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Am Center for Energy and Environmental Chemistry Jena entwickeln Wissenschaftler organische Solarzellen und organische Batterien
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Mit einem Chemie-Studium wird das Leben nie langweilig, denn einfachste und alltäglichste Sachverhalte lassen sich wieder völlig neu entdecken. Wenn die bestschmeckenden Rezepte plötzlich chemisch erklärbar werden, klar wird, warum ein Putzmittel besser funktioniert als ein anderes oder warum es nach dem Regen angenehm riecht, ist das ein beglückendes Gefühl. Und es scheint nie aufzuhören, nach sechs Jahren Studium und Promotion lerne ich immer noch täglich Neues dazu.
Mich fasziniert vor allem die Vielseitigkeit der Chemie, mit ihren vielen handwerklichen und geistigen Herausforderungen. Besonders spannend sind dabei die Momente, wenn ein präzise und umsichtig geplantes Experiment völlig andere und unerwartete Ergebnisse liefert. Die Ausbildung zum Chemiker hat mich sehr geprägt und hat mir einige Werkzeuge an die Hand gegeben, die mir heute von großem Nutzen sind: Analytisches Denken, Präzision und Zielstrebigkeit verbunden mit einem Gespür für die praktische Umsetzbarkeit von Ideen.
Als Kind habe ich immer sehr viele 'Warum?'-Fragen gestellt. Nachdem der Chemie-Unterricht in der Schule einige davon geklärt, aber noch mehr aufgeworfen hat, habe ich mich für das Chemie-Studium entschieden. Der Reiz der Chemie ist es, dass man mit ihr diese Fragen beantworten kann und die Welt immer mehr versteht. Außerdem finde ich es schön, im Studium praktisch zu arbeiten und denke inzwischen wissenschaftlicher als vorher.
Das Chemiestudium führt zu einem grundlegenden Perspektivwechsel auf die Welt, die uns tagtäglich umgibt. Von biologisch abbaubaren Kunststoffen über Batterien in Elektroautos bis hin zu nanoskaligen Quantenpunkten in Handydisplays gibt es kaum Gegenstände in unserem Leben, die ohne Chemie auskommen. Die Chemie erklärt unseren Alltag und zeigt in der Forschung, wie wir die Grenzen des Möglichen erweitern können.
Kurz gesagt: In beiden Fällen steckt die gleiche chemische Verbindung dahinter, und zwar das Polymer Polytetrafluorethylen (PTFE).
PTFE – besser bekannt unter dem Markennamen Teflon – ist ein Stoff, der aus mehreren Ketten von je etwa 100.000 Kohlenwasserstoffatomen besteht, wobei jedes mit zwei Fluoratomen verknüpft ist.
Teflon besitzt einige besondere Eigenschaften. So ist es zum Beispiel äußerst reaktionsträge: Selbst agressive Säuren können dem Stoff nichts anhaben. Denn die Verbindung zwischen den Kohlenstoff- und den Fluoratomen ist sehr stark. Damit sich die beiden aus ihrer Bindung trennen, müsste man Teflon auf über 360°C erhitzen. Außerdem ist Teflon nicht brennbar und besitzt aufgrund seines geringen Reibungskoeffizienten gute Gleiteigenschaften.
All das macht PTFE zu einem Hochleistungskunststoff – und perfekt für eine Anti-Haft-Beschichtung für die Bratpfanne. Gemüse und Fleisch bleiben also nicht am Pfannenboden kleben. Dass das PTFE aber trotzdem an der Pfanne haften bleibt, liegt an der Art und Weise, wie es auf die Pfanne aufgebracht wird: Die Beschichtung wird sozusagen eingebrannt und das PTFE hält in den winzigen Kratzern der Metalloberfläche der Pfanne durch mechanische Kräfte.
PTFE ist aber nicht nur für Pfannen ein idealer Werkstoff. Zum Einsatz kommt er in vielen anderen Bereichen, etwa in der Raumfahrt, als Dichtungsmaterial, für Implantate – und in der Textilindustrie.
Und da wären wir bei den Wanderschuhen: Wenn man PTFE reckt, das heißt, wenn man es mechanisch streckt, sortieren sich die Moleküle sozusagen von einem Knäuel zu parallel zueinander angeordneten Fasern. So entstehen ePTFE-Membranen (e steht für expanded) – auch unter dem Handelsnamen Gore-Tex-Membran bekannt. Eine Gore-Tex-Membran enthält Milliarden winziger Poren. Diese sind so klein, dass zwar keine Wassertropfen hindurchpassen, Wasserdampf hingegen schon. Jacken, Hosen und Schuhe, die mit einer solchen Membran beschichtet sind, sind also wasserdicht. Der Schweiß kann aber trotzdem entweichen.
Eine mit Teflon bzw. PTFE beschichtete Pfanne sollte man auf keinen Fall längere Zeit erhitzen, wenn sie leer ist. Denn ab etwa 360°C entstehen Fluorverbindungen und gesundheitsschädliche Dämpfe. Das Bundesamt für Risikobewertung sieht jedoch keine Gefahr, wenn man die Pfannen ordnungsgemäß verwendet, also nur dann stark erhitzt, wenn diese mit Lebensmitteln gefüllt sind. Gesundheitsschädlich ist also weniger die Verwendung von PTFE, sondern eher die Herstellung. Denn hierfür werden perfluorierte Hilfsstoffe eingesetzt. Das sind Chemikalien, die extrem langlebig sind und somit die Umwelt belasten.
Das kennt wahrscheinlich jeder: Man steht motiviert in der Küche, rührt die besten Zutaten für einen leckeren Kuchen zusammen, schiebt den Teig voller Vorfreude in den Ofen – und das Ergebnis ist: hart, trocken, bröselig, einfach absolut missraten.
Während sich kleine Missgeschicke beim Kochen durch etwas Improvisationstalent meistens wieder ausgleichen lassen, ist das beim Backen nicht so einfach möglich. Denn hinter jedem Rezept verbirgt sich eine ausgeklügelte Anleitung zu einer ganzen Symphonie von chemischen Reaktionen. Jede Zutat übernimmt dabei eine bestimmte Aufgabe und auch die Art und Weise, wie man die Zutaten verarbeitet, spielt eine wichtige Rolle.
Das Mehl bildet das Grundgerüst des Kuchens. Die im Weizenmehl – die am häufigsten verwendete Mehlsorte fürs Kuchenbacken – enthaltenen Proteine Gliadin und Glutenin sind über Wasserstoffbrücken an die Stärkemoleküle gebunden. Fügt man Wasser hinzu, brechen die Bindungen auf und die beiden Proteine bilden eine dreidimensionale Struktur: das Gluten.
Das Gluten-Netzwerk entsteht beim Rühren bzw. Kneten und beim Ruhen und sorgt dafür, dass der Teig klebrig und elastisch wird. Etwas Geduld beim Backen ist also von Vorteil! Zu langes Rühren und Kneten zerstört das Netzwerk jedoch, genauso wie das frühzeitige Öffnen der Backofentür. Denn erst beim Backen wird das Gluten-Netzwerk stabil. Doch ist das Netzwerk noch nicht vollständig ausgebildet und man öffnet die Backofentür, wird der Bau des Gerüsts durch die Abkühlung gestoppt – und der Kuchen fällt wieder zusammen.
Butter ist eine Emulsion aus Milchfett und Wasser. Bei etwa 33°C beginnt die Butter zu schmelzen und das Wasser entweicht als Wasserdampf. So vergrößert der Kuchen sein Volumen.
Fett ist außerdem hydrophob („wassermeidend“): Wenn man also Butter zum Mehl hinzufügt, hält das Fett die Flüssigkeit fern. Das Gluten-Netzwerk kann sich nicht so stark ausbilden und der Teig wird weniger klebrig. Bei Kuchen ist das ein durchaus gewollter Effekt, bei Brot hingegen nicht. Das enthält deswegen auch keine Butter und auch mehr Flüssigkeit als beispielsweise ein Rezept für einen klassischen Rührkuchen.
Beim Backen von Keksen ist es unter Umständen besser, kalte Butter aus dem Kühlschrank zu verwenden oder den Teig vor dem Backen zu kühlen. Denn dann setzt die Denaturierung der Proteine (siehe Abschnitt Eier) ein, bevor die Butter komplett geschmolzen ist. Der Teig fließt nicht so stark auseinander und die Kekse behalten ihre Form.
Eier sorgen dafür, dass der Kuchen gut zusammenhält und machen ihn gleichzeitig locker-luftig, wenn man sie vorher schaumig aufschlägt.
Eier bestehen aus Proteinen, Fett und Wasser. Die Proteine ändern beim Erhitzen ihre Molekülstruktur, sie denaturieren: Langkettige, verknäulte Moleküle entknäulen sich zu langen Strängen, die sich gut mit miteinander vernetzen können. Die Proteine gerinnen und werden fest.
Wenn man die Eier vor dem Backen mit dem Mixer oder mit der Hand aufschlägt, denaturieren die Proteine übrigens ebenfalls, nur nicht ganz so stark. Die durch das Aufschlagen entknäulten Proteinfäden bilden ein dreidimensionales Netzwerk, das die eingeschlagene Luft umschließt. Es entsteht eine schaumige Masse und die Luftbläschen sorgen dafür, dass der Teig aufgeht. Noch besser hält der Ei-Schaum – und übrigens auch Eischnee – mit Zucker. Denn der hygroskopische Zucker bindet die Feuchtigkeit und sorgt so für mehr Stabilität des Gerüsts aus Proteinen, Luft und Wasser.
Zucker sorgt natürlich für Geschmack – aber auch dafür, dass der Kuchen nicht zu trocken wird. Denn Zucker ist hygroskopisch, das heißt er bindet Wasser. Ab etwa 140°C setzt übrigens die Maillard-Reaktion ein. Protein- und Zuckermoleküle zersetzen sich und bilden ringförmigen Strukturen. Als Nebenprodukt entstehen dabei Melanoidine. Diese organischen Verbindungen sorgen für die braune Färbung und für Aroma. Ab etwa 180°C, also gegen Ende des Backvorgangs, brechen die Zuckermoleküle schließlich auseinander: Sie karamellisieren und es entsteht der leckere süßliche Geschmack.
Backpulver, eines der gängigsten Backtriebmittel, besteht vor allem aus Natriumhydrogencarbonat. Außerdem enthält es ein Säuerungsmittel und ein Trennmittel wie etwa Stärke. Beim Erhitzen reagiert Natriumhydrogencarbonat mit dem Säuerungsmittel und es entstehen Natriumcarbonat, Kohlenstoffdioxid und Wasser.
Die Gasbläschen sorgen für die fluffig-luftige Konsistenz des Kuchens. Die Reaktion beginnt übrigens, sobald der Säurebildner Kontakt mit Wasser hat, also sobald das Backpulver in den feuchten Teig gelangt. Das Trennmittel schützt etwas vor zu hoher Luftfeuchtigkeit und damit vor einem verfrühten Reaktionsstart. Deshalb sollte man das Backpulver immer erst zum Schluss zum Teig hinzufügen und dann den Kuchen sofort in den Ofen schieben.
Viel hilft übrigens in diesem Fall nicht viel: Wenn der Teig zu viel Backpulver enthält, entstehen beim Backen zu schnell zu große Bläschen, während das Gluten-Gerüst noch nicht fertig gebaut ist und diese großen Blasen nicht halten kann. Das Ergebnis: Der Kuchen fällt wieder zusammen.
Beim Backpulver ist die Säure also schon in der Tüte enthalten. Natron hingegen ist Natriumhydrogencarbonat ohne jegliche Zusätze. Wenn man Natron als Backtriebmittel verwendet, muss man daher dem Teig noch etwas Saures hinzufügen, damit die Reaktion starten und Kohlenstoffdioxid entstehen kann. Das kann zum Beispiel Zitronensäure sein oder auch Buttermilch.
Beim Zwiebelschneiden kann einem wirklich zum Heulen zumute sein. Dahinter steckt – mal wieder – Chemie: Sobald man eine Zwiebel anschneidet, verletzt man die Zellen der Zwiebel und es kommen Stoffe miteinander in Kontakt, die vorher in den Zellen räumlich getrennt voneinander vorlagen: Die schwefelhaltige Aminosäure Isoalliin reagiert mit dem Enzym Alliinase und es entsteht das reizende Propanthial-S-Oxid (oder Propanthialoxid).
Propanthial-S-Oxid steigt auf, reagiert wiederum mit dem Wasser in den Augen und es werden Propionaldehyd, Schwefelwasserstoff und Schwefelsäure freigesetzt. Das brennt und damit die Säure möglichst schnell wieder ausgewaschen wird, fangen die Tränen an zu fließen…
In der Natur schreckt die Zwiebel so natürliche Fressfeinde ab. In der Küche ist dieser Abwehrmechanismus aber ziemlich unangenehm. Im Internet und in Haushaltsratgebern kursieren deshalb eine Menge Tipps, um das Weinen zu unterdrücken. Viele davon sind aber entweder ziemlich unpraktisch oder zerstören das leckere Aroma der Zwiebel. Hilfreich ist auf jeden Fall ein scharfes Messer, da man so weniger Zellen zerstört – und das Kühlen der Zwiebel. Denn wenn man die Zwiebel vorher einige Zeit in den Kühlschrank legt, dann verlangsamt sich die Aktivität des Enzyms Alliin, so dass auch weniger von Propanthial-S-Oxid entstehen kann.
Das Geheimnis liegt in der fest verschlossenen Tube, die den Kleber vor Kontakt mit Luft und damit vor Luftfeuchtigkeit schützt. Denn erst in Verbindung mit Wasser härtet er aus.
Ein weiterer Grund ist das Material der Tube: Polyethylen ist ein Kunststoff, der fast völlig unpolar ist, also keinen getrennten Ladungsschwerpunkt besitzt. Die Moleküle des Sekundenklebers sind hingegen polar – ebenso wie die meisten Oberflächen. Diese ziehen sich somit durch elektromagnetische Kräfte an – Tube und Kleber aber nicht.
Kleber entfalten ihre Wirkung durch Kohäsions- und Adhäsionskräfte: Das heißt, das Klebematerial muss eine gute innere Festigkeit besitzen und er muss an anderen Materialien haften. Sekundenkleber zählen zu den sogenannten chemisch bindenden Klebstoffen. Sie bestehen aus Monomeren, wobei meist Ester der Cyanacrylsäure eingesetzt werden, sogenannte Cyanoacrylate.
Sobald ein Cyanoacylat mit Wasser in Berührung kommt – das in Form von Luftfeuchtigkeit reichhaltig in unserer Luft enthalten ist –, verbinden sich die Monomer-Bausteine zu einer polymeren Kette. Denn die im Wasser enthaltenen Hydroxid-Ionen sorgen dafür, dass sich das flüssige Monomer in einen harten, spröden Acylkunststoff verwandelt. Dieser kann somit zwei Oberflächen miteinander verkleben. Bereits geringe Mengen an Hydroxyd-Ionen reichen aus, um die chemische Reaktion in Gang zu setzen.
Das erklärt auch, weshalb Sekundenkleber so fies an den Händen klebt: Auf der feuchten, warmen Haut gibt es mehr als genug Hydroxid-Ionen, die die Polymerisation ordentlich beschleunigen. Die Kunststofffüllungen beim Zahnarzt funktionieren übrigens auf eine ähnliche Weise: Dort ist jedoch nicht Wasser als Reaktionspartner gefragt, sondern UV-Licht.
Eine andere Art von Klebstoffen sind physikalisch abbindende Klebstoffe, die zum Beispiel in den klassischen Klebestiften zum Einsatz kommen. Hier liegt der Klebstoff schon als Polymer vor. Die für die Klebewirkung verantwortlichen Verbindungen sind in einem Lösungsmittel gelöst, zum Beispiel Wasser oder Alkohole. Auf diese Weise erhält man eine flüssige oder pasten-artige Masse. Sobald man diese auf die Klebeflächen aufträgt, verdunstet das Lösungsmittel und die Polymere härten aus.
Spider-App – die kennt jeder und hat vermutlich auch jeder bereits einmal gehabt. Aber eigentlich erstaunlich, dass Displays von Tablets, Smartphones & Co nicht noch viel öfter zerkratzen und zerspringen, oder?
Gorilla Glass sei Dank! Gorilla-Glas, wie es eingedeutscht oft geschrieben wird, ist in Technik-Foren in aller Munde und vielleicht ist es auch in Ihrem Smartphone verbaut. Es ist dünn, leicht und deutlich bruchsicherer und kratzfester als herkömmliches Glas.
Dabei beschreibt der Begriff weniger einen Glastypen, sondern es ist der Handelsname für ein Glas der US-amerikanischen Firma Corning. Seit 2007 kommt Gorilla-Glas in zahlreichen elektronischen Geräten mit Touchscreen zum Einsatz. Aber auch andere Hersteller haben inzwischen ähnliche Produkte auf den Markt gebracht, wie etwa Xensation von Schott. Was genau aber macht diese Hightech-Gläser so stabil?
Chemisch gesehen steckt hinter diesen robusten Gläsern ein spezielles Alumosilikatglas, das durch ein Ionen-Austauschverfahren seine besonderen Eigenschaften erhält. Alumosilikatglas ist übrigens wiederum eine Abwandlung des Kalk-Natron-Silikatglases – dem „herkömmlichen Glas“, das beispielsweise für Trinkgläser, Flaschen oder Spiegel verwendet wird.
Alumosilikatglas besteht aus Silizium-, Aluminium- und Sauerstoffatomen, die in einem dreidimensionalen Gerüst angeordnet sind. In den Lücken des negativ geladenen Gerüstes befinden sich positiv geladene Natrium-Ionen. Um nun das moderne Hightech-Glas für Touchscreens zu erhalten, wird das Alumosilikatglas in ein etwa 400°C heißes Bad mit einer Kaliumsalzschmelze getaucht: Die ebenfalls positiv geladenen Kalium-Ionen wandern – angeregt durch die Hitze – in das Glas-Gerüst und verdrängen die Natrium-Ionen.
Kalium ist ebenso wie Natrium ein Alkalimetall. Der Unterschied dabei: Die Kalium-Ionen sind deutlich größer als die Natrium-Ionen und zwängen sich damit sozusagen in eigentlich viel zu kleine Lücken. Nach dem Abkühlen erhält man schließlich ein Glas mit veränderter chemischer Struktur und damit auch mit veränderten chemischen Eigenschaften: Das Glas ist kompakter, stabiler – und schützt damit das empfindliche Display davor, dass es zerkratzt oder bei kleinen Stürzen sofort zu Bruch geht.
An der Universität Jena gibt es verschiedene Studiengänge im Fach Chemie:
Chemie (Bachelor of Science):
Chemie (Lehramt Gymnasium):
Chemie (Lehramt Regelschule):
Chemie (Master of Science):
Chemie-Energie-Umwelt (Master of Science):
Chemische Biologie (Master of Science):
Chemistry of Materials (Master of Science):
Bereits vom ersten Semester an gehören Laborpraktika fest zum Studienplan dazu. Zwar sind die Praktika auch zeitaufwändig, doch so können Sie Ihr theoretisches Wissen aus Vorlesungen und Seminaren unmittelbar anwenden. Das Gute dabei: Es gibt keine Wartezeiten, um einen Praktikumsplatz zu bekommen und dank der engen Betreuung durch die Lehrenden gibt es immer jemanden, den Sie bei Fragen oder Problemen ansprechen können. Lehramts-Studierende studieren übrigens nach dem "Jenaer Modell". Neben dem Eingangspraktikum ermöglicht das Praxissemester im 5. oder 6. Semester einen frühzeitigen Einblick in die Schulpraxis.
Die chemischen Institute der Universität kooperieren eng mit verschiedenen außeruniversitären Forschungsinstituten und Unternehmen in und um Jena. Dazu gehören unter anderem das Leibniz-Institut für Photonische Technologien und das Max-Planck-Institut für Biogeochemie. So sind Sie immer nah dran an der aktuellen Forschung und Sie können frühzeitig Kontakte in die Praxis knüpfen.
Neben den Studieneinführungstagen gibt es Vorkurse sowie Mentoren, die Studienanfängerinnen und Studienanfängern während des ersten Semester begleiten.
Sie möchten gern ein oder zwei Semester im Ausland studieren? Kein Problem: Für Chemie-Studierende gibt es Austauschplätze an Partnerhochschulen in ganz Europa, zum Beispiel in Schweden, Italien, Polen und Frankreich.
Beim jünsgten CHE-Ranking von 2018 landete die Universität Jena im Fach Chemie gleich in mehreren Kategorien in der Spitzengruppe, zum Beispiel bei der Vermittlung fachwissenschaftlicher Kompetenzen, der Vermittlung methodischer Kompetenzen und der Studienorganisation.
Für Spaß und eine familiäre Atmosphäre abseits von Hörsaal und Labor sorgen der Fachschaftsrat Chemie und das JungChemikerForum Jena, die regelmäßig Veranstaltungen wie Kneipen- und Spieleabende sowie Exkursionen organisieren. Zur Jenaer Tradition gehören zudem der Chemikerball im Frühsommer und die Faschingsvorlesung im November.
Das Gute ist außerdem: Im Semesterbeitrag ist ein Semesterticket und ein Kulturticket enthalten. Damit können Sie kostenfrei den öffentlichen Nahverkehr in Jena, Regionalbusse im Tarifgebiet des Verkehrverbundes Mittelthüringen und die Regionalzüge in ganz Tühringen nutzen. Außerdem sind der Eintritt in die Jenaer Museen sowie zu Veranstaltungen der Jenaer Philharmonie und des Jenaer Theaterhauses inklusive.
Sie sind sich noch unsicher, ob Chemie das richtige Studienfach ist und Sie möchten sich gern einmal selbst einen Eindruck vor Ort machen? Dann probieren Sie unsere digitalen und analogen Schnupperangebote aus - wir freuen uns auf Sie!
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Jena = Ostdeutsche Provinz? Ja, geographisch gesehen liegt Jena im Osten Deutschlands. Und ja, eine Metropole wie Berlin oder Hamburg sind wir auch nicht.
Aber Jena ist eine typische Uni-Stadt: Lebendig, international, mit kurzen Wegen. Etwa ein Fünftel der 110.000 Einwohner sind Studierende, rund 14 Prozent von ihnen kommen aus dem Ausland. Deswegen ist immer etwas los. Außerdem ist nichts weit: Vom Hörsaal in den Park, ins nächstes Café oder auf einen der vielen Aussichtsberge sind es nur wenige Minuten zu Fuß oder mit dem Rad.
Jena ist außerdem Lichtstadt: Diesen Namen verdankt Jena seiner langen Tradition in der Optik- und Glasindustrie. Neben Optik und Photonik arbeiten die Jenaer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch noch an vielen anderen aktuellen Themen: zum Beispiel an der Erforschung von Infektionskrankheiten, an der Erforschung der mikrobiellen Kommunikation und ihrer molekularen und biochemischen Grundlagen sowie an der Erforschung des Klimawandels und seinen Folgen für die Biodiversität. Chemikerinnen und Chemiker sind dabei überall gefragte Fachleute! Und die hohe Dichte an Forschungseinrichtungen und High-Tech-Unternehmen machen Jena damit zu einem idealen Ort für Studium, Promotion und Karriere.
Mehr Infos zum Studierendenparadies Jena
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