Der Mensch und die Chemie

Der Mensch und die Chemie

OK, dann spendir mir wenigstens ein Bier




1. Der Mensch und die Chemie

Von den Anfängen der Chemie

Die Chemie ist eine Naturwissenschaft, die den Aufbau und die Eigenschaften von Stoffen untersucht und sich mit den Veränderungen der Stoffe beschäftigt. Weitere Anwendungen in der Chemie ist die Herstellung von neuen Stoffen und deren Anwendung. Schon die Menschen der Vorzeit konnten viele Erfahrungen über Stoffe sammeln, beispielsweise beim Räuchern und Rösten der Nahrung und der Töpferei (Feuer), bei der Gewinnung von Farbstoffen oder dem Gerben von Häuten und Fellen.

Seit frühester Zeit haben sich die Menschen auch gefragt, aus was die Dinge gemacht sind. Die Ideen haben sich langsam entwickelt und sind im Laufe der Jahrhunderte oft in die falsche Richtung gegangen. Zum Beispiel:

Der griechische Philosoph Demokrit (460-370 v. Chr.) und seine Anhänger glaubten, dass alles aus kleinsten Teilchen besteht, die sie Atome nannten und die zu klein seien, um sie zu sehen. Außerdem seien alle Atome im Inneren identisch, jedoch würden die Form und Größe der Atome den Dingen unterschiedliche Eigenschaften verleihen. Große runde Atomen schmeckten in ihrer Vorstellung süß, kleine spitze dagegen sauer. Glatte Atome waren weiß, gezackte schwarz. Atome konnten vier Farben haben: weiß, schwarz, rot und grün.

Bild 1. Ein Alchemist in seinem Laboratorium.

Plato (428-348 v. Chr.) und Aristoteles (384-270 v. Chr.) wollten dies nicht akzeptieren. Sie glaubten vielmehr, dass alles aus vier Elementen besteht: Erde, Luft, Feuer und Wasser. Diese Elemente waren in ihrer Vorstellung in unterschiedlichen Mengen miteinander vermischt, so bestand ein Stein aus sehr viel "Erde", aber nur aus wenig "Wasser". Wenn man ihn in immer kleinere Stücke bricht, wird jedes einzelne Stück immer noch die Eigenschaften des ursprünglichen Steins besitzen, egal wie weit man ihn zerkleinert.

Die Alchemisten glaubten ebenfalls, dass alles um uns herum aus nur wenigen Elementen besteht, nämlich aus Quecksilber, Schwefel und Salz. Sie glaubten, dass man ein unedles Metall wie Blei in Gold verwandeln kann - man müsse nur die richtige Menge Quecksilber hinzugeben. In einem Buch eines Alchemisten heißt es:

Viele behaupten, dass die Stoffe nicht umgewandelt werden können. Doch das ist falsch. Selbst der Koch sieht täglich, wie aus Wasser Luft wird, aus luftartigen Fetten Feuer, aus Holz Asche, aus Käse Würmer, aus diesen Fliegen und so weiter

Die Suche nach der richtigen Formel beschäftigte sie für mehrere Jahrhunderte und "ganz nebenbei" entdeckten sie viele wichtige chemische Stoffe, wie etwa die Schwefelsäure, die Salzsäure, die Salpetersäure und den Phosphor. Die frühen Versuche der Achemisten vom 5. bis 16. Jahrhundert trugen also maßgeblich zur Entstehung der Wissenschaft von der Chemie bei. Die Herkunft der Alchemie ist bis heute noch nicht 100%ig erforscht. Alchemisten hielten ihre Erkenntisse streng geheim, daher bedienten sie sich Zeichen, die andere nicht verstehen sollten. Einige Stoffbezeichnungen in der Chemie haben ihren Ursprung in der Alchemie, so gehen beispielsweise Namen wie »Höllenstein«, »Brechweinstein«, »Königswasser« auf sie zurück. Die Alchemisten waren auf der Suche nach dem »Stein der Weisen«, der nach ihrem Glauben nicht nur Gesundheit und ewige Jugend verleihen konnte, sondern auch zur Umwandlung von Stoffen dienen sollte. Nach Ansicht der Alchemisten sollte es möglich sein, unedle Metalle wie beispielsweise Eisen in wertvollere Metalle wie Kupfer oder Gold zu verwandeln.

 
Die Chemie beschäftigt sich mit dem Aufbau, den Eigenschaften und Veränderungen der Stoffe
 
Alchemie ist eine alte Kunst, Stoffe umzuwandeln. Alchemisten hielten ihre Erkenntnisse oft geheim
 
Heute ist die Chemie ist experimentelle Wissenschaft, bei der physikalische Meßverfahren von großer Bedeutung sind

Viele Geräte der Alchemisten (Bild 1) gibt es in leicht veränderten Formen und aus anderem Material auch heute noch. Viele Arbeitsmethoden und die Kenntnis von Stoffen wie beispielsweise Heilstoffe oder Gifte, gehen auf die Alchemisten zurück.

 
Tauche einen blanken Eisennagel in eine Lösung von Kupfersulfat und ziehe ihn nach der Chemiestunde wieder heraus. Man erkennt, dass der Nagel verkupfert wurde und dass sich die Kupferschicht recht leicht abreiben läßt.

Der Beginn der modernen Chemie

Im Jahre 1661 lieferte der Engländer Robert Boyle eine Definition der Elemente, die wir heute noch benutzen, wenn wir diesen Begriff erklären wollen: ein Element ist eine Substanz, die nicht weiter in einfachere Substanzen zerlegt werden kann. In den folgenden Jahrhunderten wurden viele Elemente entdeckt, beispielsweise erkannte man, dass Luft ein Gemisch aus mehreren Elementen ist, aber Salz aus nur zwei Elementen besteht. Man entdeckte auch, dass sich Elemente immer in festgelegen Massenverhältnissen miteinander verbinden.

 
Bei Versuch 1 kann man nicht von einer Umwandlung des Eisens in Kupfer sprechen. Warum nicht?
 
Erwärme Ammoniumdichromat und beobachte, wie es sich verändert.

Der englische Chemiker John Dalton erklärte diese Beobachtung Anfang des 19. Jahrhunderts damit, dass die Elemente in der Tat unteilbare Teilchen waren. Wie Demokrit nannte er sie Atome. Er behauptete, die Atome eines Elements können sich mit den Atomen eines anderen Elements in einem festen Verhältnis miteinander verbinden. Seine Idee wurde von anderen Forschern schnell aufgegriffen, da man mit ihr viele bis dahin rätselhafte Erscheinungen in der Natur erklären konnte.

Aber noch konnte niemand beweisen, dass die Materie aus einzelnen Teilchen besteht, sie waren ja zu klein, um sie zu sehen. Doch im Jahre 1827 machte der schottische Botaniker Robert Brown die Beobachtung, dass sich Pollenkörner auf der Oberfläche eines Wassertropfens hin und her bewegen. Mit etwas mußten sie offensichtlich zusammenstoßen, das sie in Bewegung versetzte. Es konnten nur die unsichtbaren Teilchen des Wassers sein!

Und so war die Existenz von kleinsten Teilchen in der Materie erwiesen. Die unregelmäßige Bewegung der Pollen kennt man heute als Brownsche Bewegung.

Die Arbeitsweise der Chemie heute

 
Stelle eine brennende Kerze in einen Standzylinder. Halte dann einen Standzylinder mit Kohlenstoffdioxid darüber, wie es Bild 2 links veranschaulicht.
Ablauf von Versuch 4
Bild 2. Veranschaulichung von Versuch 4

Im 18. Jahrhundert wandelte sich die Alchemie langsam zur wissenschaftlichen Chemie. Man hatte erkannt, dass das Experiment der einzige, zuverlässige Beweis bei Streitigkeiten über die Geschehnisse in der Natur war. Daher nennt man die Chemie heute eine experimentelle Wissenschaft, denn in ihren Experimenten sammeln Chemiker Erfahrungen über Naturerscheinungen. Diese werden miteinander verglichen, wobei Chemiker dann eine Vorstellung davon bekommen, wie die Beobachtungen, die man im Verlauf des Experiments machte, zu erklären sind. Die Erklärungen, die Chemiker dann auf der Grundlage des Experiments aussprechen, müssen dann durch weiter Experimente bestägt werden. Erst durch eine Bestätigung der Versuchsergebnisse erlangt eine aufgestellte Behauptung auch Gültigkeit.

In diesem Video wird, wie bei Versuch 4, die Kerzenflamme mit Kohlenstoffdioxid gelöscht

Im Chemieunterricht hat das Experiment eine zentrale Bedeutung. In Versuch Versuch 4 und mit der Aufgabe Versuch 5 versuchen wir, eine Erscheinung mit unserer Beobachtung zu erklären. Physikalische Meßverfahren spielen heute in der Forschung eine große Rolle und mit der Entwicklung genauester Methoden gewann man nach und nach immer mehr Einblick in die Gesetzmäßigkeiten der Stoffwelt. So konnte man zielgenau neue Stoffe herstellen, ihre Eigenschaften erklären und neue Anwendungsmöglichkeiten finden. Im Laufe der Zeit entstand die technische Chemie, eine Wissenschaft, die die heutige Zeit besonders beeinflußt und deren Produkte unser Leben in besonderem Maße prägt.

 
Versuche die Eigenschaften des Kohlenstoffdioxids aufgrund von Versuch Versuch 4 zu beschreiben
 
Die Chemie heute hat großen Einfluß auf nahezu alle Bereiche des menschlichen Lebens
Bevölkerungsexplosion:
In dieser Minute leben
 
Menschen auf unserem Planeten.

Die Bedeutung der Chemie in unserer Zeit

Die letzten Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts waren durch ein rapides Anwachsen der Erdbevölkerung gekennzeichnet; das Schlagwort von der »Bevölkerungsexplosion« hat seine Berechtigung. Und auch im neuen Jahrtausend scheint eine Verlangsamung des Bevölkerungszuwachses nicht in Sicht. Damit ist eine Fülle von ernsten Problemen verbunden, bei deren Lösung die Chemie einen wesentlichen Beitrag leistet. Dies gilt vor allem für die Bereiche Ernährung, Gesundheit, Bekleidung, Werkstoffe, Energieversorgung und Umweltschutz.

Entwicklung der durchschnittlichen Ernteerträge bei Weizen und Kartoffeln in Deutschland
  Erträge in 100kg / ha
Weizen Kartoffeln
1870 12 70
1900 19 130
1930 21 160
1960 34 250
z.Zt. mögliche Spitzenerträge 70 - 80 ~ 500