1.

Einleitung

Chemie, im allgemeinen Sinn die Wissenschaft, die sich u. a. mit der Zusammensetzung, den Eigenschaften, dem Aufbau sowie der Herstellung von Stoffen beschäftigt. Ausgewählte Schwerpunkte der Chemie sind z. B. die Reaktionen und Umwandlungen von chemischen Elementen sowie ihrer Verbindungen. In diesem Zusammenhang untersucht man beispielsweise die Wechselwirkungen zwischen den Stoffen sowie die Einflüsse von Energie auf Stoffsysteme. Grundlage chemischer Reaktionen sind die Aufnahme, Abgabe und Verteilung von Elektronen zwischen Atomen und Atomverbänden bzw. Molekülen.

Klassisch teilte man die Chemie in anorganische und organische Chemie auf. Insbesondere die Erkenntnisse im 19. Jahrhundert führten dazu, diese (veraltete) Teilung aufzugeben und weiter zu spezifizieren. Nach heutiger Sicht lässt sich die Chemie in eine große Vielzahl von Teildisziplinen einteilen, wobei zahlreiche Überschneidungen zwischen den Bereichen existieren. Neben anorganischer und organischer Chemie sind ausgewählte Beispiele: Analytische Chemie, Biochemie, Elektrochemie, Kolloidchemie, Lebensmittelchemie, makromolekulare Chemie (siehe Polymere; Kunststoffe), pharmazeutische Chemie (siehe Pharmazie), physikalische Chemie, technische Chemie und theoretische Chemie.

Folgende Kapitel sollen die Geschichte der Chemie in groben Zügen wiedergeben.

2.

Frühe Zeugnisse

Zu den ältesten Fertigkeiten der Menschheit, die in gewisser Weise „chemische Grundkenntnisse” erfordern, zählt wahrscheinlich die Herstellung von Farbstoffen und Pigmenten (meist eisen- und manganhaltige Oxide; paläolithische Kunst). Die ältesten bisher bekannten Höhlenmalereien werden auf rund 32000 v. Chr. datiert (Altsteinzeit). Verschiedenen Untersuchungen zufolge (Verfahren zur Altersbestimmung) nutzte man zur Herstellung dieser Farbstoffe und Farbpigmente Holzkohle.

Eine ebenfalls „alte Technik” ist die Töpferkunst, also die Erzeugung und Verarbeitung von Tonmineralien (siehe Keramik). Die ältesten bisher gefundenen Tonscherben entstanden während der Jungsteinzeit (etwa 6000 v. Chr.).

Die ersten Metalle, die der Mensch zu bearbeiten wusste, waren Kupfer, Gold und Silber. Der Grund hierfür erscheint offensichtlich, weil diese Metalle in der Natur zum Teil in gediegenem Zustand, also in elementarer Form vorkommen. (In Fachkreisen wird die Verarbeitung von Kupfer als ältestes Metallhandwerk angesehen.) Die ältesten bisher bekannten Metallarbeiten stammen u. a. aus Mesopotamien, dem alten Ägypten und China (siehe Ägypten: Geschichte; China: Geschichte). Zwar erforderte die eigentliche Metallverarbeitung nicht unbedingt „chemisches Verständnis”, aber es sollte nicht lange dauern bis die Menschen herausgefunden hatten, wie man metallische Erze (hauptsächlich Metalloxide und -sulfide) mit Holz oder Holzkohle schmilzt, um daraus die jeweiligen Metalle zu gewinnen. Auf diesem Wege war (wenn auch viel später) ein weiterer Werkstoff zugänglich geworden: das Eisen. Wann die Entdeckung der Eisenherstellung tatsächlich stattfand lässt sich historisch nicht mehr genau nachvollziehen (siehe Eisen und Stahl). Die ältesten Gegenstände aus Eisen stammen u. a. aus Ägypten (etwa 4000 v. Chr.) und Anatolien (etwa 3500 v. Chr.).

Auf Grund verschiedener archäologischer Funde gehen Experten davon aus, dass die Gewinnung von Glas um 3000 v. Chr. in Ägypten bekannt war. Auch die Sumerer sollen nach Expertenvermutung bereits 3000 v. Chr. die Herstellung von Glas gekannt haben. Diese Annahme wird jedoch sehr kontrovers diskutiert; gesichert sind lediglich verschiedene Funde, die auf 1700 bis 1600 v. Chr. datiert wurden.

Die Verwendung von Indigo zum Färben und Verzieren von Gewändern beherrschte man beispielsweise im alten Ägypten, in Indien und auch in Mexiko. Um den blauen Farbstoff für den eigentlichen Färbeprozess vorzubereiten, musste das aus dem Indigostrauch gewonnene Extrakt chemisch behandelt werden. Diese Reaktion bezeichnet man als Verküpung. Dabei handelt es sich um eine Reduktion des Indigos, der sich dadurch praktisch in eine wasserlösliche Form überführen lässt. Erst mit der so genannten Indigoküpe gelingt letztendlich die Färbung.

Auf diesen in erster Linie durch Erfahrung gesammelten Kenntnisse konnten viel später die Griechen und Römer aufbauen. Natürlich erweiterten auch sie den Erfahrungsschatz über die Stoffe. Die ersten theoretischen Überlegungen, insbesondere über die Bestandteile der Stoffe, stammen von den Griechen.

3.

Griechische Naturphilosophie

In der Zeit von Thales, etwa 600 v. Chr., entwickelten griechische Philosophen Gedanken über die physikalische Welt. Sie basierten eher auf logischen Erklärungen als auf Mythen. Thales selbst nahm an, sämtliche Materie sei vom Wasser abgeleitet. Seine Nachfolger entwickelten diese Theorie bis zu der Vorstellung weiter, dass die Welt aus vier Elementen zusammengesetzt ist: Erde, Wasser, Luft und Feuer. Nach Demokrit bestehen diese Elemente aus Atomen, also aus winzigen Teilchen, die sich im Vakuum bewegen. Andere, von denen besonders Aristoteles zu erwähnen ist, vertraten die Ansicht, die Elemente bildeten ein Massenkontinuum, und es könne somit kein Vakuum existieren (Kontinuum = lückenloser Zusammenhang). Die Atomtheorie verlor damit bei den Griechen an Bedeutung. Erst sehr viel später während der Renaissance kam diese Vorstellung wieder auf und bildete die Grundlage für die moderne Atomtheorie.

Aristoteles zählt zu den einflussreichsten griechischen Philosophen. Seine Ansichten bestimmten die Naturphilosophie fast zwei Jahrtausende über seinen Tod im Jahr 323 v. Chr. hinaus. Er glaubte, die Natur bestehe aus vier Grundeigenschaften: Wärme, Kälte, Feuchtigkeit, Trockenheit. Die vier oben angeführten Elemente wären dann jeweils aus Paaren dieser Eigenschaften zusammengesetzt. Feuer z. B. sei heiß und trocken, Wasser kalt und feucht, Luft sei heiß und feucht und Erde kalt und trocken. Die mannigfaltigen Strukturen auf der Erde würden aus verschiedenen Anteilen der Elemente mit ihren Eigenschaften gebildet. Da es möglich sei, die Anteile der einzelnen Eigenschaften in einem Element zu verändern, könnten die Elemente ineinander umgewandelt werden. So kam die Vorstellung auf, dass materielle Substanzen, die ja aus den Elementen bestehen, umgewandelt werden könnten – aus Blei könnte beispielsweise Gold hergestellt werden.

4.

Alchimie: Entwicklung und Niedergang

Die Theorien des Aristoteles verbreiteten sich relativ schnell. Besonders in Alexandria, dem geistigen Zentrum der Alten Welt, fanden seine Überlegungen großen Anklang unter den Gelehrten (etwa 300 v. Chr.). Die in der Erde vorkommenden Metalle, so die Vorstellung, strebten nach Vollkommenheit und würden auf diese Weise allmählich in Gold umgewandelt. Man glaubte an die Möglichkeit, in den Werkstätten diesen Prozess wesentlich schneller nachvollziehen und somit mindere Metalle in Gold verwandeln zu können. Diese Vorstellung herrschte ungefähr seit 100 n. Chr. vor. In unzähligen Abhandlungen wurde die Kunst der Transmutation beschrieben, die man später als Alchimie bezeichnete; abgeleitet von dem arabischen Begriff ch’mi: schwarz. Obwohl es niemandem gelang, Gold herzustellen, so wurden doch bei der Suche nach der Vervollkommnung der Metalle neue chemische Verfahren entwickelt.

Etwa zur gleichen Zeit und wahrscheinlich unabhängig davon entwickelte sich in China die Alchimie auf ähnliche Weise. Man versuchte hier, ebenfalls Gold herzustellen, wenn auch nicht wegen seines Geldwertes. Die Chinesen glaubten an eine medizinische Wirkung von Gold. Jedem, der es einnimmt, würde ein langes Leben oder sogar die Unsterblichkeit zuteil.

1.

Verbreitung des griechischen Denkens

Nach dem Untergang des Römischen Reiches fanden die griechischen Abhandlungen in Westeuropa nicht mehr so großen Anklang und gerieten für längere Zeit in Vergessenheit. Etwa im 6. Jahrhundert verbreitete sich in Kleinasien eine Sekte des Christentums, die Nestorianerkirche. Ihre Anhänger sprachen Syrisch (siehe Aramäisch) und gründeten in Edessa eine Universität. Die Nestorianer übersetzten viele der philosophischen und medizinischen Schriften der Griechen ins Syrische. Diese sollten unter den Gelehrten Verbreitung finden.

Im 7. und 8. Jahrhundert hielt mit den maurischen Eroberern die arabische Kultur in weiten Gebieten Kleinasiens, Nordafrikas und Spaniens Einzug. Die Kalifen von Bagdad (siehe Kalifat) wurden großzügige Förderer von Wissenschaft und Lehre. Die syrischen Übersetzungen der griechischen Texte wurden abermals übertragen, diesmal ins Arabische. Zusammen mit der verbliebenen griechischen Lehre wurden die Ideen und die praktische Umsetzung der Alchimie zu neuer Blüte gebracht.

Durch Kontakte der arabischen Alchimisten zu China kam es zu einem Austausch der Ideen: über die vermeintlich heilende Wirkung des Goldes einerseits und die griechische Auffassung von Gold als vollendetem Metall andererseits. Man glaubte an die Kraft eines besonderen Mittels, des Steines der Weisen. Mit ihm erhoffte man, die Umwandlung zu erreichen. Die Suche nach dem Stein der Weisen rückte in den Mittelpunkt der Alchimie. Neben dem Wohlstand verhieß der Stein auch noch Gesundheit. Für die Alchimisten war das ein zusätzlicher Anreiz, chemische Prozesse zu untersuchen. Das Studium von Chemikalien und Geräten brachte beständigen Fortschritt. Reagenzien wie die Ätzalkalien (siehe Alkalimetalle) und Ammoniumsalze (siehe Ammoniak) wurden entdeckt, und die Destillationsapparatur wurde ständig weiterentwickelt. Bei einigen arabischen Rezepturen fand man Vorschriften, welche Mengen an Reagenzien eingesetzt werden sollten – eine frühe Erkenntnis, dass mehr quantitative Methoden notwendig waren. Berühmte Werke aus dieser Zeit schrieben z. B. Abu Musar Dschabir Ibn Hajjan (latinisiert: Geber), Al-Razi und Abu Ali Ibn Sina (latinisiert: Avicenna).

2.

Das späte Mittelalter

Im 11. Jahrhundert begann in Westeuropa ein großer geistiger Aufschwung, der teilweise durch den kulturellen Austausch zwischen arabischen und westlichen Gelehrten in Sizilien und Spanien angeregt wurde. Übersetzerschulen entstanden. So verbreitete sich das griechische Wissen, vermittelt über die syrische und arabische Sprache. Am begehrtesten waren verständlicherweise die Abhandlungen über Alchimie.

Es gab zwei Arten von Schriften: Die einen waren rein praktischer Natur, die anderen versuchten, Theorien über Naturgesetze auf alchimistische Probleme zu beziehen. Zu den praktischen Themen gehörte die Destillation. Da die Glasherstellung (besonders in Venedig) inzwischen weiter fortgeschritten war, konnte man weitaus bessere Destillationsapparaturen als die Araber bauen und damit auch flüchtigere Destillationsprodukte erfassen. Auf diesem Wege wurden u. a. Alkohol und die Mineralsäuren Salpetersäure, Schwefelsäure und Salzsäure (siehe Chlorwasserstoff) isoliert. Königswasser zählte ebenfalls zu den neuen Entdeckungen. Diese Mischung aus einem Teil Salpetersäure und drei Teilen Salzsäure vermochte sogar Gold, den König der Metalle, aufzulösen. Auch die Kunde von den Entwicklungen der Chinesen (Nitrate, Schießpulverherstellung) drang über arabische Gelehrte nach Europa. In China wurde Schießpulver u. a. für Feuerwerkskörper verwendet. Nach dem Bekanntwerden in Europa – u. a. durch einen gewissen Bertholdus Niger (Berthold der Schwarze) – dauerte es nicht lange, bis man dieses „Schwarzpulver” für Waffen einsetzte. Gegen Ende des 13. Jahrhunderts gab es in Europa beachtliche chemische Technologien.

Unter den alchimistischen Schriften, die aus Arabien kamen, befanden sich auch rein theoretische Manuskripte. Viele davon waren mystisch verklärt und trugen wenig zur Entwicklung der Chemie bei. Andere wiederum versuchten, die Transmutation vom physikalischen Standpunkt her zu erklären. Die Materietheorien der arabischen Gelehrten beruhten auf den Theorien des Aristoteles. Ihre Gedankengänge waren aber präziser, besonders ihre Vorstellungen bezüglich der Zusammensetzungen der Metalle. Sie glaubten, Metalle bestünden aus Schwefel und Quecksilber. Nicht die bekannten Stoffe, sondern das „Prinzip” des Quecksilbers war es, das den Metallen Fließvermögen verleiht. Das „Prinzip” des Schwefels verursacht die Brennbarkeit der Stoffe und die Korrosion der Metalle. Chemische Reaktionen erklärte man dahin gehend, dass sich die Anteile der Prinzipien bei Stoffumwandlungen verändern.

3.

Die Renaissance

Im 14. und 15. Jahrhundert nahm der Einfluss von Aristoteles auf alle Sphären der Wissenschaft ab. Beim genauen Beobachten des Verhaltens der Materie entstanden Zweifel an den relativ einfachen Erklärungen von Aristoteles. Die Erfindung des Buchdruckes mit beweglichen Lettern um 1450 trug dann zur schnellen Verbreitung dieser Zweifel bei (siehe Drucktechniken). Nach 1500 erschienen weitere zahlreiche alchimistische Arbeiten und Abhandlungen über Technologie. Das Ergebnis dieses verbesserten Wissensstandes trat dann im 16. Jahrhundert zutage.

3.1.

Die Entwicklung quantitativer Methoden

Zu den einflussreichsten Büchern der damaligen Zeit gehörten praktische Werke über Bergbau und Metallurgie. In diesen Abhandlungen wurde den Prüfungen der Erze auf ihren verwertbaren Metallgehalt viel Platz eingeräumt. Für derartige Arbeiten brauchte man eine Laborwaage und quantitative Methoden (siehe chemische Analyse). In diesem Zusammenhang sei die Abhandlung De Re Metallica von Georgius Agricola genannt, das erst nach seinem Tod veröffentlicht wurde (1556) und fast 200 Jahre als Standardwerk galt.

Auch auf anderen Gebieten, besonders in der Medizin, wurde man sich der Notwendigkeit einer höheren Genauigkeit bewusst. Die Ärzte, von denen auch einige zu den Alchimisten gehörten, mussten die exakte Masse oder das Volumen der verordneten Medikamente kennen. Zur Bereitung von Arzneien griffen sie deshalb auf chemische Methoden zurück.

Die bekannten Methoden wurden von dem Schweizer Arzt Paracelsus zusammengefasst und wirksam weiterentwickelt. Paracelcus war in einer Bergbauregion aufgewachsen und mit den Eigenschaften der Metalle und ihrer Verbindungen vertraut. Er glaubte nicht an die Wirkung von Kräutermischungen, die von herkömmlichen Ärzten verschrieben wurden, sondern maß den chemischen Verbindungen eine höhere Bedeutung bei. Den größten Teil seines Lebens lag er in heftigem Streit mit den Medizinern seiner Zeit. Im Lauf der Zeit baute er die Iatrochemie auf (Verwendung chemisch hergestellter Arzneimittel). Diese Wissenschaft gilt als Vorläufer der Pharmakologie.

Paracelsus und seine Nachfolger entwickelten viele neue Verbindungen und chemische Reaktionen. Er modifizierte die alte Schwefel-Quecksilber-Theorie von der Zusammensetzung der Metalle, indem er noch eine dritte Komponente hinzufügte: Salz sollte der dritte Erdbestandteil aller Stoffe sein. Die Erklärung lautete: Verbrennt man Holz, so „ist das, was brennt, Schwefel; das, was verdampft, ist Quecksilber; und das, was zu Asche wird, ist Salz”. Nach der Schwefel-Quecksilber-Theorie waren beide nur Prinzipien und keine materiellen Substanzen. Seine Betonung auf brennbarem Schwefel beeinflusste die spätere Entwicklung der Chemie im positiven Sinne. Die nach Paracelsus lebenden Iatrochemiker modifizierten einige seiner radikalen Ideen und stellten seine und ihre eigenen Rezepturen für die Herstellung chemischer Medikamente zusammen. Am Ende des 16. Jahrhunderts veröffentlichte Andreas Libavius dann seine Alchemia, die das iatrochemische Wissen seiner Zeit zusammenfasste und als erstes Handbuch der Chemie bezeichnet wird.

In der ersten Hälfte des 17. Jahrhunderts untersuchten einige Männer chemische Reaktionen experimentell. Dies taten sie aber nicht, um sie nutzbringend für andere Gebiete einzusetzen, sondern nur zu ihrem eigenen Vorteil. Der Arzt Jan Baptista van Helmont – er verließ seine Praxis, um sich dem Studium der Chemie zu widmen – verwendete die Waage für ein überzeugendes Experiment: Er zeigte, dass eine bestimmte Menge Sand mit einem Überschuss an Alkali zu Wasserglas reagiert. Wenn man dieses Wasserglas dann mit Säure behandelte, bildete sich wiederum die Ausgangsmenge Sand (Siliciumdioxid). Er erkannte, dass bei chemischen Vorgängen die Stoffe scheinbar zerstört werden und doch jeder „an Substanz nichts verleuret”. Mit diesem Experiment legte er den Grundstein für das Gesetz der Massenerhaltung (siehe Erhaltungssätze). Bei Untersuchungen luftförmiger Stoffe prägte van Helmont die Bezeichnung Gas. Damit war die Existenz einer neuen Stoffklasse mit eigenständigen physikalischen Eigenschaften nachgewiesen.

3.2.

Wiederbelebung der Atomtheorie

Im 17. Jahrhundert hatten die Experimentatoren herausgefunden, wie man ein Vakuum erzeugt – nach der aristotelischen Theorie sollte es gar kein Vakuum geben. Die noch ältere Theorie von Demokrit stand wieder im Mittelpunkt des Interesses. Demokrit nahm an, dass sich Atome in einem leeren Raum bewegten. Der französische Philosoph und Mathematiker René Descartes und seine Anhänger entwickelten eine mechanistische Sicht der Materie: Allein aus Größe, Gestalt und Bewegung winziger Teilchen könnte man alle beobachtbaren Erscheinungen erklären. Die Mehrheit der Naturphilosophen und Iatrochemiker dieser Epoche vertrat die Ansicht, dass Gase keine chemischen Eigenschaften besäßen und lenkten ihre Aufmerksamkeit folglich auf das physikalische Verhalten von Gasen. Es entstand eine kinetische Molekültheorie der Gase. Die Experimente des englischen Physikers und Chemikers Robert Boyle waren in dieser Hinsicht besonders bemerkenswert. Seine Studien des „spring of the air” (Elastizität) wurden Teil des Boyle-Mariotte’schen Gesetzes. Es verallgemeinert die umgekehrte Beziehung zwischen Druck und Volumen in Gasen – das Produkt aus Druck und Volumen ist bei gleich bleibender Temperatur konstant.

5.

Phlogiston: Theorie und Experiment

Während sich die Naturphilosophen über mathematische Gesetze den Kopf zerbrachen, experimentierten die frühen Chemiker lieber in ihren Laboratorien, um mit chemischen Theorien die beobachteten Reaktionen zu erklären. Die Iatrochemiker maßen dabei dem Schwefel und den Theorien von Paracelsus besondere Aufmerksamkeit zu. In der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts entwickelte der deutsche Arzt, Ökonom und Chemiker Johann Joachim Becher ein ganzes System um dieses Prinzip. Er vermutete, dass beim Verbrennen organischer Substanz ein flüchtiger Stoff aus dem brennenden Material austrat. Sein Schüler Georg Ernst Stahl baute darauf eine Theorie auf, die sich unter den Chemikern fast ein Jahrhundert lang behaupten konnte.

Stahl nahm an, in jedem Stoff sei ein brennbarer Teil enthalten, der bei der Verbrennung in die Luft entweicht. Er nannte diesen Teil Phlogiston, abgeleitet von dem griechischen Wort für „entzündlich”. Das Rosten von Metall geschah seiner Ansicht nach auf ähnliche Weise wie die Verbrennung, und Phlogiston entwich dabei. Die Pflanzen absorbierten dann das Phlogiston aus der Luft und waren entsprechend damit angereichert. Wenn man Calcium- oder andere Metalloxide mit Holzkohle erhitzte, so sollte das Phlogiston wieder in die Oxide zurückgelangen. Aus dieser Hypothese folgte, dass Calciumoxid ein Element war und das bei der Reaktion mit Holzkohle entstandene Metall eine Verbindung. Diese Theorie ist eine ziemlich genaue Umkehrung des modernen Konzepts von Oxidation und Reduktion. Sie beinhaltet die wieder rückgängig zu machende Umwandlung eines Stoffes und konnte einige Beobachtungen erklären. Allerdings haben jüngste Studien der chemischen Literatur dieser Zeit enthüllt, dass die Phlogistontheorie unter den Chemikern nur in geringem Maße verbreitet war. Gegen Ende des 18. Jahrhunderts zweifelte besonders der französische Chemiker Antoine Laurent Lavoisier die Phlogistontheorie vehement an.

1.

Das 18. Jahrhundert

Etwa zur gleichen Zeit trug eine weitere Beobachtung zum besseren Verständnis der Chemie bei. Inzwischen waren schon eine Menge Chemikalien untersucht worden. Bestimmte Substanzen schienen leichter als andere mit einer gegebenen Chemikalie zu reagieren. Man sprach in diesen Fällen von einer größeren Affinität. Es wurden Arbeitstabellen aufgestellt, die die relativen Affinitäten bei der Reaktion verschiedener Chemikalien enthielten. Mit Hilfe dieser Tabelle konnte man sogar chemische Reaktionen annähernd voraussagen, bevor man sie im Labor durchführte.

Diese Fortschritte führten im 18. Jahrhundert zur Entdeckung neuer Metalle, ihrer Verbindungen und Reaktionen. Qualitative und quantitative analytische Methoden wurden entwickelt. Die Wissenschaft der analytischen Chemie war geboren. Trotzdem konnte der volle Umfang der Chemie noch nicht erfasst werden. Noch immer glaubte man, Gase seien nur zu physikalischen Umwandlungen, nicht aber zu chemischen Reaktionen fähig.

Die chemische Untersuchung von Gasen, die man allgemein als „Äther” bezeichnete, gewann erst mit der Erfindung der pneumatischen Wanne durch den britischen Physiologen Stephen Hales an Bedeutung. Damit ließen sich Gase über Wasser auffangen und ihr Volumen messen. Beim Verbrennen von festen Stoffen in einem Reagenzglas mit Stopfen leitete man die Gase über ein Glasrohr in ein zweites Reagenzglas. Dieses Auffanggefäß war mit der Öffnung voran in die wassergefüllte Wanne eingetaucht. Die pneumatische Wanne wurde bald vielerorts zum Auffangen und zur Untersuchung von Gasen verwendet. Ihr Vorteil: Beim Auffangen vermischten sich die Gase nicht mit gewöhnlicher Luft. Es stellten sich rasch Fortschritte ein, und der Wissensstand über die verschiedenen Gase erreichte ein neues Niveau.

Den Durchbruch zum Verständnis der chemischen Bedeutung von Gasen schaffte im Jahr 1756 in Edinburgh Joseph Black mit seinen Studien über die Reaktionen von Magnesium- und Calciumcarbonaten. Beim Erhitzen dieser Verbindungen gaben sie ein Gas ab. Übrig blieb ein Rückstand, den Black gebranntes Magnesia bzw. Kalk nannte. Es waren die Oxide der verwendeten Verbindungen. Kalk reagierte dann mit „Alkali” (Natriumcarbonat) unter Bildung der ursprünglich eingesetzten Salze. Es musste also das Gas Kohlendioxid sein, das bei chemischen Reaktionen beteiligt war. Black nannte es „fixierte Luft”. Jetzt war bewiesen, dass auch Gase an chemischen Reaktionen beteiligt sein können. Innerhalb kurzer Zeit waren viele Gase als eigenständige Substanzen identifiziert.

Dem britischen Physiker Henry Cavendish gelang es im nächsten Jahrzehnt, „brennbare Luft” (Wasserstoff) in reiner Form darzustellen. Außerdem füllte er die pneumatische Wanne nicht mit Wasser, sondern mit Quecksilber. Dadurch ließen sich auch wasserlösliche Gase isolieren. Mit dieser Vorrichtung fand der britische Chemiker und Theologe Joseph Priestley fast ein Dutzend neue Gase und untersuchte sie. Priestleys wohl bedeutendste Entdeckung war der Sauerstoff, der unabhängig von ihm auch durch Carl Wilhelm Scheele gefunden wurde. Priestley erkannte, dass dieses Gas – als Bestandteil gewöhnlicher Luft – für die Verbrennung verantwortlich war und die Atmung ermöglichte. Er schlussfolgerte allerdings: Brennbare Substanzen verbrennen in diesem Gas heftiger, und Metalle bilden schneller „Kalke”, da das Gas frei von Phlogiston ist. Folglich nimmt das Gas Phlogiston, das in der brennbaren Substanz oder dem Metall enthalten ist, schneller auf als gewöhnliche Luft. Diese enthält schon etwas Phlogiston. Priestley nannte sein neu entdecktes Gas „dephlogistisierte Luft” und verteidigte seine Überzeugung bis an sein Lebensende.

Inzwischen gab es in Frankreich einschneidende chemische Fortschritte, besonders im Laboratorium von Antoine Laurent de Lavoisier. Er war der Tatsache nachgegangen, dass Metalle schwerer werden, wenn man sie in der Luft verglüht. Ein widersprüchliches Ergebnis, denn sie müssten doch nach der gängigen Theorie Phlogiston abgeben. Im Jahr 1774 besuchte Priestley Frankreich und erzählte Lavoisier von seiner Entdeckung der entphlogistonierten Luft. Lavoisier erkannte die Bedeutung dieser Substanz und deutete den Vorgang der Verbrennung richtig. Der Weg für eine chemische Revolution, die das Zeitalter der modernen Chemie einleitete, war damit geebnet. Lavoisier gab dem Gas den Namen „Lebensluft”. Später änderte er den Namen in oxygen (= Säurebildner; Sauerstoff).

2.

Die Geburtsstunde der modernen Chemie

Lavoisier bewies in einer Reihe gut durchdachter Experimente, dass Luft 20 Prozent Sauerstoff enthält und die Verbrennung dadurch zustande kommt, dass sich eine brennbare Substanz mit Sauerstoff vereinigt. Wird Kohlenstoff verbrannt, so entsteht „fixierte Luft” (Kohlendioxid). Phlogiston gibt es demzufolge nicht! Lavoisier nutzte die Laborwaage, um seine Arbeit quantitativ zu untermauern. Er definierte die Elemente als Stoffe, die mit chemischen Mitteln nicht weiter zerlegt werden können. Unabhängig voneinander erkannten Lavoisier und der russische Chemiker Michail Wassiljewitsch Lomonossow das Gesetz von der Erhaltung der Masse in seiner vollen Bedeutung: Bei allen chemischen Vorgängen bleibt die Gesamtmasse der Reaktionsteilnehmer unverändert (siehe Erhaltungssätze). Lavoisier ersetzte außerdem die alten chemischen Benennungen, die ja auf alchimistischer Gepflogenheit beruhten, durch die – auch heute noch verwendete – rationale chemische Nomenklatur und wirkte bei der Gründung der ersten chemischen Zeitschrift mit. Während der Französischen Revolution fiel Lavoisier im Jahr 1794 aus politischen Gründen der Guillotine zum Opfer. Seine Mitarbeiter führten die Arbeiten zum Aufbau einer modernen Chemie weiter. Später schlug der schwedische Chemiker Jöns Jakob von Berzelius vor, die Atome durch die Anfangsbuchstaben ihrer Elementnamen zu symbolisieren. Ihm verdankt die Chemie die ersten genauen Atomgewichtsbestimmungen und die ersten Atomgewichtstabellen (1818).

6.

Das 19. und 20. Jahrhundert

Am Beginn des 19. Jahrhunderts war die Genauigkeit in der analytischen Chemie weiter fortgeschritten. Die Chemiker konnten nachweisen, dass einfache Verbindungen – die ihnen geläufig waren – feststehende und unveränderliche Mengen an den Elementen enthalten, aus denen sie bestehen. In Einzelfällen gab es aber auch mehr als eine Verbindung aus den gleichen Elementen. Zur gleichen Zeit bewies der französische Chemiker und Physiker Joseph Gay-Lussac, dass die Volumenverhältnisse miteinander reagierender Gase in einfachen ganzzahligen Verhältnissen zueinander stehen. Der englische Wissenschaftler John Dalton fand im Jahr 1803 auf Grund vorangegangener spekulativer Annahmen über den atomaren Aufbau der Materie und auf Grund von daraufhin unternommenen Experimenten das Gesetz der multiplen Proportionen. Es lautet: „Die Gewichtsverhältnisse zweier zu sich verschiedener chemischer Verbindungen vereinigender Elemente stehen im Verhältnis einfacher ganzer Zahlen.” Das hört sich im ersten Augenblick kompliziert an, hat aber einen einfachen Hintergrund: Häufig bilden zwei Elemente nicht nur eine, sondern mehrere Verbindungen miteinander. So lassen sich beispielsweise Stickstoff und Sauerstoff allein zu fünf verschiedenen Verbindungen verknüpfen. Vergleicht man nun die Gewichtsverhältnisse, so stellt man fest, dass sie nicht willkürlich voneinander unabhängige Zahlenwerte darstellen, sondern untereinander in einem einfachen Zusammenhang stehen.

Die Deutung des Gesetzes der multiplen Proportionen versuchte Dalton 1808 mit seiner Atomhypothese. Danach bestehen die chemischen Elemente aus kleinsten Teilen, den Atomen. Diese Atome verbinden sich in gewissen Zahlenverhältnissen zu den kleinsten Verbindungen, den Molekülen. Die Existenz von Molekülen konnte Dalton jedoch nicht beweisen.

1.

Molekültheorie

Einen entscheidenden Beitrag zur Lösung dieses Problems leistete im Jahr 1811 der italienische Physiker Amedeo Avogadro. Er fand heraus, dass die Teilchenzahlen der Gase in gleich großen Volumina bei gleicher Temperatur und gleichem Druck auch gleich sind. Erst diese Erkenntnis gestattete die Aufstellung sinnvoller Formeln und Gleichungen sowie auch die Ermittlung relativer Atommassen. Avogadro erhielt beispielsweise für Wasser die Molekülformel H₂O, für Sauerstoff O₂ und für Wasserstoff H₂.

Die Analyse von Wasser ergab auf je ein Gramm Wasserstoff 7,936 Gramm Sauerstoff. Also ist ein Sauerstoffatom 7,936-mal schwerer als zwei Wasserstoffatome. Dalton hatte das Atomgewicht des Wasserstoffes willkürlich gleich eins gesetzt. Anhand der Analysenergebnisse war dem Sauerstoff der Wert 2 × 7,936 = 15,872 zuzuordnen. Man setzte das Atomgewicht von Sauerstoff willkürlich auf 16 fest, denn 16 ist die ganze Zahl, die dem Wert 15,872 am nächsten kommt. Im Lauf der Zeit erwies es sich als zweckmäßiger, nicht den Wasserstoff, sondern den Sauerstoff zur Vergleichsbasis für relative Atomgewichte zu wählen. Das Atomgewicht der meisten Elemente wurde ja nicht aus der Zusammensetzung der Wasserstoffverbindungen ermittelt, sondern stammte aus der Zusammensetzung der zahlreicher vorkommenden Sauerstoffverbindungen.

Auf dem ersten internationalen Chemikerkongress 1860 in Karlsruhe unterstützte der italienische Chemiker Stanislao Cannizzaro im Wesentlichen das Avogadro’sche Gesetz. Er vertrat allerdings die Ansicht, das Gesetz sei nur bei elementaren Gasen anwendbar, die aus zwei Atomen pro Molekül bestehen. Die relative Molekülmasse von Sauerstoff, 32, wurde schnell durchgesetzt. Ausgedrückt in Gramm, wurde sie als Gramm-Molekül Sauerstoff bezeichnet, oder noch einfacher als 1 Mol Sauerstoff. Chemische Berechnungen wurden normiert, und man arbeitete mit festgelegten Formeln.

Andere Entdeckungen machte man auf dem Gebiet der Elektrochemie. 1800 erfand Alessandro Volta die voltaische Zelle, einen Vorläufer der elektrischen Zelle. Im Jahr 1807 gelang dem englischen Naturforscher Sir Humphry Davy die Darstellung metallischen Natriums und Kaliums durch Elektrolyse der geschmolzenen Hydroxide.

2.

Neue Gebiete der Chemie

Die größten chemischen Fortschritte im 19. Jahrhundert fielen in das Ressort der organischen Chemie. Ende des 18., Anfang des 19. Jahrhunderts vertrat man die Ansicht, dass „organische Stoffe” nur von lebenden Organismen aufgebaut werden und sich nur aus diesen isolieren lassen. Mit den ersten Synthesen organischer Stoffe aus anorganischen Material musste diese Auffassung überdacht werden. So gelang Friedrich Wöhler 1827 die Synthese von Harnstoff aus Ammoniumcyanat. Die Strukturtheorie vermittelte die Vorstellung, wie Atome tatsächlich angeordnet waren. Sie ermöglichte es, viele Verbindungen vor der Herstellung vorauszusagen. Die so gefundenen Farbstoffe, Arzneimittel und Sprengstoffe führten, besonders in Deutschland, zum Aufbau einer ausgedehnten chemischen Industrie.

Zur gleichen Zeit entwickelte sich die physikalische Chemie. Einige Chemiker versuchten – angeregt durch die Fortschritte in der Physik –, mathematische Methoden auch in ihrer Wissenschaft anzuwenden. So führten Untersuchungen von Reaktionsgeschwindigkeiten zur Ausarbeitung kinetischer Theorien, die sowohl für die Industrie als auch für die reine Wissenschaft von Bedeutung waren. Während sich die chemische Kinetik mit dem zeitlichen Ablauf chemischer Reaktionen und der Aufklärung von Reaktionsmechanismen beschäftigt, besteht das Hauptziel der chemischen Thermodynamik darin, das Verhalten chemischer Systeme im Gleichgewicht (dynamisches Gleichgewicht) aufzuklären. Mit Hilfe der Thermodynamik lassen sich Aussagen treffen, ob und unter welchen Bedingungen eine Reaktion möglich ist. Dabei sind auch die Energiebilanz, die mit der Stoffumwandlung verbunden ist, und die möglichen Ausbeuten in die Vorhersagen eingeschlossen. Zusätzlich lässt sich einschätzen, wie das Gleichgewicht durch Druck und Temperatur beeinflusst werden kann. Weitere Entdeckungen folgten. Mit Hilfe ihres selbst gebauten Spektroskops gelang es Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Robert Kirchhoff 1860 die Elemente Rubidium und Cäsium zu entdecken. Beide gelten als die Begründer der Spektralanalyse. Untersuchungen zu den Emissions- und Absorptionsspektren der Elemente und ihrer Verbindungen nutzten sowohl Chemikern als auch Physikern. Es entstand das Gebiet der Spektroskopie. Außerdem wurde mit der Grundlagenforschung in der Kolloid- und Photochemie begonnen.

Die anorganische Chemie war inzwischen so weit entwickelt, dass sie einer Systematik bedurfte. Die Zahl der neu entdeckten Elemente war beständig angestiegen, es gab aber keine Methode, sie zu klassifizieren und Ordnung in ihre Reaktionen zu bringen. Unabhängig voneinander entdeckten der russische Chemiker Dmitrij Iwanowitsch Mendelejew (1869) und der deutsche Chemiker Julius Lothar Meyer (1870) das Periodensystem der Elemente. Damit war man in der Lage, neu entdeckte Elemente einzuordnen und konnte ihre Eigenschaften voraussagen. Nach tief greifenden elektrochemischen Untersuchungen postulierte 1887 der schwedische Chemiker Svante August Arrhenius, dass die Salze in Lösungen dissoziieren und als Ionen mit elektrischen Ladungen vorliegen.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts war in Chemie und Physik offensichtlich eine Entwicklungsstufe erreicht, in der keine grundlegenden neuen Entdeckungen mehr bevorstanden. Das änderte sich aber gründlich mit der Entdeckung der Radioaktivität. Sie wurde vom französischen Physiker Antoine-Henry Becquerel am Uran entdeckt (1896). Im Jahr 1898 isolierten Marie und Pierre Curie das Radium aus Pechblende, einem Uranoxid. Später folgten die meisten der bis dahin noch unbekannten Transurane (siehe Kernchemie).

Im 20. Jahrhundert begann die Entwicklung der Biochemie. Anfangs befasste man sich in dieser Disziplin mit einfachen Analysen von Körperflüssigkeiten. Später entwickelte man Methoden, mit denen die Art und Funktionsweise auch der kompliziertesten Zellbestandteile erforscht werden konnten. Die Biochemiker hatten bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts den genetischen Code aufgeklärt und waren sich der Funktion des Gens, als Grundlage allen Lebens, bewusst. Mit dem sprunghaften Anstieg der Erkenntnisse war ein neuer Wissenschaftszweig entstanden – die Molekularbiologie.

3.

Zur neuesten Forschung in der Chemie

Die jüngsten Fortschritte in Biotechnologie und Werkstoffwissenschaft haben die Grenzen der chemischen Forschung klar abgesteckt. Mittels analytischer Technik konnten in der Biotechnologie internationale Erfolge bei der Entschlüsselung des menschlichen Genoms erzielt werden. In der Materialforschung wird an der Entwicklung neuer Materialien und auch neuer Geräte gearbeitet. Zu den jüngsten Errungenschaften gehören keramische Verbindungen, die ihre Supraleitfähigkeit auch bei Temperaturen über -196 °C behalten. Weitere Beispiele sind lichtemittierende Polymere und die vielgestaltigen Verbindungen, die zur Entdeckung von Buckminster-Fullerenen führten.

Für herkömmliche Forschungsgebiete der Chemie wurden neue, wirkungsvolle Analysengeräte entwickelt. Lasertechniken liefern beispielsweise Momentaufnahmen von chemischen Reaktionen in der Gasphase, die im Femtosekundenbereich (ein Millionstel von einem Milliardstel einer Sekunde) ablaufen. Eine besondere Entwicklung auf diesem Gebiet ist die so genannte Femtosekundenspektroskopie. Bahnbrechende Arbeiten hierzu lieferte der ägyptische Wissenschaftler Ahmed H. Zewail, der hierfür 1999 den Chemienobelpreis erhielt. Mit Hilfe seiner neu entwickelten Hochgeschwindigkeitskamera mit ultraschneller Lasertechnik gelang es Zewail, den Übergangszustand chemischer Reaktionen (siehe Reaktionskinetik) im Bild festzuhalten.

4.

Die chemische Industrie

Am Anfang stand die industrielle Revolution. Das Leblanc-Verfahren zur Herstellung von Soda beispielsweise wurde 1791 in Frankreich entwickelt und 1823 in England kommerzialisiert. Es zählte zu den ersten großtechnischen Produktionsprozessen.

Im Zuge des raschen Wachstums der organisch-chemischen Industrie am Ende des 19. Jahrhunderts entstanden in Deutschland mächtige Farben- und Pharmaziekonzerne. Nach dem 1. Weltkrieg bildeten sich auch in anderen Industriestaaten größere Chemiekonzerne und Fabriken. Junge Industriezweige entstanden. Beispielsweise wurden Reaktionsprozesse mit Enzymen mehr und mehr in der Produktion eingesetzt, weil sie geringe Kosten verursachen und hohe Ausbeuten bringen. In einigen Ländern wie z. B. den USA wird auch an Methoden gearbeitet, um mittels Gentechnologie Mikroorganismen für industrielle Zwecke herzustellen.

5.

Chemie und Gesellschaft

Chemie und menschliches Leben stehen in engem Zusammenhang. In früheren Zeiten nutzte man chemische Methoden, um Naturprodukte zu isolieren und sie auf bessere Art anzuwenden. Im 20. Jahrhundert wurden dann Verfahren entwickelt, um völlig neuartige Stoffe zu synthetisieren, die entweder bessere Eigenschaften als die Naturprodukte besaßen oder sie durch ihre geringeren Herstellungskosten ganz ersetzten. Durch die Vielfalt möglicher Synthesewege erschienen gänzlich neue Materialien mit neuartigen Einsatzmöglichkeiten auf dem Markt. Kunststoffe und neue Textilien wurden entwickelt, ebenso wie Medikamente. Die Bildung interdisziplinärer Wissenschaften wie Geochemie oder Biochemie brachte weiteren wissenschaftlichen Fortschritt.

Die wissenschaftliche Entwicklung der letzten Jahre ist Aufsehen erregend, obwohl man neben dem Nutzen die Verantwortlichkeiten nicht außer Acht lassen sollte. Radioaktive und viele andere Substanzen verursachen Krebs und führen zu Mutationen von Erbmaterial. Des Weiteren haben die anfangs unterschätzte Anreicherung von Pestiziden in Pflanzen und Tierzellen sowie die in der Industrie anfallenden Nebenprodukte oft schädliche Wirkungen. Aufgrund dieser Tatsachen entstanden neue Studienbereiche in den Umweltwissenschaften und der Ökologie.