die Harnstoffsynthese mit Definition der organischen Chemie 6. Natürliche Stoffe - im Labor hergestellt! 7. Neue Stoffe 1. Ein ganzer Zweig Man kann die Chemie nach verschiedenen Gesichtspunkten einteilen. Die ursprüngliche und klassische Einteilung ist die, in anorganische und organische Chemie. In der anorganischen Chemie treffen wir Verbindungen, die wir bereits in der Schule kennengelernt haben, so wie typische Basen, Säuren und Salze. Als Vertreter seien hier Natriumhydroxid, NaOH, Salzsäure, HCl, und Natriumchlorid, Kochsalz, NaCl, genannt. Die organische Chemie wird auch mitunter als Kohlenstoffchemie bezeichnet. Zu ihr gehören Kohlenwasserstoffe wie CH4, C2H6 oder C8H18. Aber Vorsicht, bestimmte Kohlenstoffverbindungen wie H2CO3, Kohlensäure, oder Na2CO3, Natriumcarbonat, Soda, zählen nicht zu den organischen Verbindungen. 2. 4 Grundelemente Es gibt eine Vielzahl organischer Verbindungen und das Erstaunliche daran ist, dass sie nur aus wenigen Elementen aufgebaut sind. Die Grundverbindung und das Element, dass in jeder organischen Verbindung enthalten sein muss, ist Kohlenstoff, C. Auch Wasserstoff ist in fast allen organischen Verbindungen enthalten. Im geringeren prozentualen Anteil folgen Sauerstoff und Stickstoff. Diese 4 chemischen Elemente bilden etwa 98 % der organischen Verbindungen. Außerdem sind von Bedeutung noch die chemischen Elemente Phosphor, P, und Schwefel, S. Nur wenige Elemente bilden die Strukturen der Organismen. Sie gehen ein in die Verbindung, die die Träger der Funktion des Lebens darstellen. Und das Erstaunliche ist, es gibt allgemeingültige Konstruktionsprinzipien der Moleküle. 3. 2 Beispiele der Biochemie Zunächst möchte ich ein Beispiel aus der Energiespeicherung nennen. Dieses recht komplizierte Molekül, das ich hier zeichne, hat den chemischen Namen Adenosintriphosphat oder auch abgekürzt ATP. Die 3 Phosphoratome links zusammen mit den anhaftenden Sauerstoffatomen bilden das Triphosphat. Der 5-Ring unten mit dem Sauerstoffatom im Ring und den beiden Hydroxylgruppen am Ring entstammen einem Zuckermolekül, der sogenannten Ribose. Die große, aus zwei Ringen bestehende Gruppe, die im Gesamten 5 Stickstoffatome enthält, entstammt der Nukleinbase Adenin. ATP kann der Hydrolyse, das heißt, der Zersetzung mit Wasser, unterworfen werden. Dabei wird eine freie Energie der Hydrolyse von -30,5 KJ/mol frei. Die hydrolytische Spaltung des Moleküls erfolgt zwischen den beiden Phosphoratomen links. Es entstehen ein Phosphorsäurerest und ein Diphosphat. Das heißt, aus Adenosintriphosphat hat sich Adenosindiphosphat gebildet. Ein 2. Beispiel ist die Acetylübertragung. Das recht komplizierte Molekül, das ich hier aufzeichne, hat gewisse Ähnlichkeiten mit dem ADP und ATP, was wir im vorigen Beispiel besprochen haben. Ich möchte es aber nicht näher ausführen. Man nennt diese Verbindung Coenzym A. Entscheidend für die Wirkung dieses Coenzyms A ist die Gruppe SH. SH ist in der Lage die Acetylgruppe der Essigsäure CH3CO anzulagern und zu übertragen. Das Wasserstoffatom von SH wird ausgetauscht gegen die Acetylgruppe CH3CO und es entsteht Wasser. Die entstandene Verbindung heißt Acetyl-Coenzym A. Nach diesem beeindruckendem Beispiel wollen wir uns folgende Frage stellen: Warum gibt es so viele organische Verbindungen? Das chemische Element Kohlenstoff verfügt über Eigenschaften, über die kein anderes chemisches Element des Periodensystems der Elemente verfügt. Kohlenstoffatome bilden Ketten. Kohlenstoffatome sind in der Lage, Verzweigungen auszubilden. Kohlenstoffatome können Ringe bilden. Und schließlich sind Kohlenstoffatome in der Lage räumliche Anordnungen zu bilden. 5. Die Harnstoffsynthese Vor etwa 200 Jahren glaubte man, dass organische Stoffe nur dann hergestellt werden können, wenn man über die Lebenskraft verfügt, die nur in Tieren und Pflanzen vorkommt. 1828 gelang dem deutschen Chemiker Friedrich Wöhler eine bahnbrechende Synthese. Wöhler experimentierte mit dem Salz Ammoniumcyanat. Er erhitzte es und erhielt eine neue chemische Verbindung. Es stellte sich heraus, dass es sich dabei um Harnstoff handelte. Ammoniumacetat ist anorganisch, Harnstoff ist eine organische Verbindung. Damit konnte gezeigt werden, dass man die Lebenskraft für die Herstellung organischer Stoffe nicht benötigt. Man kann mit Fug und Recht die Harnstoffsynthese als die Geburtsstunde der organischen Chemie bezeichnen. Und nun kommen wir zu der Definition des Begriffes organische Chemie. Organische Chemie ist die Chemie der Kohlenwasserstoffe und der Derivate von Kohlenwasserstoffen. 6. Natürliche Stoffe - im Labor hergestellt Inzwischen konnte eine Vielzahl natürlicher Stoffe, die von Lebewesen produziert werden, auch im Labor hergestellt werden. Dazu zählen Aminosäuren und Peptide, Kohlenhydrate, Fette, Nucleotide (Bausteine der Erbsubstanz), Vitamine und Hormone. 7. Neue Stoffe Viele neue und nützliche Stoffe konnte der Mensch inzwischen herstellen und sich nutzbar machen. Dazu zählen Acetylsalicylsäure, besser unter dem Namen Aspirin bekannt. Oder Paraaminobenzolsulfonamid, ein wichtiges Sulfonamid. Oder aber die beiden polymeren Verbindungen, Polyethylen in Tragetaschen oder auch Perlon, ein Polyamid. Ich denke, für eine Einführung in die organische Chemie reicht es. Danke für die Aufmerksamkeit! Auf Wiedersehen.

8 Kommentare

8 Kommentare
  1. Toll!

    Von Georg Wasylow, vor mehr als 8 Jahren
  2. Er ist weiß und völlig geruchlos.

    Von André Otto, vor etwa 9 Jahren
  3. unsere lehrerin sagt immer pisse-harnstoff...

    Von Niklas M., vor etwa 9 Jahren
  4. danke, dieses video ersetzt ganze seiten in den Lehrbüchern

    Von Hamlet, vor mehr als 9 Jahren
  5. Ich geb mir Mühe...

    Von André Otto, vor etwa 10 Jahren
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Organische Chemie – vier Grundelemente und Definition Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Organische Chemie – vier Grundelemente und Definition kannst du es wiederholen und üben.
  • 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 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 $CO_2$.

    Die Summenformel von Ammoniak ist $NH_3$.

    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, $C_6H_{12}O_6$, 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, $NH_3$, her. Ammoniak kann von allen Pflanzen genutzt werden. Die Pflanzen dienen dann den Tieren als Quelle für Stickstoffverbindungen.

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