Geschichte der Chemie
Die Chemie ist aus handwerklichen Wurzeln und aus der Alchemie entstanden. Ab etwa dem 18. Jahrhundert entwickelte sie sich zu einer exakten Wissenschaft, die ab dem 19. Jahrhundert begann, eine enorme Fülle von praktisch verwertbaren Ergebnissen zu liefern, die zur Errichtung einer gewaltigen chemischen Industrie führte.
Neben den praktischen Aspekten bemüht sich die Chemie seit ihren Anfängen, gemeinsam mit ihrer Schwesternwissenschaft, der Physik, das innere Wesen der Materie aufzuklären.
Die industrielle Anwendung der Chemie führte als Nebenprodukt zu immer größeren Umweltschäden, die etwa ab 1970 zum Entstehen einer Umweltbewegung führte, damit die chemische Industrie zu nachhaltigem Handeln ohne Umweltverschmutzung bewegt wird.
Heute ist die Chemie eine sehr differenzierte Wissenschaft, die in ihren zahlreichen Sparten unterschiedlichste Forschungsziele hat und und eine Vielzahl von Technologien zur Umwandlung von Stoffen jeder Art nutzt.
Die Wurzeln der Chemie
Die Geschichte der Chemie ist in ihren Wurzeln eng mit handwerklichen Tätigkeiten bereits in ältester zeit verbunden. So müssen Metallurgie, das Erschmelzen von Metallen wie Kupfer oder Eisen aus Erzen, Färberei, Bierbrauen und die Herstellung von Arzneien oder Pfeilgiften als Vorformen chemischen Handelns begriffen werden . Sie unterscheiden sich von heutigen Herstellungsverfahren der technischen Chemie nur dadurch, dass sie auf reiner Erfahrung beruhten ohne soliden theoretischen Unterbau.
Theorien entwickelte eine zweite Wurzel, die Alchemie, die in China, Europa und Indien schon seit Jahrtausenden praktiziert wurde. Die Theorien der Alchemisten ergaben sich nicht nur aus ihren experimentellen Erfahrungen, sondern auch aus Lehren der Astrologie und einem Weltverständnis, das man heute als esoterisch bezeichnen würde.
Ein bedeutender Alchemist war Albertus Magnus, der sich als Dominikanermönch mit seinen Theorien streng innerhalb der von der Kirche vorgegeben Grenzen bewegte. Er isolierte als erster das Element Arsen. Andere, die alte heidnische Vorstellungen mit ihren Experimenten verbanden, wurden im späten Mittelalter und der frühen Neuzeit oft der Hexerei angeklagt und zum Tode verurteilt. Durch diese Verfolgungen ist viel praktisches Wissen der Alchemie verloren gegangen.
Eine wesentliche Zielsetzung der Alchemie war das Auffinden des Steines der Weisen und des Lebenselixiers. Die Triebfeder dafür war der Glaube, dass man damit Blei in Gold verwandeln bzw. den Tod überwinden könne. Doch auch diese vorwissenschaftliche Methode trachtete danach, wie die Chemie heute, bestimmte Aspekte der Welt zu erklären.
Spektakuläre chemische Vorgänge bei denen es knallt, zischt, schäumt, farbige Flammen entstehen, Flüssigkeiten ihre Farbe ändern usw. Wurden als Auswuchs der Alchemie im 18. Jahrhundert gerne von Hochstaplern dazu verwendet, ihre Opfer zu beeindrucken. Mit dem Versprechen Gold zu machen, verbunden mit spektakulären Chemie-Shows, konnte beispielsweise Giacomo Casanova adeligen Damen viel Geld und Edelsteine aus der Tasche locken.
Die Anfänge einer systematischen praktischen Chemie
Metallurgie
im 16. Jahrhundert schrieb der sächsische Gelehrte Georgius Agricola sein zwölfbändiges Werk über Metallurige, die res metallica, dessen Band sieben für lange Zeit ein Standardwerk für das Analysieren und Prüfen von Metallen wurde. die res metallica stellt die erste umfassende, systematische Zusammenstellung des metallurgischen Wissens der frühen Neuzeit dar.
Arzneiherstellung
Besonders im Bereich der Arzneiherstellung wurden viele von den Apparaten und Verfahren entwickelt, die man teilweise bis heute in chemischen Laboratorien nutzt: Mörser zum Zerkleinern, Glaskolben, Retorten, Spatel, genaue Waagen, Destillationsapparate usw.
Um noch einmal zu erinnern,
Fetter TextEXNÄÄ STINKT!!!
Der Beginn des messenden Forschens und frühe Theorien
von Stahl bis Lavoisier
Eine der ersten Theorien, die im Bereich der Chemie aufgestellt wurde, ist die Phlogistontheorie der Verbrennung. Als ihr vater kann der Chemiker Georg Ernst Stahl zu Beginn des 18. Jahrhunderts gelten. Sie musste aufgegeben werden, als Antoine Laurent de Lavoisier mit seiner Frau Marie gegen Ende des 18. Jahrhunderts durch genaue Verfolgung von Verbrennungsprozessen durch Wägungen nachwies, dass die Theorie nicht stimmt. Er schuf statt dessen die Theorie der Oxidation.
Zu dieser Zeit führte die quantitave Verfolgung von Reaktionen zum Gesetz der konstanten Proportionen (Joseph-Louis Proust, 1794)
Von Dalton bis Mendelejew
Der englische Naturforscher John Dalton legte 1808 mit seinem Buch A new System of Chemical Philosophy den Grund für eine moderne Atomtheorie, die die damals neuesten quantitativen Befunde berücksichtigte.
1869 zeigte der russische Chemiker Dimitri Iwanowitsch Mendelejew, dass sich die Eigenschaften von Elementen periodisch wiederholen, wenn man sie nach steigender Atommasse anordnet. Mit seiner Theorie konnte er die Eigenschaften noch unbekannter Elemente korrekt vorhersagen.
Wöhler und die organische Chemie
Ursprünglich unterschied man zwei Arten von Chemie, die man für grundsätzlich verschieden hielt: Die anorganische Chemie, die sich mit chemischen Prozessen in der nicht lebenden Welt, also vor allem mit den Reaktionen von Mineralien und den daraus hergestellten Stoffen befasste. Im Gegensatz dazu stand die organische Chemie, die sich auf chemische Reaktionen in Lebewesen bezog. Man nahm an, dass zur Erzeugung von organischen Stoffen eine besondere Lebenskraft nötig sei. Diese Ansicht wurde durch ein Experiment von Friedrich Wöhler im Jahr 1828 widerlegt. Er stellte den bisher nur als Stoffwechelsprodukt von Tieren bekannten Harnstoff aus dem anorganischen Stoff Ammoniumcyanat her. Seither ist klar: Es gibt keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen der Chemie in Lebewesen und der Chemie in der nicht lebenden Welt.
Liebig und die Agrarchemie
Justus von Liebig, Professor für Chemie in Gießen und in München, war ein großer Praktiker. Unter anderem führte er die experimentelle Arbeit im Labor als verpflichtende Lehrveranstaltung für Chemiestudenten ein. Er gilt als Pionier der Agrarchemie und propagierte die Verwendung von Dünger, auch von mineralischem, künstlich hergestelltem Dünger in gezielter, bedarfsgerechter Form und Menge, um nachhaltig hohe landwirtschaftliche Erträge zu erreichen. Er erklärte seine Gedanken und deren Umsetzung nicht nur in wissenschaftlichen Journalen, sondern auch allgemein verständlich in "Liebigs Briefen zur Chemie".
Zur Erinnerung
EXNÄÄÄÄÄÄ STINKT!!!! harharhar
Die chemische Industrie bis zum 1. Weltkrieg
Farbenchemie
Mit der Synthetisierung von Alizarin 1869, dem bis dahin aus großflächig angebautem Färberkrapp gewonnenen roten Farbstoff, durch Carl Graebe und Carl Liebermann begann der Siegeszug synthetischer Farbstoffe und der Niedergang des Anbaues von Pflanzen zur Farbstoffgewinnung. Rotes Fuchsin, erstmals syntetisiert 1858, bildete die wirtschaftliche Basis für die späteren Farbwerke Hoechst AG. Als weiterer wichtiger synthetischer Farbstoff folgte unter anderem Indigo, synthetisiert 1878 von Adolf von Baeyer.
Bis zum ersten Weltkrieg war Deutschland führend in der Farbstoffchemie. Es verlor seine Vormachtstellung, da sich die Siegermächte, vor allem Frankreich, die bis dahin geheimgehaltenen Details der Herstellungsverfahren aneigneten und durch Handelsrestriktionen aufgrund des Friedensvertrages von Versailles.
In dieser Zeit war die Arzneimittelentwicklung eng mit den Farbstoffwerken verbunden und in Deutschland sehr erfolgreich. Ein Verkaufsschlager über viele Jahre war das von der Firma Hoechst seit 1910 vertriebene Salvarsan, entwickelt von Paul Ehrlich und Sahachiro Hata.
Elektrochemie
Mit der revolutionären Idee, chemische Elemente lägen in Lösung in Form von elektrisch geladenen Ionen vor, legte der englische Physiker und Chemiker Michael Faraday die Grundlage für die Elektrochemie und formulierte 1832 seine Theorie der Elektrolyse in seinen Faradayschen Gesetzen.
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden an vielen Stellen, wo Elektrizität durch billige Wasserkraft reichlich zur Verfügung stand, elektrochemische Werke errichtet. Ein Beispiel dafür ist die Wacker-Chemie im bayerischen Burghausen. Damit wurde die großtechnische Herstellung von Aluminium, Magnesium, Natrium, Kalium, Silizium, Chlor, Kalziumkarbid usw. ermöglicht, was zu weiteren Impulsen zur Errichtung von großen Chemiewerken führte.
Sprengstoffe und Düngemittel
Die großtechnische Einführung des Haber-Bosch-Verfahrens zur katalytischen Gewinnung von Ammoniak aus Luftstickstoff im Jahre 1910 hatte nicht nur eine große wirtschaftliche, sondern auch eine enorme strategische Bedeutung. Damit war die Herstellung der für die Produktion von Sprengstoffen, Düngemitteln und Farbstoffen unerlässlichen Salpetersäure in Deutschland möglich, ohne auf Salpeterimporte aus Übersee angewiesen zu sein.
Die Modifikation von Naturstoffen
Etwa seit Mitte des 19. Jahrhudnerts hatten Chemiker begonnen, Naturstoffe durch chemische Prozesse abzuwandeln, um so kostengünstige Werkstoffe als Ersatz für teure zu gewinnen. Vor allem wird Zellulose modifiziert: Es entsteht zunächst.Nitrozellulose, die in Form von Zelluloid Fischbein von Bartenwalen ersetzt und als Zellseide eine billige, wenn auch extrem feuergefährliche Alternative zu Naturseide bietet. Weitere Entwicklungen führen zu weniger gefährlichen Zelluloseprodukten, z.B. Viskose. 1897 wird aus Milcheiweiß als Ersatz für Horn der Stoff Galalith erzeugt.
Viele dieser Entwicklungen jener Zeit fanden in Deutschland statt.
Chemische Industrie seit dem 1. Weltkrieg
Nach dem Ersten Weltkrieg verlagerte sich der Schwerpunkt der industriellen chemischen Entwicklung aus Deutschland mehr nach Frankreich und in die USA.
Polymerchemie
Ein Pionier der Polymerchemie, von damaligen Chemikern oft geringschätzig als "Schmierenchemie" bezeichnet, ist Hermann Staudinger, der die theoretische Grundlage für diesen zweig legte. In den Dreißigerjahren des 20. Jahrhunderts wurden die ersten vollsynthetischen Kunststoffe entwickelt und in die industrielle Produktion gebracht: PVC, Polyvinylacetat, Nylon, Perlon und dazu Kautschukartige Massen (BUNA).
Den ganz großen Aufschwung erlebte die Herstellung und Verwendung von Polymeren (Kunststoffen) bald nach dem 2. Weltkrieg, als im Laufe der Jahre eine unübersehbare Vielfalt von Kunststoffen mit unterschiedlichsten Eigenschaften und für die unterschiedlichsten Anwendungen geschaffen wurden.
Synthetischer Treibstoff
Besonders das aufrüstende nationalsozialistische Deutschland hatte großes Interesse an synthetischem Motortreibstoff für seine Armee. Da Deutschland nur geringe Erdölvorkommen aufzuweisen hatte, hingegen riesige Mengen Kohle, wurde die Erzeugung von Motortreibstoff aus Steinkohle vorangetrieben. Das Ergebnis ist die Fischer-Tropsch-Synthese. Damit erlangt die Chemie am Vorabend eines weiteren Krieges wieder strategische Bedeutung, was auch auf den synthetischen Kautschuk zutrifft, der zunächst vor allem für Reifen von Militärfahrzeugen gebraucht wird.
Insektizide und Bakterizide
Ganz besondere Bedeutung nimmt der Kampf gegen krankheitsverursachende Mikroben und gegen Schädlinge an, da er sowohl die Landwirtschaft als auch die Medizin tiefgreifend und nachhaltig beeinflusst. Gerade auf diesem Gebiet betreibt die chemische Industrie einen enormen Aufwand in der Entwicklung, fährt aber auch die höchsten Gewinne ein.
Mit der Entwicklung und Produktion von DDT Dichlordiphenyltrichlorethan ab Anfang der 40-er Jahre träumte man von einer völligen Beseitigung der Malaria durch totale Ausrottung der sie übertragenden Mücken. Im Laufe der folgenden 20 bis 30 Jahre werden immer neue, noch speziellere Insektizide entwickelt und auf den Markt gebracht. Ab etwa 1970 kommt die Ernüchterung: Die Schädlinge entwickeln Resistenzen, die schwer abbaubaren Insektengifte reichern sich in der Nahrungskette an und bringen die Lebewesen am Ende der Kette wie Greifvögel in die Gefahr der Ausrottung. Neben der Umweltverschmutzung durch Chemiewerke sind die Nebenwirkungen der Insektizide und anderer Landwirtschaftschemikalien ein wesentlicher Grund für das Erstarken einer gegen die Anwendung von synthetischen Chemikalien gerichteten Umweltbewegung.
Mit den Sulfonamiden kommt aus den Laboratorien der Arzneimittelentwickler eine Gruppe von potenten Medikamenten gegen Bakterieninfektionen verschiedener Art. Der erste Vertreter dieser Gruppe war 1935 Prontosil, das ursprünglich als Textilfärbemittel verwendet wurde. Auch hier wird den Mitteln aus der Retorte mehr zugetraut, als sie schließlich halten können. Es sind zwar wirksame Medikamente, aber alles können auch sie nicht leisten, vor allem gegen Vireninfektionen sind sie wirkungslos.
Die Entwicklung chemischer Theorien
Das Massenwirkungsgesetz
Das Massenwirkungsgesetz, von Cato Maximilian Guldberg und Peter Waage im Jahr 1864 formuliert, beschreibt das Verhältnis von Ausgangsstoffen und von Produkten im chemischen Gleichgewicht. Die Anwendung dieser Gesetzmäßigkeit ermöglichte in vielen technisch genutzten Reaktionen eine bessere Ausnutzung des kostspieligeren Ausgangsstoffes durch Einsatz eines Überschusses des billigeren Ausgangsstoffes.
Chemische Kinetik
In der Kinetik werden die Gesetzmäßigkeiten behandelt, die sich mit der Geschwindigkeit von Reaktionen befassen. Dazu gehört auch das Studium der Wirkung von Katalysatoren, wofür, neben seinen Arbeiten zur Kinetik, Wilhelm Ostwald 1909 den Nobelpreis erhielt.
Bindungstheorien
Walter Kossel (1915) und Gilbert Newton Lewis (1916) formulierten ihre Oktettregel, wonach Atome anstreben, acht Außenelektronen zu erlangen. Bindungenzwischen Ionen wurden auf elektrostatische Anziehung zurückgeführt, Atommodelle flossen in Form von theoretischen Berechnungen von Bindungskräften usw. in die Bindungstheorien ein.
Atommodelle
Eng mit der Chemie verbunden ist die Entwicklung von Atommodellen, welches Sachgebiet streng genommen zur Physik zu rechnen ist. Neue Atommodelle haben jedoch stets der theoretischen Chemie neue Impulse gegeben.
So entwickelte sich aus der Quantenphysik eine eigene chemische Disziplin, die Quantenchemie, die 1927 mit Berechnungen am Wasserstoffatom durch Walter Heitler und Fritz London ihre ersten Schritte unternahm.
Heute sind die Modelle mathematisch so weit entwickelt, dass durch sehr komplexe Berechnungen am Computer die Eigenschaften von Verbindungen über die Verteilung der Elektronendichte sehr genau vorausgesagt werden können.
Die Entwicklung der Analysentechnik
Neue Erkenntnisse und neue Verfahren in der Chemie hängen stets mit Verbesserungen der Analystechnik zusammen. Darüber hinaus werden chemische Analyseverfahren etwa seit Mitte des 19. Jahrhunderts mehr und mehr in anderen Disziplinen von Wissenschaft und Technik eingesetzt. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wird chemische Analysentechnik routinemäßig zur Qualitätssicherung in zahlreichen Produktionsverfahren, auch solchen die nicht chemischer Natur sind, eingesetzt. Außerdem spielt die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung in Wissenschaften wie Geologie, Archäologie, Medizin, Biologie und vielen anderen eine bedeutende Rolle zum Erkenntnisgewinn.
Im Bereich der Verbrechensaufklärung begannen chemische Analysen in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts zum Nachweis von Vergiftungen eine Rolle zu spielen. Als Pionierleistung ist diesbezüglich die Marsh'sche Probe als Arsennachweis zu nennen.
Qualitative Analyse
Die qualitative Analyse soll die Frage beantworten: Was ist drin?. Solche Fragestellungen gibt es vor allem in der Erzverhüttung seit Anbeginn, und dort finden sich auch schon sehr früh Anfänge einer Analysentechnik unter der Bezeichnung "Probierkunst".
Lötrohranalysen
Das Lötrohr wurde seit dem 17. Jahrhundert zunehmend präziser verwendet, um mittels Flammenfärbung und Niederschlägen auf Holzkohle Mineralien zu identifizieren und ihren Metallgehalt abzuschätzen. Hochburg dieser der Metallurgie zuzuordnenden Analysentechnik war Freiberg (Sachsen) mit seinem reichen Erzbergbau.
Nasschemische Verfahren
Intensiv in Gang kamen nasschemische Verfahren im Laufe des 19. Jahrhunderts. Dabei werden die in der Probe enthaltenen Elemente durch systematisches Fällen im Kationentrenngang und durch geeignete Farbreaktionen nachgewiesen. Entsprechende Verfahren wurden für Anionen entwickelt. Die Verfahren konnten durch die Weiterentwicklung der Laborgeräte und durch immer reinere Reagenzien immer empfindlicher gemacht werden, sodass sowohl die Größe der notwendigen Probenmengen immer kleiner wurde, als auch die nachweisbare Konzentration weiter und weiter sank.
Bibliographie
- William H. Brock, Viewegs Geschichte der Chemie, Wiesbaden, 1997