Geschichte der Chemie

DieGeschichte der Chemiebefasst sich mit der Geschichte der Erkenntnisse über Aufbau, Eigenschaften, Umwandlung und Produktion vonchemischen Stoffen.

Zu Beginn derNeuzeitverband sich dieantikechemische Praxis mit der über in arabischer Sprache schreibende Gelehrte nach Europa vermittelten mittelalterlichenAlchemie.Ab dem Ende des 18. Jahrhunderts entwickelte sich dieChemiezu einer exaktenNaturwissenschaft,die dann im 19. Jahrhundert begann, eine enorme Fülle von praktisch verwertbaren Ergebnissen zu liefern, die zur Errichtung einerchemischen Industrieführte.

DieindustrielleAnwendung der Chemie rief auch immer größereUmweltschädenhervor, was etwa ab 1970 zum Entstehen einerUmweltbewegungführte, die die chemische Industrie wie auch die Gesellschaft insgesamt zu nachhaltigem Handeln ohneUmweltverschmutzungzu bewegen sucht.

Die Chemie ist eine differenzierte Wissenschaft, die in ihren zahlreichen Sparten unterschiedlichste Forschungsziele hat und inchemischen Reaktioneneine Vielzahl von Technologien zur Umwandlung von Stoffen jeder Art nutzt.

Die Wurzeln der Chemie

Altertum

→Hauptartikel:Chemie im Altertum

Etwa 1000 v. Chr. war in vielen Gebieten Vorderasiens, Ägyptens, Griechenlands die Metallgewinnung aus Erzen bekannt. Verwendung fandenGold,Silber,Eisen(500 v. Chr. in Europa, 4000 v. Chr. in Ägypten),Kupfer(4000 v. Chr.),Zinn(Legierung mit Kupfer 3000 v. Chr.),Blei(500 v. Chr. verwendet für Wasserröhren, Schreibtafeln, Münzen, Kochgefäße in Rom),Quecksilber(300 v. Chr., Theophrast und Dioskorides,flüssiges Silber,Gewinnung ausZinnobermittels Kupfer und Essig), ebenso Stoffe wieSchwefel,Salpeteroder Kohle. Die Metallnamen waren mit Wochentagen und Planeten verbunden. Auch die Verfahren zur Herstellung von Ton (für dieTöpferei),Steingut,Glas(1500 v. Chr., Ägypten, geblasenes Glas, Rom 30 v. Chr.) undPorzellan(China) waren bekannt.

Ferner warenSalben,Seifen,Öle, Milch und Quark,Wein,dasBierbrauen,Essig,das Papyri, die Lederherstellung und dasFärben(Farbstoffe:Henna,Indigo,Krapprot,Safran;Pigmente(z. B.Mennige,Bleiweiß,Zinnober,Ocker,Blaustein,Grünspan,Bleiglanz,Arsen- und Antimonsulfid), ätherische Öle, Salze (Alaun,Kochsalz) (aus Verdunstung des Meerwassers, zur Konservierung von Nahrungsmitteln) bekannt. Schwefeldämpfe (Schwefeldioxid,in WasserSulfite) wurden zum Räuchern, zum Reinigen von Stoffen, zur Konservierung von Wein, zur Zerstörung von Farbstoffen, zur Herstellung von Alaun verwendet. Bei den Ägyptern, Griechen und Römern kannte man bereits verschiedene Arzneimittel wieKupfervitriol(Kupfersulfat,Brechmittel),Alaun(zum Gurgeln), Eisenrost,Bleiglätte,Mohnextrakt,Bilsenkraut,Mandragorawurzel,Hyoscyamin,Skopolamin (zum Berauschen, Betäuben).

Die Chemie in der Antike unterschied sich von heutigen Herstellungsverfahren dertechnischen Chemievor allem dadurch, dass diese Prozesse nicht sehr kompliziert waren und daher in vielen Kulturen praktiziert werden konnten.

Die Gewinnung von Metallen hatte in früherer Zeit erhebliche Bedeutung. Aus Metallen konnten – nach Vorgaben des menschlichen Geistes – Formen für Werkzeuge, Geräte des täglichen Bedarfs, Münzen, Rüstungen zunächst gedanklich, dann materiell erschaffen werden, die dann in erheblicher Weise das gesellschaftliche Leben beeinflussten. DieIdee– nachPlatondie Weltseele – wandelt sich durch die Metallherstellung in Gegenstände um, die die Erfindung und das Werkzeug über den Tod des Erfinders hinaus überdauern können. Schon die Griechen übertrugen den Zustand des Gemeinwesens auf Metalle (Eisernes Zeitalter,Silbernes Zeitalter,Goldenes Zeitalter) und das Münzmetall (Gold, Silber, Eisen) konnte den Mitgliedern der Gesellschaft mehr Gleichheit (Münzmetall: Eisen in Sparta) ermöglichen oder besondere Leistungen und hohe Verdienste mit kostbaren Münzen (Münzmetalle: Gold, Silber) sanktionieren.

Viele griechische Philosophen glaubten an einen einzigenUrstoffder Welt. Thales von Milet(Urstoff: Wasser),Anaximenesvon Milet (Urstoff: Luft),Heraklit(Urstoff: Feuer).Empedoklesvon Agrigent sah die vier Urstoffe vereinigt: Erde, Wasser, Luft und Feuer. Er dachte sich einen Feuerstoff in der Luft (Grundlage der späteren Phlogiston-Theorie nach Stahl) und vermutete, dass sich die vier Urstoffe zufällig mischen, wobei Liebe und Streit zwischen den Urstoffen eine Rolle spielt. Alle Dinge der Welt entstehen aus der Mischung dieser vier Elemente. Empedokles vermutete auch, dass Luft aus Materie besteht und es kein Vakuum geben könne, da er das Prinzip einerPipetteuntersucht hatte. Demokritos von Abdera (Demokrit) und Leukippos glaubten an unteilbar kleinste Teilchen eines Stoffes, das sieAtomnannten.

AuchPlatonundAristotelesbefassten sich mitNaturphilosophie. Aristoteles glaubte an die vier Urelemente des Empedokles, er glaubte jedoch auch noch an vier Ureigenschaften (warm-kalt, trocken-feucht). Jedes Element besitzt zwei Ureigenschaften (z. B. Wasser: feucht, kalt). Durch Austausch der Eigenschaften sollten sich Stoffe umwandeln können. Ein weiteres Urelement ergänzte Aristoteles – den Äther. Dieser Stoff sollte ewig und unwandelbar alles durchdringen, in allen Stoffen enthalten sein. Aristoteles erkannte auch, dass es eine Verwandtschaft der Metalle beim Schmelzen gibt, es kommt auf das richtige Mischungsverhältnis an. Er übertrug diese Gedanken auch auf Körpersäfte vonerkranktenMenschen (sieheHumoralpathologie). Durch Pflanzensäfte oder Salze konnte der kranke Mensch möglicherweise gesunden, dies war die Basis für spätere heilkundliche Versuche (Galenos) und für spätere Arzneimittel. Alle irdischen Vorgänge sah Aristoteles als Widerspiegelung der himmlischen Vorgänge. Die Metallarten wurden später einzelnen Planeten zugeordnet.

Aus der Naturphilosophie entwickelte sich später dieAlchemie.Die Alchemie verband in der Frühzeit Zauber undMystikmit dem Verfahren der Metallumwandlung, chemisch-physikalischen Reinigungsverfahren, der Farbmittelherstellung.

Im Zeitalter desHellenismusgewannen aufgrund der Expansion der Märkte Verfahren an Bedeutung, durch die billige Nachahmungen für teure Naturstoffe und andere Waren (Edelsteine,Purpurund andere Farbstoffe usw.) erzeugt werden konnten: synthetisches „Gold “, gefärbtes Glas, imitierte Perlen usw.

In Ägypten vermengten sich im 2. Jahrhundert n. Chr.Religion,AstrologieundMagie.In der religiösen Richtung derGnosis,die eine andere Ausrichtung als das spätere Christentum gegenüber dem Übel auf der Welt (Theodizee) hatte, spielte die innere Erleuchtung durch Alchemie eine wichtige Rolle. In der Schöpfungsgeschichte derGnostikerwurden chemische Begriffe wieSublimationundDestillation(Vergeistigung) bzw. Mischungen (Läutern) benutzt. Erste ausführliche Zeichnungen und Beschreibungen vieler chemischer Prozesse in Ägypten um 400 n. Chr. stammen vonZosimus aus Panopolis.Auch ältere Quellen (z. B. vonBolos von Mendes250–200 v. Chr.) sind bekannt. Statt der vier Urelemente wurden in dieser Phase zwei Grundstoffe der Materie erdacht.QuecksilberundSchwefel.Der erstgenannte Stoff ist ein flüssiges Metall, das durch Einwirkung auf andere Metalle fest wird (Amalgamierung). Der zweite Stoff verbrennt leicht unter Flammenbildung, dabei entstehen Gase. Ferner wurde das Quecksilber und Arsen als männliches Prinzip, der Schwefel als weibliches Prinzip betrachtet.

Mittelalter

Durch dieAusbreitung des Islamsging das alte griechische Wissen auf arabischsprachige Wissenschaftlerüber. Ein bedeutender islamischer Alchemist war beispielsweiseDschābir ibn Hayyān.

Die Theorien der Alchemisten ergaben sich in derChemie im Mittelalternicht nur aus ihrenexperimentellenErfahrungen, sondern auch aus Lehren der Astrologie und einem Weltverständnis, das man heute alsesoterischbezeichnen würde, tatsächlich aber der frühe Versuch einerphänomenologischenTheorieim Rahmen der damaligenAxiomatikwar.

Albertus Magnus;Fresko (1352), Treviso, Italien

Ab dem 12. Jahrhundert brach – dank der Kontakte zu den arabischen Alchimisten – der „Alchimieboom “über Europa herein: 1085 schrieb bzw. übersetzteGerhard von Cremonain Toledo das unter anderem aufRhazesberuhende„erste Chemiebuch “Europas: „Das Buch der Alaune und Salze“,1193–1280 forschteAlbertus Magnusin Köln, und selbst der KirchengelehrteThomas von Aquinbetrieb unter dem Rückgriff aufAristotelesund die Bibel „studiae alchymicae “.

Das Ziel der Alchemie war es, aus unedlen Metallen mittelsTransmutationGold zu machen und beimGroßen Werküber die eigene Läuterung zumStein der Weisenzu finden. Die Alchemie war jedoch eingebunden in Naturerkenntnisse mit magischen, ganzheitlichen Bestrebungen, die Stoffe sowie die Seele des Experimentators in einen geläuterten Zustand zu überführen.

Roger Bacon

Roger Bacon(1210–1292) führte das Experiment als wichtigste Arbeitsmethode der Alchimisten ein(„Sine experientia nihil sufficienter sciri potest “: Ohne Experiment kann nichts ausreichend gewusst werden),– dieWaagejedoch blieb ein Gerät zur Abmessung der Ausgangssubstanzen. Erst beiLavoisier– ab 1775 – wurde sie zum Mittel der messenden Erforschung.

Albertus Magnuswar dennoch ein bedeutender Alchimist und Chemiker des Mittelalters, der sich alsDominikanermit seinen Theorien jedoch innerhalb der von der Kirche vorgegebenen Grenzen bewegte. Er isolierte als erster das ElementArsen.

Der Alchemist sucht den Stein der WeisenvonJoseph Wright of Derby,illustriert die Entdeckung des Phosphors durch Hennig Brand

Der Alchemist des Mittelalters war meist ein Geistlicher mit einer gewissen Bildung, erst im ausgehenden Mittelalter trat die Alchemie in breitere Schichten vor. Sie wurde im Allgemeinen akzeptiert und von hohen Fürsten und Geistlichen gefördert oder sogar selbst betrieben. Bedeutende Alchemisten waren z. B.Vannoccio Biringuccio,Paracelsus,Libavius,Basilius Valentinus,Johann Rudolph Glauber.Kritik richtete sich aber gegen Auswüchse und Betrügereien, so waren Erlasse wie die Bulle von Papst Johannes XXII. von 1317 nicht gegen die Alchemie gerichtet, sondern gegen betrügerische Alchemisten, im Fall der Bulle gegen Münzfälscher.Der Glaube an die Möglichkeit der Goldherstellung durch Alchemie oder die Möglichkeit eines lebensverlängernden Elixiers war weit verbreitet in allen Schichten.Martin Lutherhat zwar zeitweise bei Tischreden gegen die Alchemisten und dasAlchemysten Süplegelästert, die eigentliche Kunst fand er aufgrund des geistigen Hintergrunds bezüglich der Allegorien, Transmutationen und der Auferstehung der Toten am jüngsten Tage in lobenswerter Übereinstimmung mit dem Christentum.

Seit dem 11. Jahrhundert wurde in größerem UmfangAlkoholdurchDestillationvon Wein gewonnen. Im 13. Jahrhundert wurdenSchwefelsäure(oder Vitriolsäure, Königssäure) sowieSalpetersäure(oder auch Scheidewasser) gewonnen. Für diese Wirtschaftsbereiche wurden auch Personen benötigt, die die Stoffe gewinnen konnten. Im 14. Jahrhundert stieg der Bedarf anSchießpulver,eine Mischung aus Schwefel, Salpeter und Holzkohle, für die aufkommendenFeuerwaffen.Grade die Schießpulverproduktion inPulvermühlenerforderte eine gewisse Grundkenntnis über die einzusetzenden Chemikalien und Arbeitstechniken um gefahrloses Arbeiten zu ermöglichen. Ab 1420 entstanden erste Papiermühlen am Rhein; der Bedarf an Papier steigerte sich bald durch die Erfindung des Buchdrucks durch Gutenberg. Im Heiligen Römischen Reich Deutscher Nation waren um 1520 etwa 100.000 Menschen in der Bergbau- und Hüttenindustrie beschäftigt. Wichtige Bücher erschienen nun auch über das Bergbau- und Hüttenwesen (z. B. vonGeorgius Agricola,Bermanus sive de re metallica(1530),De Re Metallica, libri XII(1546)). Seit dem 14. Jahrhundert geriet die Alchemie in Misskredit, der Stein des Weisen wurde nicht gefunden und auch die Goldmacherei blieb erfolglos. Es folgten päpstliche Verbote der Alchemie und die Androhung der Exkommunikation.

Vom 16. bis zum 18. Jahrhundert beschäftigten die Fürsten mitunter Alchemisten. Trotz der geringen Zahl der Alchemisten gab es auch wichtige Entdeckungen. 1669 entdeckteHennig Brand,ein deutscher Apotheker und Alchemist, auf der Suche nach dem Stein der Weisen beim Destillieren von Urin und Glühen des Rückstandes das chemische ElementPhosphor.Der Alchemist und ChemikerJohann Friedrich Böttgerfand zusammen mit Ehrenfried Walther von Tschirnhaus 1708 sogar das europäische Pendant deschinesischen Porzellans,doch der „Stein der Weisen “bliebPhantasie.

Die Anfänge einer systematischen praktischen Chemie

Die gesellschaftlichen Änderungen im Zeitalter der Renaissance: die Erfindung des Buchdruckes durch Gutenberg (1450), die Entdeckung Amerikas (1492), die Reformation durch Martin Luther brachten auch in der Alchemie Neuerungen. Bedeutsame Alchemisten dieser Zeit waren Paracelsus (1493–1541), Faust (1480–1540), Vanoccio Biringucci (1480–1539) undGeorgius Agricola(1494–1555). Die Bücher der Alchemisten verbreiterten die exakten Kenntnisse in der alchemistischen Anwendung.

Metallurgie

Bereits um 1500 gab es erste Schriften zur Metallgewinnung in Deutschland.

Vannoccio Biringuccioschrieb 1540 das WerkPirotechnicaund gab damit einen umfangreichen Überblick über Metallkunde, Waffenproduktion und Maschinen.

Georgius Agricola

Im 16. Jahrhundert schrieb der sächsische GelehrteGeorgius Agricolasein zwölfbändiges Werk überMetallurgie,De re metallica libri XII(Basel 1556), deren Band sieben für lange Zeit ein Standardwerk für die früheAnalytische Chemie,das heißt fürNachweisreaktionenund zum Prüfen vonMetallen,wurde. Einige Abschnitte aus seinem Werk basierten auf dem WerkPirotechnicavon Vannoccio Biringuccio. Erstmals wurden in dem Werk Metalle wie Wismut und Zink beschrieben. Es wurden für diese Metalle jedoch noch andere Namen verwendet (KobeltoderCadmia metallica); erst 1617 wurde in Löhneyss Werk (Das Buch vom Bergwerk) das WortZinkverwendet.De re metallicastellt die erste umfassende und systematische Zusammenstellung des metallurgischen Wissens der frühen Neuzeit dar. Sie enthält zudem eine Zusammenfassung des damaligen Wissens aus der Probierkunst zur Analyse von Metallerzen und -Legierungen.

Arzneiherstellung

Neben der Metallurgie war im 16. Jahrhundert diePharmaziein der praktischen Chemie von besonderer Bedeutung. Der schweizerisch-österreichische Arzt und NaturwissenschaftlerParacelsus(geboren 1493/94, gestorben 1541) begründete die chemische Forschung zur Bekämpfung von Krankheiten (Iatrochemie). Er versuchte die Lebensvorgänge chemisch zu deuten und die Chemie in den Dienst der Medizin zu stellen. Seiner Überzeugung nach, kommen Krankheiten von außen und können daher mit chemischen Stoffen von außen behandelt werden.

Paracelsus beschrieb auch Vergiftungserscheinungen durch schädliche Stoffe (Bleisalze) und gilt daher als Mitbegründer der Toxikologie. Er hat auch das Wort Alkohol erstmals eingeführt und die Notwendigkeit der Isolierung von Heilbestandteilen aus Pflanzen (quintia essentia) angeregt.

Paracelsus wendete jedoch auch giftige Stoffe zur Bekämpfung von Krankheiten an, da er hoffte, dass die richtige Dosis eines Stoffes ausschlaggebend für die Gesundung sei. Seine Heilkunde wurde jedoch von vielen Kritikern bekämpft, die Antimonpräparate von Paracelsus wurden im Jahre 1566 durch einen Parlamentsbeschluss in Frankreich verboten. Viele spätere Alchemisten waren jedoch Anhänger der Lehre von Paracelsus, soJohann Baptista van Helmont,Andreas Libavius,Johannes Hartmann.Letzterer erhielt 1609 erstmals einen Lehrstuhl für Iatrochemie in Marburg.

Im Laufe der Zeit wurden besonders im Bereich der Arzneiherstellung viele Apparate und Verfahren entwickelt, die man teilweise bis heute in chemischenLaboratoriennutzt: Mörser zum Zerkleinern, Glaskolben,Retorten,Spatel, genaueWaagen,Destillationsapparate usw.

Der Beginn des messenden Forschens und frühe Theorien

Von Glauber bis Lavoisier

Antoine Laurent de Lavoisier

Titelblatt von BoylesThe Sceptical Chymist(1661)

Die Zeit derRenaissancebrachte Chemiker hervor, die sich nicht auf den blinden Glauben an alte Autoritäten verließen, sondern eigenständig Ideen entwickelten. Die Entwicklung der Buchführung in Italien führte zu einem verstärkten Handel und zu einer besseren Zugänglichkeit von Waren und Rohstoffen, dies verbesserte auch die Möglichkeiten für Chemiker. Ein erster Chemiker in Deutschland, der von fürstlichen Zuwendungen unabhängig war und Forschung und eine kleinere eigenständige chemische Produktion vereinen konnte, warJohann Rudolph Glauber(1604–1670).

Frühere Wissenschaftler, auch Alchemisten, waren Gelehrte, deren Fundamente in den alten Sprachen und der Religion lagen. Nur behutsam – und manchmal auch in Angst vor theologischen Folgen – setzten sich neue Theorien und neue Erkenntnisse in der Wissenschaft durch. Die Zahl der von Fürsten bezahlten Gelehrten war zwischen dem 17. und 18. Jahrhundert in Europa noch sehr gering. In England interessierten sich einige begüterte Adlige für die Chemie.

Der englische AdligeRobert Boyle(1626–1691), der die Verschiedenartigkeit der Stoffe und ihre Umwandlungen in andere Stoffe untersuchte, kritisierte 1661 in seiner einflussreichen SchriftThe Sceptical Chymistden Begriff der Elemente in der Alchemie und bereitete den modernen Begriff vor: einchemisches Elementist ein im Experiment nicht weiter zerlegbarer Stoff. Boyle erkannte, dass beim Atmen sowie beim Erhitzen von Metallen mit Feuer ein Teil der Luft verbraucht wird und dass das Metall dabei schwerer wird. Boyle war Mitbegründer derRoyal Society.

Georg Ernst Stahlstellte 1697 diePhlogistontheorieauf, um die Prozesse bei derVerbrennung,derGärung,derVerwesung,OxidationundReduktionzu beschreiben. Viele bedeutende Chemiker zwischen 1700 und 1787 glaubten an die Phlogistontheorie, darunterJoseph Black,Henry Cavendish,Joseph Priestley,Carl Wilhelm Scheele,Andreas Sigismund Marggraf,Lorenz Friedrich von CrellundAnders Jahan Retzius. Fast hundert Jahre wurde an dieser Theorie festgehalten, bisAntoine Laurent de Lavoisierund andere dieOxidationaufklärten. Durch den Ersatz der Phlogistontheorie durch die Oxidationstheorie wurde die Brücke zur Theologie (dem Glaube über Körper, Seele, Feuer) erschüttert.

Die Phlogistontheorie musste aufgegeben werden, alsAntoine Laurent de Lavoisier,bei den Experimenten unterstützt von seiner EhefrauMarie,die zu den ersten bedeutenden Chemikerinnen zählte, gegen Ende des 18. Jahrhunderts durch genaue Verfolgung von Verbrennungsprozessen durch Wägungen nachwies, dass die Theorie nicht stimmt. Er schuf stattdessen die Theorie derOxidationund die Grundlage zur weiteren Entdeckung der Grundgesetze der Chemie. Erstmals wurde der Verbrennungsprozess erklärt durch Aufnahme vonSauerstoff(französischOxygène) aus derLuft.Lavoisier und andere gaben auch die ersten reinen Elemente an und stellten sie experimentell dar: Sauerstoff (1771/1772 vonCarl Wilhelm ScheeleundJoseph Priestleyentdeckt),Kohlenstoff,Wasserstoff,Schwefel,Phosphor,eine Vielzahl vonMetallen.Lavoisier konnte zeigen, dass Wasserstoff und Sauerstoff sich zu Wasser vereinigen. Wasser war also nicht, wie lange die allgemeine Überzeugung war, ein chemisches Element, sondern einzusammengesetzter Stoff.Säuren wurden als nichtmetallische Stoffe mit Sauerstoff betrachtet. Weiterhin formulierte Lavoisier das Massenerhaltungsgesetz bei chemischen Reaktionen:Bei stofflichen Umsetzungen wird keine Masse erzeugt oder vernichtet.Er schuf eine neue chemische Nomenklatur, die sich rasch verbreitete. Alte und schwer verständliche chemische Bezeichnungen wurden durch moderne Bezeichnungen ersetzt (z. B.Schwefelleberdurch Kaliumpolysulfid). Die Erkenntnisse von Lavoisier gelten als bedeutende Meilensteine in der Chemiegeschichte (erste chemische Revolution), nun konnten Stoffverbindungen auf die verschiedenen Elemente untersucht werden. Man musste also die Elemente in einer Stoffverbindung auffinden und den Anteil jedes Elementes einer Stoffverbindung mit einer Waage bestimmen. Verdienste um dieChemie der Arzneimittelerwarb sich im 18. Jahrhundert unter anderemFriedrich Hoffmann,der auch durch seine „Hoffmannstropfen“bekannt wurde.

In der Folgezeit führten die quantitativen Bestimmungen von Reaktionen zumGesetz der konstanten Proportionen(Joseph-Louis Proust,1794) und die Vorschläge des schwedischen ChemikersJöns Jakob Berzeliuszur Entwicklung einer international verständlichen Symbolschreibweise fürchemische Verbindungen(SummenformelnundStrukturformeln) und der Erfindung desReagenzglases.

Von Dalton bis Mendelejew

Dmitri Iwanowitsch Mendelejew

Der englische NaturforscherJohn Daltonlegte 1808 mit seinem BuchA new System of Chemical Philosophyden Grund für eine moderneAtomtheorie.Er beschrieb die Elemente und deren kleinste unteilbare Einheit, das Atom, durch eine Gewichtsangabe. John Dalton hat eine erste Tabelle über Atomgewichte von Elementen (1805) erarbeitet.

Joseph Louis Gay-Lussachat über die Bestimmung der Dampfdichte erste Atom-(Molekular-)gewichtsbestimmungen von organischen Gasen vornehmen können. Auch erste Methoden für die organischeElementaranalysesowie für die quantitativen Analyse von Stoffen durchTitrationwurden von ihm entwickelt. Zusammen mitAlexander von Humboldtfand Gay-Lussac bei der Zersetzung von Wasser durch Strom Gasvolumina von Wasserstoff und Sauerstoff von 2:1. Die beiden Gase ließen sich auch genau in diesem Verhältnis wieder zu Wasser vereinigen.

Durch eine Voltasche Säule konnteHumphry Davymittels einer SchmelzflusselektrolyseNatriumundKalium(1807) als neue chemische Elemente gewinnen. Davy hat auch bewiesen, dass Salzsäure keinen Sauerstoff enthält und daher die Anwesenheit von Sauerstoff kein Charakteristikum von Säuren ist. Später formulierteJustus von Liebigden Wasserstoff als Basis für die Säureeigenschaft.

Jöns Jakob Berzeliushatte eine Methode zur Bestimmung der Atomgewichte von Metallatomen in Salzen ausgearbeitet. Dabei stützte er sich auf Vorarbeiten vonJeremias Benjamin Richter.Durch Fällungen und Wägungen von Salzen konnte Berzelius für etwa 40 Elemente deren Atomgewichte bestimmen. Berzelius bezeichnete Atome mit den heute in Formeln gebräuchlichen ein oder zwei Buchstaben der entsprechenden lateinischen Worte (z. B. H für Hydrogenium, Fe für Ferrum). Berzelius hat auch eine erste Theorie zur Gestalt von Atomen nach Versuchen mit der Voltaschen Säule vorgelegt. Dabei nahm er an, dass Atome immer aus einem positiven und einem negativen Ladungsteil zusammengesetzt sein müssten.

Unklarheit herrschte lange Zeit noch über das Atom und das Äquivalentgewicht. Dalton gab in seiner Atomgewichtstabelle Ethanol noch als Atom an. Erst viel später wurde nach Überlegungen zum Äquivalentbegriff eine Unterscheidung zwischenAtomundMolekülgemacht. Amedeo Avogadrostellte 1811 die These auf, dass gleiche Volumina eines beliebigen Gases gleich viele Teilchen enthalten. Aus dieser lange vergessenen Formulierung konntenAuguste LaurentundCharles Frédéric Gerhardtdurch Gasdichtebestimmungen von organischen Stoffen die Molekulargewichte angeben. Die exakte Formulierung der Unterscheidung zwischen Atom und Molekül erfolgte jedoch erst 1858 durchStanislao Cannizzaro.

1869 zeigten der russische ChemikerDmitri Mendelejewund der deutsche Arzt und ChemikerLothar Meyer,dass sich die Eigenschaften von Elementen periodisch wiederholen, wenn man sie nach steigender Atommasse anordnet –Periodensystem.Mit ihrer Theorie konnten sie die Eigenschaften noch unbekannterElementekorrekt vorhersagen.

Liebig, Wöhler, Dumas und die organische Chemie

Justus von Liebig

Justus von Liebighatte bei Gay-Lussac studiert, später wurde er Professor für Chemie in Gießen und in München. Justus von Liebig begründete das Chemiestudium in Deutschland mit Lehrveranstaltungen und Praktikumskursen. Er war ein Wegbereiter für das Interesse an moderner Chemie in Deutschland. Bedeutenden Einfluss auf Chemieinteressierte in Deutschland hatte er auch als Herausgeber der ZeitschriftAnnalen der Pharmazie,später umbenannt inLiebigs Annalen. Liebig verbesserte das Verfahren der Elementaranalyse, so dass für organische Verbindungen in kurzer Zeit deren elementare Zusammensetzung angegeben werden konnte. Von vielen organischen Stoffen (Chloroform, Chloral, Benzoesäure) konnte er so erstmals deren Summenformel angeben.

Er gilt als Pionier der Agrarchemie. Liebig war bekannt, dass das Kohlendioxid über die Luft in die Pflanzen gelangt. Aufgrund von Ascheanalysen von Pflanzenmaterial stellte er fest, dass dem Boden laufendKalium,PhosphorundStickstoffentzogen wurden. Er setzte sich für die Verwendung von natürlichemDüngerund mineralischem, künstlich hergestelltem Dünger ein, um nachhaltig hohe landwirtschaftliche Erträge zu erreichen.

Liebig undFriedrich Wöhlerentdeckten dieIsomerie.Bislang hatten die Chemiker vermutet, dass bei einer identischenElementaranalyseder Stoff auch identisch sein sollte. Durch Analyse von Silbercyanaten konnten Wöhler und Liebig zeigen, dass eine identische Elementaranalyse auch bei zwei chemisch unterschiedlichen Stoffen möglich ist. Wöhler konnte auch als erster aus einer anorganischen Verbindung, dem Ammoniumcyanat, durch Erhitzen den organischenHarnstoffherstellen. Damit wurde die Theorie von Berzelius, der annahm, dass organische Stoffe nur von einem lebenden Organismus erzeugt werden können, falsifiziert. Diese Stoffsynthese machte Wöhler zum Begründer der organischen Chemie.

Jean Baptiste Dumas(1800–1884) entdeckte eine weitere organische Reaktion, die Substitution, die nicht mit der Radikaltheorie von Berzelius vereinbar war. Nach Berzelius konnte auch in einem organischen Molekül nur ein elektropositives Teilchen durch ein anderes elektropositives Teilchen in einem Molekül verdrängt werden. Dumas hatte gefunden, dass das elektropositive Wasserstoffatom in der Essigsäure durch das elektronegative Chloratom ersetzt werden konnte. Die Verschiedenartigkeit bei Reaktionen zwischen anorganischen und organischen Stoffen führte in der Folge zu einer verstärkten Aufklärung von Reaktionen in der organischen Chemie.

Chemische Entdeckungen im 19. Jahrhundert

Robert Bunsen

Der ChemikerRobert Bunsenentwickelte zusammen mitGustav Robert Kirchhoffum 1859 dieSpektralanalyse.Mit dieser analytischen Methode konnten anhand des sehr charakteristischen Spektrums viele neue chemische Elemente entdeckt oder in Mineralproben nachgewiesen werden. Bunsen entwickelte auch eine erste preiswerte Batterie, die bis zur Entwicklung des Elektrodynamos durch Werner von Siemens die wichtigste Art der Stromerzeugung blieb.

Hermann Kolbeerkannte das Kohlendioxid bzw. die Kohlensäure als Grundbaustein von vielen organischen Verbindungen. Durch Ersatz einer Hydroxygruppe der Kohlensäure durch Wasserstoff oder Alkylreste entstehen Carbonsäuren, durch den Ersatz zweier Hydroxygruppen entstehen Ketone oder Aldehyde. Kolbe entwickelte auch eine Synthese von Salicylsäure. August Wilhelm von Hofmannanalysierte Produkte des Steinkohleteers und ermittelte die Summenformel vonAnilin,dem Ausgangsprodukt vieler späterer synthetischer Farbstoffe. Auch eine synthetische Methode zur Darstellung von Anilin aus Benzol wurde von ihm entwickelt. Der Schüler von Hofmanns,William Henry Perkin,entwickelte den ersten synthetischen Farbstoff, dasMauvein.

Noch in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde unter anderem dieAtomtheorieausgebaut, dieValenzlehrebegründet und die Forschung zurStereochemieundKolloidchemiebegonnen.Friedrich August Kekulé von Stradonitz(1829–1896) erkannte, dass das Kohlenstoffatom vier Bindungsvalenzen zu Nachbaratomen aufwies. ChemischeStrukturformelnfanden nun Eingang in die Chemie, für die Planung von Synthesen und Analysen von organischen Verbindungen war dieses Wissen sehr wichtig. Besonders bedeutsam war auch Kekulés Strukturaufklärung vonBenzol.1865 hatte er erkannt, dass derBenzolringdie Grundlage für die Konstitution der aromatischen Verbindungendarstellt. Aufgrund der Kenntnis von chemischen Strukturen entwickelte der ChemikerAdolf von BaeyerSynthesen der FarbstoffeIndigoundPhenolphthalein. Industriechemiker wieHeinrich von Bruncksetzten die Entdeckungen der Chemiker in der Großindustrie um. Wirtschaftlich wichtige Industrieproduktionen waren die Herstellung vonIndigo,Kalziumcyanamid,das Kontaktverfahren zur Gewinnung vonSchwefelsäurenachRudolf Knietsch,die elektrolytische Darstellung vonChlorundNatronlauge.

Eugène Chevreuluntersuchte dieFetteundFettsäuren,Emil Fischerklärte die Strukturen vonZuckernundKohlenhydraten,AminosäurenundPeptidenauf.

In der chemischen Forschung zur Gesundheitsverbesserung ragten Arbeiten vonLouis Pasteur,die Untersuchungen zur Gärung und die Abtötung von mikrobiellen Krankheitserregern durch Kochen (Pasteurisieren);Paul Ehrlich,die Entdeckung von Färbereagenzien in der Medizin (z. B.Methylenblauzur Anfärbung von Zellkernen und Mikroorganismen und die Diazoreaktion im Harn bei Typhuserkrankungen) sowie der Entdeckung desSalvarsans,Hermann KolbesSynthese derSalicylsäure(deren acetylierter AbkömmlingAcetylsalicylsäurespäter als „Aspirin “breite Anwendung fand), Emil Fischers Synthese vonVeronalheraus.

Physikalische Methoden erlangten in der Chemie größere Bedeutung.Thomas GrahamuntersuchteDiffusionsvorgängebei Gasen und Flüssigkeiten,Jacobus Henricus van ’t Hoff,Svante ArrheniusundWilhelm Ostwaldentdeckten um 1887 die (elektrolytische)Dissoziationvon Salzen und Säuren in Wasser. Diese Entdeckungen förderten die Entwicklung in derElektrochemieundTitrimetrie,pH-Indikation. Auch die Forschung nachKatalysatorenwurde zu einem wichtigen Teilbereich der physikalischen Chemie;, der besonders wichtige Eisen-Katalysator zurAmmoniaksynthesewurde vonFritz Haberentdeckt,Wilhelm Ostwaldentdeckte den Platinkatalysator für dieSalpetersäureherstellungnach demOstwaldverfahren.

Die chemische Industrie bis zum Ersten Weltkrieg

→Hauptartikel:Chemische Industrie

Farbenchemie

Mit der Synthese vonAlizarin1869, dem bis dahin aus großflächig angebautemFärberkrappgewonnenen roten Farbstoff, durchCarl GraebeundCarl Liebermannbegann der Siegeszug synthetischer Farbstoffe und der Niedergang des Anbaus von Pflanzen zur Farbstoffgewinnung. RotesFuchsin,erstmals synthetisiert 1858, bildete die wirtschaftliche Basis für die späterenFarbwerkeHoechst AG.Als weiterer wichtiger synthetischer Farbstoff folgte unter anderemIndigo,synthetisiert 1878 vonAdolf von Baeyer.

Bis zumErsten Weltkriegwar Deutschland führend insbesondere in der Farbstoffchemie. Es verlor seine Vormachtstellung, da die Patente und Markenzeichen während des Ersten Weltkriegs in den Ländern der Kriegsgegner enteignet wurden und dort eine eigene chemische Industrie nach Wegfall von Deutschland als Handelspartner aufgebaut wurde. Durch den Friedensvertrag von Versailles gab es außerdem Handelsrestriktionen.

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 vertriebeneSalvarsan®,entwickelt vonPaul EhrlichundSahachiro Hata.

Elektrochemie

Mit der revolutionären Idee, chemische Elemente lägen in Lösung in Form von elektrisch geladenenIonenvor, legte der englische Physiker und ChemikerMichael Faradaydie Grundlage für die Elektrochemie und formulierte 1832 seine Theorie derElektrolysein seinenFaradayschen 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 dieWacker-Chemieim bayerischen Burghausen. Damit wurde die großtechnische Herstellung vonAluminium,Magnesium,Natrium,Kalium,Silicium,Chlor,Calciumcarbidusw. ermöglicht, was zu weiteren Impulsen zur Errichtung von großen Chemiewerken führte (vgl. unterChemie in der Neuzeit).

Sprengstoffe und Düngemittel

Die großtechnische Einführung desHaber-Bosch-Verfahrenszur katalytischen Gewinnung von Ammoniak aus Luftstickstoff im Jahre 1910 sowie andererRedoxreaktionenhatte nicht nur eine große wissenschaftliche sowie wirtschaftliche, sondern auch eine enorme strategische Bedeutung. Damit war die Herstellung der für die Produktion vonSprengstoffen,DüngemittelnundFarbstoffenunerlässlichenSalpetersäurein Deutschland möglich, ohne aufSalpeterimporteaus Übersee angewiesen zu sein.

Die Modifizierung von Naturstoffen

Etwa seit Mitte des 19. Jahrhunderts hatten Chemiker begonnen,Naturstoffedurch chemische Prozesse abzuwandeln, um so kostengünstige Werkstoffe als Ersatz für teure zu gewinnen. Vor allem wirdZellulosemodifiziert: Es entsteht zunächstNitrozellulose,die in Form vonZelluloidFischbeinvonBartenwalenersetzt und als Zellseide eine billige, wenn auch extrem feuergefährliche Alternative zu Naturseide bot. Weitere Entwicklungen führen zu weniger gefährlichen Zelluloseprodukten, z. B.Viskose.1897 wird aus Milcheiweiß als Ersatz für Horn der StoffGalalitherzeugt.

Viele dieser Entwicklungen jener Zeit fanden in Deutschland statt.

Chemie im Ersten Weltkrieg

Besonders auf deutscher Seite übte der Krieg einen großen Einfluss auf die Entwicklung der Chemie und der chemischen Industrie aus. Zum einen verloren deutsche Unternehmen (vor allem nach dem Kriegseintritt der USA 1917) die Verbindung zu ihren ausländischen Zweigwerken. Aus diesem Grund teilten sich einige renommierte Unternehmen in ein deutsches und ein amerikanisches Unternehmen. Dies traf auf den traditionellen Händler und Hersteller von Chemikalien,Merckin Darmstadt zu oder auf den Spezialisten für GerbereichemikalienRöhm,der später dasPlexiglasentwickelt hatte.

Auf der anderen Seite zwang der Mangel aufgrund der Blockade und der Umstellung auf Kriegsproduktion Deutschland, für viele Zwecke auf synthetische Ersatzprodukte zurückzugreifen. Das gilt etwa für Gewürze, die durch von der chemischen Industrie hergestellte Aromastoffe auf geeignetem Trägermaterial ersetzt wurden. So gab es Ersatzpfeffer, der synthetischesPiperinauf gemahlenen Haselnussschalen war.

Der Krieg veranlasste Chemiker auch dazu, sogenannteKampfgasezu entwickeln und einzusetzen. Führend dabei warFritz Haber.

Teilweise profitierte die chemische Industrie stark von der Produktion kriegswichtiger Materialien wie Salpetersäure und Sprengstoffen sowie Kampfgasen und Filter für Gasmasken.

Chemische Industrie seit dem Ersten 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 derPolymerchemie,von damaligen Chemikern oft geringschätzig als „Schmierenchemie “bezeichnet, istHermann Staudinger,der die theoretische Grundlage für diesen Zweig legte. In den 1930er-Jahren wurden die ersten vollsynthetischenKunststoffeentwickelt und in die industrielle Produktion gebracht:PVC,Polyvinylacetat,Nylon,Perlonund dazu kautschukartige Massen (Buna).

Den ganz großen Aufschwung erlebte die Herstellung und Verwendung von Polymeren (Kunststoffen) bald nach demZweiten 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 geringeErdölvorkommenaufzuweisen hatte, hingegen riesige MengenKohle,wurde die Erzeugung von Motortreibstoff aus Steinkohle vorangetrieben. Das Ergebnis sind dieFischer-Tropsch-Syntheseund dasBergius-Pier-Verfahren. Damit erlangt die Chemie am Vorabend eines weiteren Krieges wieder strategische Bedeutung, was auch auf den synthetischenKautschukzutrifft, der zunächst vor allem für Reifen von Militärfahrzeugen gebraucht wurde.

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 DDTDichlordiphenyltrichlorethanab Anfang der 1940er Jahre träumte man von einer völligen Beseitigung derMalariadurch totale Ausrottung der sie übertragendenMücken.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 und den Erlass einesDDT-Gesetzes,das Produktion, Handel und Anwendung von DDT verbietet.

Mit denSulfonamidenkommt aus den Laboratorien der Arzneimittelentwickler eine Gruppe von potenten Medikamenten gegen Bakterieninfektionen verschiedener Art. Der erste Vertreter dieser Gruppe war 1935Prontosil,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

DasMassenwirkungsgesetz,vonCato Maximilian GuldbergundPeter Waageim Jahr 1864 formuliert, beschreibt das Verhältnis von Ausgangsstoffen zu 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 derKinetikwerden 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 Ostwald1909 denNobelpreiserhielt.

Bindungstheorien

Walter Kossel(1915) undGilbert Newton Lewis(1916) formulierten ihreOktettregel,wonach Atome anstreben, acht Außenelektronen zu erlangen. Bindungen zwischen 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. NeueAtommodellehaben jedoch stets der theoretischen Chemie neue Impulse gegeben.

Heute sind die Atommodelle 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 Analysetechnik zusammen. Darüber hinaus werden chemischeAnalyseverfahren– nasschemischeNachweisreaktionensowie später dieinstrumentelle Analytik– etwa seit Mitte des 19. Jahrhunderts mehr und mehr in anderen Disziplinen von Wissenschaft und Technik eingesetzt. Ein in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts verbreitetes Lehrwerk der analytischen Chemie war das vonFrederick Pearson TreadwellZu 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 Vergiftungeneine Rolle zu spielen. Als Pionierleistung ist diesbezüglich dieMarsh'sche ProbealsNachweisreaktionfür Arsen zu nennen.

Qualitative Analyse

Diequalitative Analysesoll 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

DasLötrohrwurde 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 warFreibergmit seinem reichen Erzbergbau.

Nasschemische Verfahren

Intensiv in Gang kamen nasschemische Verfahren im Laufe des 19. Jahrhunderts. Dabei werden im Bereich der anorganischen Analyse die in der Probe enthaltenen Elemente durch systematisches Fällen imKationentrenngangund durch geeignete Farbreaktionen nachgewiesen. Entsprechende Verfahren wurden für Anionen entwickelt.

Die qualitative Analyse von organischen Substanzen erforderte im Bereich der Farbreaktionen besonders viel Erfahrung, da viele Substanzen ähnliche Farbreaktionen ergaben. Die Verfahren konnten durch die Weiterentwicklung der Laborgeräte und durch immer reinereReagenzienimmer empfindlicher gemacht werden, sodass sowohl die Größe der notwendigen Probenmengen immer kleiner wurde, als auch die nachweisbare Konzentration weiter und weiter sank.

Physikalische Verfahren

Schon in den Anfängen der Probierkunst wurden physikalische Verfahren (Flammenfärbung) zur Identifizierung von Elementen eingesetzt. Mit dem AusbauspektroskopischerMethoden im Bereich der ultravioletten, der sichtbaren, der infraroten und der Röntgenstrahlung wurde die Identifizierung von Substanzen immer sicherer, exakter und auch schneller. Hier lassen sich qualitative und quantitative Bestimmungen miteinander kombinieren, ebenso wie beichromatographischenVerfahren.

Quantitative Analyse

Erst durch den Einsatz präziser Messinstrumente (vor allem Waagen) und quantitativer analytischer Methoden konnte sich seit dem 17. und 18. Jahrhundert aus der Alchemie die Chemie als Naturwissenschaft entwickeln.Fortschritte in der Genauigkeit und Empfindlichkeit vonquantitativen Analysenmit dem Ziel genauesterGehaltsangabensind daher stets mit einer Weiterentwicklung von Geräten zur Messung von Masse und Volumen verbunden. Dies führte oft zu Entdeckungen neuer chemischer Elementen, Verbindungen und Reaktionen.

Gravimetrie

DieGravimetrie,also die Mengenbestimmung mit einer empfindlichen Waage, kann wohl alsdieAnalysemethode des 19. Jahrhunderts angesprochen werden. Dabei wurde nach zuverlässigen Reaktionen gesucht, in denen die Menge der Produkte nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch in einem eindeutigen Verhältnis zum zu bestimmenden Ausgangsstoff steht. Ein klassisches Beispiel für dieses Verfahren ist die Bestimmung desChloridgehaltesdurch Fällen mitSilbernitratund Wiegen des getrockneten Niederschlages vonSilberchlorid.Auch bei derElementaranalysespielt Gravimetrie eine wichtige Rolle, z. B. mit Hilfe des von Liebig entwickeltenFünf-Kugel-Apparates.

Gravimetrische Verfahren sind umständlich und langsam, wenn auch sehr genau. Das nach der Fällungsreaktion notwendige Filtrieren, Auswaschen und Trocknen dauerte, je nach Substanz, Stunden bis Tage. Daher suchte man nach schnelleren Verfahren, die besonders in der Qualitätskontrolle einer industriellen Chemieproduktion sehr gesucht sind.

Mit derElektrogravimetriewurde das Verfahren derElektrolyseab etwa dem Beginn des 20. Jahrhunderts als Verfahren zur sauberen Abtrennung von Metallen aus den Lösungen ihrer Ionen, die anschließend gewogen wurden, eingeführt.

Volumetrie

Die Gravimetrie erlaubte sehr genaue Analyseresultate, war jedoch in der Durchführung zeitraubend und aufwendig. Im Zuge der aufblühenden chemischen Industrie wuchs die Nachfrage nach schnelleren und dennoch genauen Analysemethoden. Die Messung des Volumens einer Reagenzlösung bekannten Gehaltes (Maßlösung) konnte vielfach eine gravimetrische Bestimmung ersetzen. Bei einer solchenTitrationmuss der zu bestimmende Stoff schnell und in eindeutiger Weise mit der Maßlösung reagieren. Das Ende der Reaktion muss erkennbar sein. Hierzu verwendet man häufig Farbindikatoren. Die Waage kam jetzt nur noch bei der Herstellung der Maßlösung zum Einsatz. Solche volumetrischen (titrimetrischen) Verfahren kamen bereits gegen Ende des 18. Jahrhunderts auf. Sie entwickelten sich aus halbquantitativen Probiermethoden beispielsweise zur Gütebestimmung vonWeinessig.Hierbei gab man zu einer abgemessenen Essigprobe solangeSodapulverhinzu, bis kein erneutes Aufschäumen (Kohlendioxidbildung) mehr auftrat. Je mehr Soda verbraucht wurde, desto besser war der Essig. Eines der ersten sehr genauen Titrationsverfahren war die Chloridbestimmung nachGay-Lussac(Klarpunkttitration mitSilbernitratlösung). Weitere Verbreitung fanden Titrationen, als entscheidende praktische Verbesserungen vorgenommen wurden. So ermöglichte dieBürettemit Quetschhahn nachMohreine leichte und genaue Dosierung der Maßlösung. Im Laufe des 19. und 20. Jahrhunderts wurden viele unterschiedliche Reaktionstypen für die Titration nutzbar gemacht. Hierzu gehörten neben den schon länger bekannten Fällungs- und Säure-Base-Titrationen auch Redox- und Komplextitrationen.

Chromatographische Methoden

Der russische BotanikerMichail Semjonowitsch Zwetberichtete 1903, dass sich gelöste Stoffe durch Durchfließen einer mit einem Adsorptionsmittel gefüllten Säule trennen lassen. Das Verfahren fand erst in den 1930er-Jahren vermehrt Beachtung, führte dann aber zu einer großen Zahl von Verfahren, die für qualitative und quantitative Bestimmungen von zahlreichen Substanzen aus Gemischen geeignet sind:Papierchromatographie,Gaschromatographie,Hochdruckflüssigchromatographie,Gelpermeationschromatographie,Dünnschichtchromatographie,Ionenaustauschchromatographie,Elektrophorese.

Solche Verfahren revolutionierten die Analyse von komplexen Gemischen. Oftmals war erst durch eine chromatographische Methode eine umfassende Analyse möglich. In allen Fällen beschleunigte und verbilligte die Chromatographie die Arbeit der analytischen Labors und machte dadurch eine erhebliche Ausweitung vonLebensmittelkontrollenundDopingkontrollensowie genauere Prozessüberwachung zahlreicher Produktionsprozesse als Routinemaßnahme erst praktisch möglich.

Einen weiteren Qualitätssprung bedeutete in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts die Kombination chromatographischer Trennverfahren mit spektroskopischen Identifizierungsverfahren wieMassenspektrometrie,Infrarotspektroskopieund anderen.

Automatisierung von Analyseverfahren

Seit der Entwicklung der elektronischen Datenverarbeitung wurden Analyseverfahren mehr und mehr automatisiert. Dazu eigneten sich besonders volumetrische, spektroskopische und chromatographische Verfahren. Die Automatisierung führte zu einer wesentlichen Kapazitätsausweitung der Analysenlabors und zu einer Senkung der Kosten. Dies hatte zur Folge, dass zu Kontroll- und Überwachungszwecken mehr Analysen durchgeführt werden konnten. Die Automatisierung von Analyseverfahren hat sehr wesentlich dazu beigetragen, Lebensmittelkontrollen, Dopingkontrollen, klinische Blut- und Gewebeuntersuchungen usw. auszuweiten und zu einem alltäglichen Kontrollinstrument zu machen. Auch in der Forschung konnten wesentlich größere Probenserien analysiert werden und so sicherere Aussagen, beispielsweise über Abhängigkeiten von Wirkstoffgehalten in Pflanzen oder über mineralogische Zusammenhänge gemacht werden. Außerdem führte die Automatisierung durch präzisere Einhaltung von Bedingungen, besonders bei der Probenahme und Probenaufgabe, zu einer weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit.

Die Entwicklung der Laborausstattung

Labor des chemischen Institutes derUni Leipzig(1906)

Sowohl für die Möglichkeiten derAnalytikals auch für die Herstellung von Substanzen im kleinen Maßstab spielte die Ausstattung der Labors eine wichtige Rolle. Zunächst standen zum Erhitzen nur kleine Holzkohleöfen zur Verfügung, die schwierig zu regulieren und umständlich zu handhaben waren. Mit der Einführung vonLeuchtgasin den Städten und der Erfindung desBunsenbrennersstand eine unkomplizierte und leicht zu regulierende Möglichkeit zum Erhitzen zur Verfügung. Dazu spielt die Erfindung derVulkanisierungvonKautschukdurchCharles Goodyeareine wichtige Rolle, da hierdurch Gummischläuche als flexible Gasleitungen zur Verfügung standen. Immer wieder ermöglichten gerade Entwicklungen der Chemie die Weiterentwicklung der Laborausstattung, was dann wiederum zu einem weiteren Fortschritt der Chemie führte. Einen weiteren Schritt hin zu exakter Temperaturführung sind die elektrischen Heizpilze und thermostatisierte Wasserbäder, die ihren bisherigen Höhepunkt in einer computergesteuerten Reaktionsführung mittels Thermosensoren und gesteuerter elektrischer Heizung finden.

Glasgeräte waren ursprünglich dickwandig und klobig. Dies war ein wesentlicher Grund, warum für Analysen große Materialmengen benötigt wurden. Mit der Einführung der Gasflamme in die Glasbläserei und mit der Weiterentwicklung von Zusammensetzung der Gläser konnten Laborgeräte immer kleiner, dünnwandiger und in komplexeren Formen hergestellt werden. Die so entstehende Vielfalt von aus der Praxis entwickelten Geräten half sehr wesentlich dabei mit, die Analysenmengen zu verringern und für die Herstellung von Substanzen immer komplexere Prozesse praktisch durchführen zu können. Durch Einführung des Normschliffes für Glasgeräte in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden die mittlerweile industriell hergestellten Einzelteile problemlos gegeneinander austauschbar und erlaubten den Aufbau von sehr komplexen, spezialisierten Versuchsanordnungen mit geringem zeitlichen Aufwand.

Immer mehr fanden Kunststoffe Eingang ins chemische Labor und erleichterten die Arbeit. Waren unzerbrechliche, chemikalienbeständige Gefäße im 19. Jahrhundert noch aus mit Paraffin getränkter Pappe, bestehen viele moderne Laborgeräte aus Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polycarbonat und, für besonders gute Beständigkeit gegen Säuren und Laugen sowie mit sehr leicht zu reinigender Oberfläche aus Polytetrafluorethylen (Teflon). Die Einführung von leichten, kostengünstig herzustellenden Geräten aus Kunststoff führte zur immer häufigeren Verwendung von Einweg-Geräten. Dadurch wurde die Gefahr der Verunreinigung mit Resten von früherem Arbeiten ausgeschaltet und die Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit von Analysen weiter in die Höhe getrieben.

Mit dem Einzug von elektrischen Geräten in die Technik ab dem Beginn des 20. Jahrhunderts profitierte auch das chemische Labor von elektrischen Rührern, Schüttlern, Mühlen, Pumpen usw., die die Arbeit wesentlich erleichterten. Ein nächster Schritt sind gesteuerte Geräte, die im zeitlichen Ablauf programmiert werden können. Dies machte eine persönliche Überwachung, vor allem von lang dauernden Prozessen mit Parameteränderungen, verzichtbar.

Gesellschaftliche Reaktionen gegen das Eindringen der Chemie in jeden Bereich

Beginnend im 19. Jahrhundert wurde die Chemie ein immer bedeutenderer wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Faktor. Die Rolle der Chemie, vor allem der Chemieindustrie, mit ihren Schattenseiten war immer wieder mit unterschiedlichen Schwerpunkten in der Diskussion. Auf der anderen Seite veränderte die Chemie durch neue Substanzen das äußere Erscheinungsbild von Menschen und Gebäuden, man denke etwa an Farben und Kunststoffe.

Arbeitssicherheit

Die erste gesellschaftliche Reaktion betraf die in der Anfangszeit schlimmen Arbeitsbedingungen in der chemischen Industrie, die zu schweren Erkrankungen von Chemiearbeitern und Arbeiterinnen führten. Nicht immer war dies auf Gleichgültigkeit von Unternehmern zurückzuführen, meist waren die Gefahren durch die neuen Stoffe noch unbekannt. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden Vorschriften zur Arbeitssicherheit erlassen, die die Gefahren verminderten. Dazu gehörten auch regelmäßige ärztliche Untersuchungen. Mit der Einführung immer besser geschlossener Prozesse und immer besserer persönlicher Sicherheitsausrüstung in der Industrie verminderten sich die Risiken durch das Einatmen, Verschlucken oder die Aufnahme durch die Haut erheblich.

Ein zweites Risiko in der chemischen Industrie ist das Unfall- und Brandrisiko, das immer noch gegeben ist. Durch immer besseren vorbeugenden Brandschutz, zu dem das immer tiefere chemische Wissen erheblich beiträgt, durch immer besser ausgebildete und ausgerüsteteWerkfeuerwehrenmit immer mehr chemischem Wissen konnte das Risiko immer weiter gedrückt, aber nie ganz ausgeschaltet werden, wie spektakuläre Chemieunfälle in den letzten Jahren zeigen. Chemieunfälle wie das durchCyanidausgelöste Fischsterben in derTheißoder der gar die rund 8000 Toten (weitere 20.000 an den Spätfolgen) vonBhopalführten ebenso wie andere Unfälle zu heftigen Diskussionen über die Risiken einer chemischen Industrie.

Emissionen und Abfall

In der Anfangszeit der chemischen Industrie unterschätzte man das Potential der Umweltschädigung durch Abwässer und Emissionen mit der Abluft sehr stark. Der erste Schritt zu einer Verbesserung der Situation bestand in einer Erhöhung der Schornsteine, so dass sich dieSchadstoffeüber ein weiteres Gebiet in derErdatmosphäreverteilen und so verdünnen konnten. Erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts begann allmählich ein Umdenken – nicht nur im Hinblick auf landwirtschaftlich ausgetragenePestizide,privat emittiertenTabakrauchund überschüssige Waschmittel-Phosphate. Eine wachsende Umweltbewegung zwang die Industrie ab etwa 1970 zunehmend, Abwasser und Abluft zu reinigen und so die Schadstoff-Emissionen zu minimieren.

Biobewegung

Nachdem die chemische Industrie als Heilsbringer in der Landwirtschaft bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts hochgelobt wurde und auch beachtliche Erfolge zur Ertragssteigerung vorweisen konnte, bildete sich etwa ab 1970 eine zunächst immer stärker werdende Bewegung, die in der Gründung sogenanntergrüner Parteiengipfelte. Diese Bewegung kämpfte gegen den immer stärker werdenden Anteil von synthetischen Substanzen der chemischen Industrie in der Landwirtschaft alsDünger,Wachstumsförderer,Tiermedikament,Schädlingsbekämpfungsmittelusw.

Die grüne Bewegung nahm sich auch der Nahrungsmittelherstellung an und prangerte nicht nur chemisch gestützte Pflanzen- und Tierproduktion an, sondern auch die Verwendung von künstlichen Stoffen als Bestandteile oder Zusatzmittel für Lebensmittel. Als Gegenreaktion großindustrielle Produktion in Landwirtschaft und Nahrungsmittelerzeugung mit starkem Einfluss chemischer Methoden und künstlicher Substanzen fordert dieÖkobewegungeine Beachtung natürlicher Kreisläufe mit nur sanftem Eingriff des Menschen und den möglichst vollständigen Verzicht auf die Einbringung von künstlichen Substanzen in den biologischen Kreislauf. Eine entsprechende ressourcen- und umweltschonende Strömung in der Chemie trägt den NamenGrüne Chemie.

Siehe auch

• Geschichte der Naturwissenschaften

Literatur

Bücher

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• Michael Wächter:Chemiegeschichte(n) im Unterricht: Historische Entdeckungen und Erkenntnisse– hier als fachdidaktische Hilfen für den Chemieunterricht – als Gratis-Download beim Bildungsserver mundo frei zugänglich über:https://mundo.schule/details/SODIX-0001008881

Ältere Literatur:

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• James Campbell Brown:A history of chemistry from the earliest times.2. Auflage. Churchill, London 1920.(Archive)
• Eduard Färber:Die geschichtliche Entwicklung der Chemie.Springer, Berlin 1921.(Archive)
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• Hermann Kopp:Beiträge zur Geschichte der Chemie.Braunschweig 1869–1875.
• Edmund Oskar von Lippmann:Zeittafeln zur Geschichte der organischen Chemie.Springer, Berlin 1921.
• Ernst von Meyer:Die Geschichte der Chemie von den ältesten Zeiten bis zur Gegenwart.1899. (3. Auflage 1914)
• Paul Walden:Geschichte der organischen Chemie seit 1880.Julius Springer, Berlin 1941. (Reprint 1990)
• Paul Walden:Maß, Zahl und Gewicht in der Chemie der Vergangenheit. Ein Kapitel aus der Vorgeschichte des sogenannten quantitativen Zeitalters der Chemie.(=Sammlung chemischer und chemisch-technischer Vorträge.Neue Folge, 8). Stuttgart 1931.
• Paul Walden:Chronologische Übersichtstabellen zur Geschichte der Chemie von den ältesten Zeiten bis zur Gegenwart.Berlin / Göttingen / Heidelberg 1952.
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Zur Literatur überAlchemiesiehe dort

Aufsätze

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• Jost Weyer:Hundert Jahre Stereochemie – Ein Rückblick auf die wichtigsten Entwicklungsphasen.In:Angew. Chem.86, 1974, S. 604–611.doi:10.1002/ange.19740861702
• J. Weyer:Die Entwicklung der Chemie zu einer Wissenschaft zwischen 1540 und 1740.In:Berichte zur Wissenschaftsgeschichte.1, 1/2, 1978 s. 113–121.
• Claus Priesner:Zur Geschichte der makromolekularen Chemie.In:Chemie in unserer Zeit.13, 1979, S. 43–50.doi:10.1002/ciuz.19790130203

Weblinks

Wikisource: Chemie– Quellen und Volltexte

• Selected classical papers from the history of chemistry