In vielerlei Hinsicht ist die Geschichte der Zivilisation die Geschichte der Chemie – das Studium der Materie und ihrer Eigenschaften. Der Mensch hat schon immer versucht, die Stoffe in seiner Umgebung zu erkennen, zu nutzen und zu verändern. Frühe Töpfer fanden schöne Glasuren, um ihre Waren zu verzieren und zu konservieren. Hirten, Brauer und Winzer nutzten Gärungstechniken, um Käse, Bier und Wein herzustellen. Hausfrauen laugten die Lauge aus Holzasche, um Seife herzustellen. Schmiede lernten, Kupfer und Zinn zu verbinden, um Bronze herzustellen. Handwerker lernten, Glas herzustellen; Lederer gerbten Häute.
Im achten Jahrhundert n. Chr. war Jābir ibn Hayyān, ein muslimischer Astronom, Philosoph und Wissenschaftler, einer der ersten, der wissenschaftliche Methoden zur Untersuchung von Materialien einsetzte. Er ist auch unter seinem latinisierten Namen Geber bekannt und wird als „Vater der Chemie“ bezeichnet. Man nimmt an, dass er 22 Schriftrollen verfasst hat, in denen Methoden der Destillation, Kristallisation, Sublimation und Verdampfung beschrieben werden. Er erfand den Destillierkolben, ein Gerät, das zur Destillation und Untersuchung von Säuren verwendet wurde. Er entwickelte auch ein frühes chemisches Klassifizierungssystem, das auf den Eigenschaften der von ihm untersuchten Stoffe beruhte. Seine Kategorien waren:
- „Spirituosen“ – Materialien, die beim Erhitzen verdampfen würden.
- „Metalle“ – einschließlich Eisen, Zinn, Kupfer und Blei.
- Nicht verformbare Substanzen – Materialien, die zu Pulver verarbeitet werden können, wie z. B. Stein.
Heute würden wir ähnliche Stoffe als „flüchtige Chemikalien, Metalle und Nichtmetalle“ bezeichnen.
Klassische Chemie
In Europa wurde das Studium der Chemie von Alchemisten betrieben, die das Ziel hatten, gewöhnliche Metalle in Gold oder Silber zu verwandeln und ein chemisches Elixier zu erfinden, das das Leben verlängern würde. Obwohl diese Ziele nie erreicht wurden, wurden bei diesem Versuch einige wichtige Entdeckungen gemacht.
Robert Boyle (1627-1691) untersuchte das Verhalten von Gasen und entdeckte die umgekehrte Beziehung zwischen Volumen und Druck eines Gases. Er stellte auch fest, dass „alle Realität und Veränderung in Form von Elementarteilchen und deren Bewegung beschrieben werden kann“, ein frühes Verständnis der Atomtheorie. Im Jahr 1661 schrieb er das erste Chemie-Lehrbuch, „The Sceptical Cymist“, das die Untersuchung von Substanzen weg von mystischen Assoziationen mit der Alchemie und hin zu wissenschaftlichen Untersuchungen lenkte.
Um 1700 hatte das Zeitalter der Aufklärung in ganz Europa Fuß gefasst. Joseph Priestley (1733-1804) widerlegte die Vorstellung, dass Luft ein unteilbares Element sei. Er zeigte, dass es sich stattdessen um eine Kombination von Gasen handelte, als er Sauerstoff isolierte und anschließend sieben weitere diskrete Gase entdeckte. Jacques Charles führte die Arbeiten von Boyles fort und ist bekannt dafür, dass er die direkte Beziehung zwischen Temperatur und Druck von Gasen feststellte. 1794 untersuchte Joseph Proust reine chemische Verbindungen und stellte das Gesetz der eindeutigen Proportionen auf – eine chemische Verbindung hat immer ihr eigenes charakteristisches Verhältnis der elementaren Bestandteile. Wasser zum Beispiel hat immer ein Verhältnis von zwei zu eins zwischen Wasserstoff und Sauerstoff.
Antoine Lavoisier (1743-1794) war ein französischer Chemiker, der wichtige Beiträge zur Wissenschaft leistete. Während seiner Arbeit als Steuereintreiber half Lavoisier bei der Entwicklung des metrischen Systems, um einheitliche Gewichte und Maße zu gewährleisten. Er wurde 1768 in die französische Akademie der Wissenschaften aufgenommen. Zwei Jahre später, im Alter von 28 Jahren, heiratete er die 13-jährige Tochter eines Kollegen. Es ist bekannt, dass Marie-Anne Lavoisier ihren Mann bei seinen wissenschaftlichen Studien unterstützte, indem sie englische Abhandlungen übersetzte und zahlreiche Zeichnungen zur Veranschaulichung seiner Experimente anfertigte.
Lavoisiers Beharren auf akribischen Messungen führte zu seiner Entdeckung des Gesetzes zur Erhaltung der Masse. Im Jahr 1787 veröffentlichte Lavoisier die „Methoden der chemischen Nomenklatur“, die die noch heute gebräuchlichen Regeln für die Benennung von chemischen Verbindungen enthielten. Seine „Elementare Abhandlung der Chemie“ (1789) war das erste moderne Lehrbuch der Chemie. Es definierte ein chemisches Element eindeutig als eine Substanz, deren Gewicht durch eine chemische Reaktion nicht verringert werden kann, und führte Sauerstoff, Eisen, Kohlenstoff, Schwefel und fast 30 weitere damals bekannte Elemente auf. Das Buch wies jedoch einige Fehler auf; es führte Licht und Wärme als Elemente auf.
Amedeo Avogadro (1776-1856) war ein italienischer Jurist, der im Jahr 1800 begann, Wissenschaft und Mathematik zu studieren. Indem er die Arbeiten von Boyle und Charles erweiterte, stellte er den Unterschied zwischen Atomen und Molekülen klar. Er stellte fest, dass gleiche Gasvolumina bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl von Molekülen enthalten. Die Anzahl der Moleküle in einer 1-Gramm-Molekulargewichtsprobe (1 Mol) einer reinen Substanz wird ihm zu Ehren Avogadro-Konstante genannt. Sie wurde experimentell auf 6,023 x 1023 Moleküle bestimmt und ist ein wichtiger Umrechnungsfaktor zur Bestimmung der Masse von Reaktanten und Produkten bei chemischen Reaktionen.
Im Jahr 1803 begann ein englischer Meteorologe, über das Phänomen des Wasserdampfes zu spekulieren. John Dalton (1766-1844) war sich bewusst, dass Wasserdampf Teil der Atmosphäre ist, aber Experimente zeigten, dass sich Wasserdampf in bestimmten anderen Gasen nicht bildete. Er vermutete, dass dies mit der Anzahl der in diesen Gasen vorhandenen Teilchen zusammenhängt. Vielleicht war in diesen Gasen kein Platz für die Wasserdampfteilchen, um einzudringen. Entweder gab es mehr Teilchen in den „schwereren“ Gasen oder diese Teilchen waren größer. Anhand seiner eigenen Daten und des Gesetzes der definitiven Proportionen bestimmte er die relativen Massen der Teilchen für sechs der bekannten Elemente: Wasserstoff (das leichteste und mit der Masse 1), Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor. Dalton erläuterte seine Ergebnisse, indem er die Grundsätze der ersten Atomtheorie der Materie darlegte.
- Elemente bestehen aus extrem kleinen Teilchen, die Atome genannt werden.
- Atome desselben Elements sind in Größe, Masse und anderen Eigenschaften identisch. Atome verschiedener Elemente haben unterschiedliche Eigenschaften.
- Atome können nicht erzeugt, unterteilt oder zerstört werden.
- Atome verschiedener Elemente verbinden sich in einfachen ganzzahligen Verhältnissen zu chemischen Verbindungen.
- In chemischen Reaktionen werden Atome kombiniert, getrennt oder umgeordnet, um neue Verbindungen zu bilden.
Dmitri Mendelejew (1834-1907) war ein russischer Chemiker, der für die Entwicklung des ersten Periodensystems der Elemente bekannt ist. Er listete die 63 bekannten Elemente und ihre Eigenschaften auf Karten auf. Als er die Elemente in der Reihenfolge ihrer zunehmenden Atommasse anordnete, konnte er Elemente mit ähnlichen Eigenschaften gruppieren. Bis auf wenige Ausnahmen hatte jedes siebte Element ähnliche Eigenschaften (die achte chemische Gruppe – die Edelgase – war noch nicht entdeckt worden). Mendelejew erkannte, dass die Tabelle noch genauer wurde, wenn er Leerstellen für die Stellen ließ, an denen kein bekanntes Element in das Muster passte. Mit Hilfe der Leerstellen in seiner Tabelle konnte er die Eigenschaften von Elementen vorhersagen, die noch nicht entdeckt worden waren. Mendelejews ursprüngliche Tabelle wurde aktualisiert, um die 92 natürlich vorkommenden Elemente und 26 synthetisch hergestellte Elemente aufzunehmen.
Beschreibung des Atoms
1896 entdeckte Henri Becquerel die Strahlung. Zusammen mit Pierre und Marie Curie wies er nach, dass bestimmte Elemente Energie in einem bestimmten Maß abgeben. 1903 erhielt Becquerel gemeinsam mit den Curies den Nobelpreis für die Entdeckung der Radioaktivität. Im Jahr 1900 entdeckte Max Planck, dass Energie nicht in kontinuierlichen Wellen, sondern in diskreten Einheiten, die er „Quanten“ (heute Photonen genannt) nannte, abgestrahlt werden muss. Es zeigte sich, dass Atome aus noch kleineren Teilchen bestehen, von denen sich einige wegbewegen können.
Im Jahr 1911 wies Ernst Rutherford nach, dass Atome aus einem winzigen, dichten, positiv geladenen Bereich bestehen, der von relativ großen Bereichen leeren Raums umgeben ist, in dem sich noch kleinere, negativ geladene Teilchen (Elektronen) bewegen. Rutherford nahm an, dass die Elektronen den Atomkern in separaten, sauberen Bahnen umkreisen, so wie die Planeten die Sonne umkreisen. Da der Kern jedoch größer und dichter ist als die Elektronen, konnte er nicht erklären, warum die Elektronen nicht einfach in den Kern gezogen wurden und das Atom zerstörten.
Niels Bohrs (1885-1962) Atommodell löste dieses Problem mit Hilfe der Planckschen Information. Photonen werden von einem elektrisch angeregten Atom nur bei bestimmten Frequenzen emittiert. Er stellte die Hypothese auf, dass Elektronen verschiedene Energieniveaus bewohnen und Licht nur dann ausgesandt wird, wenn ein elektrisch „angeregtes“ Elektron gezwungen wird, das Energieniveau zu wechseln.
Elektronen im ersten Energieniveau, das dem Kern am nächsten ist, sind fest an den Kern gebunden und haben relativ wenig Energie. In Niveaus, die weiter vom Kern entfernt sind, haben die Elektronen eine zunehmende Energie. Die Elektronen des am weitesten vom Kern entfernten Energieniveaus sind nicht so fest gebunden und sind die Elektronen, die bei der Bindung von Atomen zu Verbindungen beteiligt sind. Der periodische Charakter der Elementeigenschaften ergibt sich aus der Anzahl der Elektronen im äußeren Energieniveau, die an chemischen Bindungen beteiligt sein können. Obwohl die Bohr’schen Modelle durch genauere Atommodelle ersetzt wurden, sind die zugrunde liegenden Prinzipien solide, und die Bohr’schen Modelle werden immer noch als vereinfachte Diagramme zur Darstellung chemischer Bindungen verwendet.
Unser Verständnis des Atoms wurde immer weiter verfeinert. Im Jahr 1935 erhielt James Chadwick den Nobelpreis für seine Entdeckung, dass es im Atomkern eine gleiche Anzahl elektrisch neutraler Teilchen gibt. Da Neutronen elektrisch neutral sind, werden sie weder von Elektronen noch von Protonen abgelenkt. Außerdem haben Neutronen eine größere Masse als Protonen. Diese Tatsachen machen es möglich, dass Neutronen in Atome eindringen und den Kern aufspalten können, wobei große Mengen an Energie freigesetzt werden. In den letzten Jahren wird immer deutlicher, dass die Protonen, Neutronen und Elektronen der klassischen Chemie aus noch kleineren subatomaren Teilchen zusammengesetzt sind. Die Wissenschaften Chemie und Physik sind zunehmend miteinander verflochten, und die Theorien überschneiden und widersprechen sich, während wir weiterhin die Materialien erforschen, aus denen unser Universum besteht.
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