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Web Log Teil 167: 28.5.2010-1.6.2010

Freitag den 28.5.2010: Physik und Chemie

Beim Ansehen einer Alpha Centauri Folge und beim lesen der beharrlichen Kommentare von Max mich zu sich wandelnden Naturgesetzen zu äußern kam ich auf das heutigen Thema. Bei Alpha Centauri ging es um die Frage "kann die Physik die Welt erklären?" Harald Lesch hat gut herausgearbeitet dass dies nicht geht, weil die Physik die Naturgesetze zwar bestimmt, aber dies eben immer in einer idealisierten Welt geschieht. Heute sind die meisten Naturgesetze mit denen wir im täglichen Leben konfrontiert sind recht gut bekannt und die Physik macht sich auf zu erklären wie man damit Dinge erklären kann, die von uns weit entfernt sind - räumlich im Universum, zeitlich nahe des Urknalls oder sensorisch wahrnehmbar wie im Inneren von Atomen.

Eine Menge Leute haben damit Probleme, dass die Physik alles erklären will und wie uns ja Reportagen vom CERN weismachen wollen geht es jetzt noch um die letzten ungeklärten Phänomene. Das klingt nach einer tollen Wissenschaft. Leider ist das Gegenteil der Fall. Aus einem Büchlein habe ich folgenden kleinen Merkspruch für die Naturwissenschaften:

Ich will mich mal auf den Spruch über die Physik konzentrieren. Vielleicht hat der eine oder andere noch misslungen Experimente aus dem Physikunterricht in Erinnerung, bestimmt aber wenn er das mal hatte, aus dem Physikpraktikum im Studium. Da war es normal und ein elementarer Bestandteil des Praktikums war auch die Fehlerrechnung: Zu deutsch man musste Abschätzen, warum nicht das erwartete rauskam, indem man Schätzungen für Fehler durch Störeinflüsse machte und die Auswirkungen anhand der Gleichungen berechnete.

Das für einen Chemiker so paradoxe an der Physik ist, dass sie zum einen so mathematisch ist - sie ist im Prinzip angewandte Mathematik. Es werden Kräfte, Wirkungen und Vorhersagen berechnet. Leider haben diese mit der wirklichen Welt oft nicht so viel zu tun. Es gibt eben Reibung, Materialeigenschaften und die reale Welt ist nicht idealisiert. Nach den optischen Gesetzen sollte es keine Farbfehler bei einem Objektiv geben. Leider brechen aber alle Gläser die es gibt, Licht unterschiedlicher Wellenlänge unterschiedlich und so entstehen Farbfehler. Mehr noch, sie lassen bestimmte Wellenlängen nicht passieren. Für Infrarot und UV sind die meisten Gläser blind. Das ist die reale Welt und das ist der Gegensatz zur idealen Welt der Physik.

Chemie ist da anders. Es fängt schon damit an, dass die Mathematik weniger wichtig ist. Man kann Reaktionsgeschwindigkeiten berechnen, Konzentrationen oder p.H. Werte. Das alles hat aber Grenzen. Sehr viel in der Chemie ist empirisch, weil hier die reale Welt schon im Labor anfängt. Die meisten Reaktionen verlaufen schon nicht wie man denkt nach dem Muster A+B → C +D. Das klappt noch ganz gut bei anorganischen Reaktionen da die Ionenbindungen sehr stark sind und es kaum Nebenreaktionen gibt. Wenn man Natronlauge und Salzsäure zusammenleert, dann kann man sicher sein es gibt Speisesalz und Wasser, weil Natrium und Chlor(I) kaum andere Möglichkeiten haben zu reagieren. Bei organischen Substanzen sieht das komplett anders aus. Es entstehen immer Nebenprodukte die weiter reagieren können. Es kann sein, dass das Zielprodukt selbst bei einer industriellen Synthese nicht das Produkt ist, das vornehmlich entsteht. Geschweige denn das jemand daher gehen könnte mit einer Menge von Zahlen über das Periodensystem jede Reaktion genau berechnen zu können. Bei vielen Reaktionen wird noch daran gearbeitet den genauen Reaktionsmechanismus überhaupt experimentell zu bestimmen.

Ich will das an einem Beispiel verdeutlichen. Der Reaktion von Toluol (Methylbenzol). Es ist möglich über die elektrophile Substitution eine weitere Methylgruppe einzufügen. Wie man sich leicht vorstellen kann gibt es dazu drei Positionen: In der Nummerierung sitzt die erste Methylgruppe an der Position 1. Die zweite kann nun in Position 2,3,4 angefügt werden. Da das Molekül rotationssymmetrisch ist sind Positionen 5+6 identisch zur 3+2. Eine Methylgruppe erleichtert (das ist seit 100 Jahren bekannt) nun eine Reaktion an der Position 2 (ortho) und 4 (Para) und erschwert die Reaktion an der Position 3 (meta).

Das heißt: Man bekommt nun nicht ein Produkt sondern ein Gemisch von 1,2 und 1,4 Dimethylbenzol. Noch schlimmer: Zwei Methylgruppen im Molekül erleichtern die Reaktion noch mehr, sodass diese Produkte weiter reagieren. Nun wird es aber schwierig. Sowohl beim 1,2 wie auch beim 1,4 Dimethylbenzol würde eine neu eingefügte Methylgruppe für jeweils eine Methylgruppe in der Metaposition und für die andere in der Ortho- oder Paraposition liegen. Dazu kommen dann noch räumliche Effekte die eine Reaktion direkt neben einer schon existierenden Methylgruppe leicht benachteiligen.

In der Summe wird man eine Gemisch von verschiedenen Di- und Trimethylbenzolen erhalten. Mehr noch: Die Radikale die benötigt werden, um die Reaktion durchzuführen können auch andere Reaktionen induzieren, wobei bei entsprechender Hitze dann auch noch die kinetisch instabilen, aber thermodynamisch stabilen Metaprodukte (1,3 Dimethyl.- und 1,3,5 Trimethylbenzol entstehen).

Das alles ist Erfahrungswissen, nicht berechenbar. Es gibt kein Naturgesetz für die Friedel-Crafts Alkylierung wie der Reaktionstyp im Fachjargon heißt. Chemie ist in einem großen Maße Empirik, also Erfahrungswissen. Regeln. Mit genügend viel Energie ist alles möglich. Ich möchte hier mal an das Experiment von Urey und Miller erinnern, bei dem in einem Glaskolben Ammoniak, Wasser und Methan (Die Uratmosphäre) gekocht wurde und nach einigen Tagen waren in dem braunen Brei der dabei entstand Alkohole, organische Säuren, Aminosäure und niedere Zucker. Andere Experimente mit leicht anderer Zusammensetzung, Lavagestein als Katalysator und Blitzen als Energiequelle ergaben dann auch noch die niedrigen Fettsäuren und DNA Basen.

Natürlich basiert auch die Chemie in ihrem Kern auf einem Model. Es ist das einer idealisierten Welt. Aber ich denke die Chemiker unterschieden sich von den Physikern darin dass sie diese Tatsache öfters im Kopf haben und es weitaus weniger Modelle, Gesetze, Formeln in ihrer Welt gibt. Sehr viel ist immer noch "Trial und Error". Das Experiment ist der wichtigste Teil der Chemie. (Symptomatisch ist, das ein kleines Teilgebiet der Chemie die theoretische Chemie ist - also die Beschäftigung mit den Modellen, umgekehrt ist die Experimentalphysik nur ein Teilgebiet der Physik. Das sagt glaube ich viel aus).

Samstag 29.5.2010: Kinetische und thermodynamische Stabilität

Als ich für den gestrigen Artikel noch mal die Details der elektrophilen Addition in der Wikipedia durchlesen wollte, war ich entsetzt über das was ich dort las. Nämlich so wenig. Das Risiko der Enzyklopädie von Laien zeigt sich dann recht deutlich. Es fehlt das Expertenwissen. Also blieb wieder der Griff ins Buchregal. So kam ich auf die Idee, nachdem ich ja schon hier Raumfahrt erklärt habe: Fangen wir doch mal mit der schönsten Wissenschaft an sich an - der Chemie und ich erkläre euch mal ein paar Grundbegriffe. Dangen wir an mit der kinetischen und thermodynamischen Stabilität.

Am deutlichsten wird das anhand der handgezeichneten Abbildung links. Sie zeigt in der Y-Achse die Energie die ein Stoff inne hat. Auf der X-Achse steht dagegen nichts, man könnte unter bestimmten Umständen einen Zeitverlauf dort hineininterpretieren.

Jeder stabile Stoff steckt in einem Energietal. Wenn er reagiert, so muss er Energie aufnehmen. Wir nennen das als Chemiker Aktivierungsenergie. Erreicht er diese, das entspricht dem Berg im Diagramm, so findet die Reaktion statt. Das gilt auch bei Reaktionen, die exotherm sind (es wird Energie frei), nur ist dann das Tal der Produkte rechts tiefer liegt, als das Tal der Edukte (Ausgangsstoffe) links. Eine chemische Reaktion läuft derart ab, dass die Edukte Energie aufnehmen, die Aktivierungsenergie erreichen und dann miteinander reagieren. Dabei entsteht ein Zwischenzustand, der instabil ist und weiter reagiert. Dabei wird das erste Tal rechts erreicht. Es kann nun der Fall vorliegen, dass dies das einzige mögliche Produkt ist. Es gibt dann nicht mehr das zweite Tal rechts. In diesem Fall sind thermodynamischer und kinetisch stabiler Zustand identisch. Wenn das nicht der Fall ist, dann ist dies der kinetisch stabilste Zustand.

Er ist dadurch gekennzeichnet dass er als erster bei einer Reaktion entsteht und an sich ein stabiles Produkt bildet. Gibt es aber genügend Energie, dann kann hat das Molekül die Möglichkeit den zweiten Berg, also die zweite Energiebarriere zu überwinden und erreicht den zweiten Zustand rechts, der tiefer liegt, also einen niedrigeren Energiegehalt aufweist. Dies ist der thermodynamisch stabile Zustand. Vereinfacht gesagt: Der thermodynamisch stabile Zustand ist der eigentlich stabile, energieärmste Zustand. Führt man genügend Energie zu, so erreicht jedes System diesen Zustand. Der kinetisch stabile Zustand ist ein metastabiler Zustand, der bei einer Reaktion als erstes erreicht wird, bei vielen Reaktionen sind die Barrieren zwischen beiden Zuständen so klein, das praktisch nur der thermodynamisch stabile Zustand existiert. Es kann aber auch sein, dass die Energiebarriere so hoch ist, das der kinetisch stabile Zustand praktisch der am häufigsten vorkommende ist oder er zumindest er unter Normalbedingungen stabil ist. So lernte ich noch in der Uni, das Diamant die kinetisch stabile Modifikation des Kohlenstoffs ist und Graphit die thermodynamisch stabile. Das scheint nach neueren Forschungen bezweifelt zu werden - das Problem ist, das zwischen der SP3 Konfiguration des Diamants und der SP2 Konfiguration von Graphit ein so hoher Energieberg liegt, dass man dies praktisch nicht prüfen kann.

Wie bekommt man nun eine der beiden Konfigurationen? Indem man die Reaktionsbedingungen richtig wählt. Bei einer exothermen Reaktion z.B., indem man kühlt, damit nicht allzu viele Moleküle die Aktivierungsenergie zum Erreichen der thermodynamisch stabilen Konfiguration erreichen können:

Bei der beschriebenen Reaktion von Methylbenzol und Methylchlorid zu Xylol entstehenden je nach Temperatur folgende Gemische:

Temperatur o+p Xylol m-Xylol
0°C 73 % 27 %
55 °C 13 % 87 %
106 °C 2 % 98 %

Da es hier praktische Temperaturgrenzen gibt (unterhalb einer bestimmten Temperatur springt die Reaktion nicht an, oder das Gemisch ist nicht flüssig sondern kristallisiert aus, oberhalb einer bestimmten Temperatur verdampft die Mischung oder reagiert zu anderen Produkten weiter) erhält man so oft in der organischen Chemie ein Gemisch.

Sonntag 30.5.2010: Was kostet ein Shuttle Start - zum Zweiten

Ich habe das Thema ja schon mal aufgegriffen. Nachdem ich bei der Recherche für das ISS Buch über die  NASA Historical Data Books gestolpert bin und es mir so gelungen ist die ISS Kosten zu berechnen, habe ich mich nun dran gemacht das beim Space Shuttle zu tun. Es war nicht einfach, auch weil die NASA mehrmals während der letzten vierzig Jahren ihre Einstufungen und Benennung der Programmposten änderte. Wer mal versucht hat, bei größeren Programmen bei der NASA die Kosten zu bestimmen, wird auch feststellen, dass diese variieren, je nach dem welche NASA Quelle man nimmt. Auch hier zeigt sich dies: 1998 enden die History Data Books und ich bin auch die jährlichen Budgetveröffentlichungen übergegangen, die auch die letzten Jahre wiedergeben und da gibt es schon Diskrepanzen zu den veröffentlichten Kosten. Die Problematik ist in einem Buch sogar selbst angesprochen, und für Apollo, Gemini und Skylab von der NASA veröffentlichte Summen übernommen ohne sie nachzurechnen.

Die Details findet man in diesem neuen Aufsatz. Hier nur eine kleine Erklärung zur Grafik. Das plötzliche Ende von Grafiken liegt daran das die NASA mehrmals die Einteilungen von Budgets änderte. Auch gab es sicher mehr Oberstufenentwicklungen/Konzepte, aber nur während einiger Jahre wurden diese Posten explizit ausgewiesen. Wichtig sind daher wohl die Gesamtsumme und die inflationskorrigierte Gesamtsumme. Als Korrektur habe ich die von Michael Griffin veröffentlichte NASA Tabelle verwendet. Sie ist normiert auf das Jahr 2000 mit Faktor 1. Korrigiert auf das Jahr 2010 wären die Summen noch 1,27 fach höher.

Demnach kostete das Shuttle Programm 126,8 Mrd. Dollar an realen Ausgaben, das sind rund 304 Milliarden Dollar im Wert von 2010. Jeder Flug kostete also in der Summe rund 2,26 Milliarden Dollar. Die Hochrechnung auf heutige Kaufkraft ist natürlich ein Instrument das bei fast jedem Projekt die Kosten enorm steigert. Wer die Grafik ansieht, sieht auch, dass bis 2000 das Shuttle Programm real in den Kosten sank durch Upgrades der Orbiterflotte. Leider hat Columbia dem einen Strich durch die Rechnung gemacht. Aber man kann das Shuttle Programm mit anderen bemannten Projekten vergleichen. Der Flug von Apollo 11 kostete 1969 rund 350 Millionen Dollar. Das sind 1740 Millionen Dollar im Wert von 2010. Das bedeutet, dass die NASA anstatt dem Space Shuttle Programm auch 175 Mondflüge durchführen können - mehr als vier pro Jahr.

Oder wenn es in den Erdorbit geht: Die Apollo-Sojus Mission kostete 1975 250 Millionen Dollar, das sind 864 Millionen Dollar im Wert von 2010. Die NASA hätte also 351 Apollo Flüge durchführen können - fast neun pro Jahr. Oder vielleicht eine Raumstation? Skylab kostete 2,6 Milliarden Dollar. Wenn man als Hauptfinanzierungsjahr 1972 annimmt, so sind das 11,1 Milliarden im Wert von 2010. Es wären somit also 27 Raumstationen vom Typ Skylab mit jeweils 3 Versorgungsflügen startbar - damit wären die USA wahrscheinlich fast ununterbrochen seit 1969 präsent im Weltraum gewesen.

Ganz übel wird es wenn man die Kosten auf die Nutzlast umlegt. Setzt man einen Shuttle Flug mit einem Start einer Atlas 551 gleich, so wäre die gleiche Nutzlast zu einem Zehntel der Startkosten in den Orbit zu befördern, unter Einbeziehung der Entwicklungskosten vielleicht einem Achtel. Und das bei einem System das mal antrat die Startkosten auf ein Zehntel zu reduzieren....

...


Sonntag 30.5.2010: Müßiggang

Seit der Fertigstellung des Manuskripts für die Europäischen Trägerraketen genieße ich es mal eine Zeitlang nichts zu arbeiten. Ich bin zwar seit September arbeitslos, aber gearbeitet habe ich seitdem immer. Vor allem an meinen Büchern, die ja nun mein neues Hobby geworden sind. Damit habe ich mich auch in der Freizeit der letzten Jahr ab Anfang 2008 beschäftigt. Nach nun sechs veröffentlichten Büchern, zwei Neuauflagen und zwei weitgehend fertigen Manuskripten, spüre ich so eine gewisse Sättigung.

Aber irgendwie habe ich zu gar nichts Lust. Die Steuererklärung ist halb angefangen. Ich wollte schon seit längerem meine Website über unser Ferienhaus um neue Bilder und Videos erweitern. Dann habe ich noch so viele Softwarebaustellen, vor allem mal mein Programm "Rakete" das ich irgendwann mal online stellen wollte, damit auch andere die Berechnungen nachvollziehen können. Eine Zeitlang habe ich mir auch überlegt ein Raumfahrtwiki zu erstellen. Ich hab mal eines installiert, aber schon nach dem Extrahieren eines Teiles eines Aufsatzes dämmerte mir, welcher Aufwand das ist. Selbst wenn ich einige Korrektoren gewinne (nicht jeder sollte mitschreiben können, sondern nur Leute die ich zumindest von Mails oder dem Blog kenne) bleibt genug Arbeit an mir hängen und die Zeit dafür habe ich nicht. Vielleicht sollte ich erst mal das was schon da ist gut machen oder zumindest fertig machen.

Es reicht immerhin zum Blog. Ab morgen werde ich mal mit etwas Chemie beginnen. Mit dem Themenschwerpunkt Lebensmittelchemie, aber wer eine Frage zu einem anderen Gebiet hat kann sie sie trotzdem stellen.

Immerhin denke ich weiß ich wie es beiden Büchern weitergeht. Das nächste Buch wird über Skylab sein. Da lese ich mich gerade ein und habe ein paar Seiten schon geschrieben. Schon fertig als Manuskript ist ein Buch über die ISS, mit (wie beim mir üblich) mit Hauptaugenmerk auf die Technik. Ich hatte ursprünglich ein kombiniertes ATV/ISS Buch vor,  habe aber dann davon Abstand genommen - es wären zwei Themengebiete gewesen und wahrscheinlich wäre jeder Käufer über eine Hälfte des Buchs enttäuscht gewesen. Das ermöglicht es mir es noch um die letzten Starts zu ergänzen und dann im November zu publizieren - sofern es nicht doch noch zu STS-135 kommt, das ist ja noch in der Schwebe.

Danach kommt ein Buch über Mercury. Als Abwechslung folgt danach eines über Lebensmittel - ihre Zusammensetzung, vor allem aber mit dem Hauptaugenmerk auf Zusatzstoffe und warum sie drin sind. Das "Was ist drin" Buch verkauft sich inzwischen am besten von allen, obwohl es auf dem Sektor jede Menge Bücher gibt und ich wahrscheinlich nicht so bekannt bin wie bei der Raumfahrt.

Was danach ist ist noch ein bisschen in der Schwebe. Themen die mir vorschweben sind Bücher über die Saturn Trägerraketen, die A-4 und Derivate, ein Raumsondenlexikon (wahrscheinlich mehrere Bände) und ein Buch über die Grundlagen der Raumfahrt. Darüber hinaus zeigt sich, schon dass die Pflege der vorhandenen Bücher viel Arbeit verschlingt: Die ersten vier Monate gingen für Neuauflagen des Gemini Programms und des ATV Buches drauf und auch das Raketenlexikon (US Träger) habe ich inzwischen um 30 Seiten Seiten erweitert. Aber ich denke das wars dann auch. Ein Buch macht viel mehr Arbeit als ein Aufsatz. Einen Aufsatz kann ich 2-4 Tagen schreiben, je nach Länge, am einem Buch arbeite ich dagegen etwa 2-3 Monate. Das Durchhaltevermögen habe ich nur wenn mich etwas interessiert und wenn ich denke, dass sich auch Leser dafür finden. Man kann sich auch irren, wie ich das beim ATV Buch feststellte. Arbeitet man sich näher ein, stellt man fest, dass das ATV zwar ein tolles Gefährt ist, aber man sicher die Versorgung auch mit einem weniger aufwendigen Frachter hätte durchführen können. Insbesondere wenn man auf Mithilfe von Raumfahrtagenturen und Firmen hofft und die einen zwar alles finanzieren, aber nichts wissen und die anderen nicht antworten. Damit ist auch ein für mich wichtiges Projekt gestorben: Ein Buch über deutsche Satelliten. Da geht es nicht ohne das DLR. Fragen ob es noch Material zu den Missionen aus der "Vor-Internet" Ära gibt, blieben unbeantwortet.

Ob dem weitere Bücher folgen? Schwer zu sagen. Ich glaube eher nicht. Doch alleine die schon jetzt vorgesehenen sind Arbeit für 1-2 Jahre. Derzeit aber genieße ich etwas freie Zeit....

Montag 31.5.2010: Großmacht Apple

Beim Auslandsjournal am letzten Donnerstag kam ein Beitrag über Apple und Steven Jobs, mit Hinweis auf einen längeren Beitrag im ZDF Info Kanal. Ich habe mir beide angeschaut. Hier ein Link zur ZDF Mediathek. In dem Beitrag geht im wesentlichen um zwei Dinge: Apple kontrolliert was auf ihren Geräten läuft und damit einher geht eine Bevormundung der Benutzer und eine Zensur. Apps gibt es nur über den Appstore. Hier sollen unliebsame Konkurrenten rausfliegen und Programme für Apple würden im Fachjargon "Doing the Iran-Version" genannt. Beim ipad gibt es dann Zensur bei den Inhalten. So läuft nicht nur kein Porno, sondern auch Bilder werden zensiert. So muss Bild ohne die Nakedies auskommen - die Stellen werden dann "geblitzt". Dagegen wenden sich dann Autoren und Kommunikationswissenschaftler während Verleger oder die bei Bild zuständige das ipad als eine Chance sehen neue Benutzergruppen anzusprechen und sich eben den Einschränkungen unterwerfen.

Ich verstehe ehrlich gesagt nicht was daran so bedrohlich sein soll. es ist auch nicht neu. Ein Rückblick auf die Geschichte: Apple wurde groß mit dem Apple II, konstruiert von Stephan Wotniak. Neben den Fähigkeiten des Computers waren zwei Dinge wichtig für den Erfolg: Er war durch Steckplätze für Karten erweiterbar und es war ein offenes System. Es war dokumentiert. Es gab bald eine Menge offizieller und nicht offizieller Nachbauten.

Steve Jobs wird ja als grandioser  Verkäufer gepriesen, aber damals machte er einen Riesenfehler, der Apple fast an den Ruin brachte. Er sah die Nachbauten als Konkurrenten an die Apple Marktanteile kosteten. Das war aber nicht der Fall. In den achtziger Jahren waren einige Nachbauten für die Hälfte zu haben. Trotzdem hätte sicher jeer der sich einen Original apple leisten konnte einen solchen gekauft. Dasselbe gab es auch bei IBM wo es ja ebenfalls "Clones" gab. Die Leute waren damals noch erheblich markenbeuwsster als heute. Aber es gab viele die isch keinen Apple leisten konnten, aber einen Nachbau. Damit vergrößerten diese die ijnstallierte Basis. Dies war wichtig für die Versorgung mit Zusaätzgeräten und Programnen.

Der Macintosh wurde aber deswegen zu einem geschlossnen Gerät, das man in der ersten Version auch nicht erweitern konnte. Er setzte auf eigene Standards und war dadurch teuer und es gab auch lange Zeit kaum Programme für ihn: Apple verlor Marktanteile, besonders als es neben der Konkurrenz IBM auch noch die Billigversionen Amiga und Atari ST kamen.

Jobs überwarf sich mit dem Management und schied aus. Seine Nachfolger konnten aber auch nichts verbessern und so war Apple fast pleite als Jobs zehn Jahre später zurückkehrte. Den Kurs den er einschlug und den seitdem verfolgt hat sich nicht geändert: Käufer gewinnen durch einzigartige Produkte und leichte Bedienung.

Es ging los mit schicken neuen Mac's, wie den IMacs oder diesem würfelförmigen Mac etwas später. Es folgte die Erweiterung des Geschäftes auf MP3 Spieler und den Verkauf von Musik (itunes). Danach das iphone und nun das ipad. Auch wenn inzwischen die Rechner Standardbauteile einsetzen, normale Bussysteme und vom PowerPC zu Intel gewechselt wurde - es sind immer noch eigene Architekturen mit eigenem Bios und einen Steckern. Wer einen Rechner von Apple kauft weiss dass er ein anderes System kauft als Windows.

Was die Dinge von Apple auszeichnet ist ein elegantes Design und pfiffige Lösungen - später macht sie jemand nach aber sie kommen als erstes drauf. Sei es der Botdosen Macimini oder die Bedienung des ipads. Das nun ein Gerät das nicht so recht Computer und nicht so recht ebook Reader ist, nur das Installieren von Apps über ein Apple Center zulässt finde ich nicht so schlimm. Ich will das Ding ja nicht als Computer nutzen. Und soweit ich weiss kann man bei anderen Smartphones auch nicht einfach eine anwendung installieren sondern ist da auch auf entsprechende Stores vom Hersteller angewiesen.

Ich finde das Szenario das hier ZDF aufbaut ziemlich übertrieben. Ich habe kein Apple Gerät - sie mögen schick sein, aber sie sind mir zu teuer.  Bei Computern bleibe ich bei Windows weil ich dort programmiere, da gibt es keine Alternative. Ich glaube es gibt andere Bedrohungen. Schlussendlich ist Apple nur ein Hersteller der eben bestimmt was auf seinen Geräten läuft und was nicht. Solange die Firma im einstelligen Prozentbereich bei den Verkaufszahlen ist (der Safari Browser hat beim Abruf meiner Website 4 % Marktanteil) ist das doch keine echte Marktbedrohung.

Ich halte Microsoft und Google für weitaus gefährliche Konkurrenten, weil sie anders als Apple eine beträchtliche Marktmacht haben.

Dienstag 1.6.2010: Die ominösen sp2 und sp3 Konfigurationen.

Da ich wahrscheinlich in meinen Aufsätzen noch ein paar mal mit Fachbegriffen um mich werfe, an dieser Stelle eine Erklärung von zweien. Fangen wir mal ganz elementar an. Elektronen halten sich nach den Atommodellen der Physiker in Orbitalen auf. Um Missverständnissen vorzubeugen: Das sind keine definierten Bahnen und sie haben keine Ähnlichkeit zu den Orbits von Planeten und Satelliten. Man kann sie dann noch nach den Energieniveaus in verschiedenen Schalen anordnen. Daher kommen die Buchstaben: Eine s-Schale ist besetzt mit zwei Elektronen. Es kommt dann die p-Schale mit sechs Elektronen. (Zur Vervollständigung: Es gibt noch die d-Schale mit 18 Elektronen und die f-Schale mit 32 Elektronen (Gesetzmäßigkeit: 2*n²)).

Wenn man in Büchern nachschaut, findet man dann Abbildungen dieser Schalen, wobei diese die Aufenthaltswahrscheinlichkeit angeben. Vereinfacht gesagt, den Raumbereich in dem sich ein Elektron am häufigsten aufhält. Eine s-Schale ist kugelförmig. Eine p-Schale hantelförmig. Jede Schale nimmt maximal zwei Elektronen auf. So gibt es drei p-Schalen die in den drei Raumachsen angeordnet sind (px, py und pz).

Wichtig ist: Für Bindungen stehen nur die äußeren Schalen zur Verfügung, die nicht vollständig besetzt sind. Alle anderen Schalen beteiligen sich nicht an chemischen Bindungen.

Kohlenstoff hat nach klassischen Atommodell eine vollbesetze s-Schale und zwei Elektronen in der p-Schale. Nach dem obigen müsste es also zwei Elektronen zur Bindung zur Verfügung stehen. Das bringt dem Kohlenstoff aber nichts, Jedes Element hat nur ein Streben. Es will in die Edelgaskonfiguration, das heißt es will so viele Elektronen in seiner Hülle haben wie ein Edelgas. Diese sind deswegen "edel" weil sie mit nichts und niemand reagieren. Warum auch? Ihre Elektronenschalen sind voll besetzt. Nun ist das für alle anderen Elemente ein Problem. Die Elemente die nur 1-2 Elektronen mehr als ein Edelgas haben, trennen sich bei Verbindungen von diesen um die Edelgaskonfiguration zu erreichen (das sind die Elemente ganz links im Periodensystem). Die Elemente die fast so viele Elektronen wie ein Edelgas haben, versuchen diese von anderen Elementen zu bekommen. Das sind die Elemente direkt links neben den Edelgasen. So trifft es sich gut wenn ein Element links und rechts der Edelgase zusammen kommen wie das Natrium und das Chlor. Das entstehende Natriumchlorid (Kochsalz) ist eine stabile Verbindung bei denen bei Partner glücklich sind.

Problematisch wird es bei den Elementen dazwischen. Sie haben zu viele Elektronen um sie leicht abzugeben oder aufzunehmen, weil sie sich dann sehr stark negativ oder positiv aufladen würde. Diese Elemente bevorzugen nun Bindungen zu anderen Elementen, bei denen sie sich die Elektronen teilen. Wenn zwei Orbitale von zwei Atomen zu einem verschmelzen (das ist dann eine chemische Bindung) und in jedem ein Elektron ist, dann sind dann zwei drin und es ist voll besetzt. Chemiker bezeichnen das Abgeben und Aufnehmen von Elektronen als Ionenbindung, weil Ionen (elektrisch aufgeladene Atome) dabei entstehen. Das Teilen von Elektronen bezeichnen wir als "kovalente Bindung".

So, zurück zum Kohlenstoff. Eine kovalente Bindung der beiden p-Elektronen nützt ihm nichts. Dann wäre zwar das px und py Orbit voll besetzt, aber das pz Orbital bliebe leer. Da es aber kein Elektron enthält, kann es auch keine Bindung aufbauen. Der Kohlenstoff löst das Problem indem er die s-Orbitale mit beteiligt und eine Mischung aus s und p Orbital bildet. Die sehen in der Grafik so aus wie Pilz.

Die Konfiguration sp3 ist eine aus einem s und den drei p-Orbitalen. Es entstehen vier Orbitale die vom Atomkern in die Ecken eines Tetraeders zeigen. Der Winkel zwischen jeder Bindung liegt bei 109,5°. Die sp2 Konfiguration ist eine aus einem s und zwei p-Orbitalen. Das letzte p-Orbital in der z-Achse beteiligt sich nicht daran. Die drei sp2 Orbitale liegen nun in einer Ebene mit einem Winkel von 120 Grad zwischen den Bindungen und das verbliebene p-Orbital senkrecht dazu.

Diese verschiedenen Konfigurationen haben nun Auswirkungen auf die chemische Bindung. Die sp3 Konfiguration ergibt vier gleich starke Bindungen mit einem Tetraeder als Elementarzelle. Diese Konfiguration hat der Diamant, aber auch Methan und ungesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe wie Methan, Butan, Pentan etc....

Die sp2 Konfiguration ergibt dagegen drei Bindungen in einer Ebene die recht stark sind. Dazu können die p-Orbitale eine weitere Bindung eingehen, die dann eine Doppelbindung einer Ebene ergibt. Das ist der Fall bei den Alkenen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen (Ethen, Benzol, etc,). Die Doppelbindung ist nicht doppelt so stark wie zwei Einzelbindungen. Die zweite Bindung ist relativ locker und daher sind diese Moleküle gerne bereit diese Bindung aufzugeben und einen Reaktionspartner zu addieren, wobei sie dann wieder sp3 Konfiguration erreichen. Zum Glück, denn sonst gäbe es eine Kunststoffe....

Beim Kohlenstoff liegt die sp2 Konfiguration im Graphit vor. Hier geht das pz Orbital keine Bindung ein. Die Elektronen spüren nur die Atomkerne oberhalb und unterhalb ihrer Orbitale und gehen eine lockere Bindung an, die darauf beruht, dass die Elektronen negativ geladen sind, die Atomkerne aber positiv. Es ist aber keine feste, die Elektronen umkreisen nicht die oberen und unteren Atome. Diese lockere Bindung, von Chemikern "Van der Waals" Kräfte oder auch Van der Waals-Bindung genannt ist weitaus weniger stark als die echten Bindungen der sp2 Orbitale. Die Folge ist: Graphit hat stabile Bindungen in einer Ebene, aber nur lockere zwischen den Ebenen. Damit kann man recht zwanglos erklären, warum man mit Bleistiften scheiben kann und mit Diamant nicht.

So, ich hoffe das war ausführlich genug, noch Fragen? Die fetten Begriffe möge man sich merken, sie sind gut für die Allgemeinbildung und ich verwende sie garantiert wieder.


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