(3)~ I Motivation: Dem Thema "Geschichte der Naturwissenschaften&#34

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Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seite

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Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und Staatsexamensarbeiten bereit.

Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007

Dirk Seihei

Wintersemester 1995/96

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I

Motivation:

Dem Thema "Geschichte der Naturwissenschaften" kommt in den Lehtveranstalltungen der Universität keine besondere Bedeutungzu. Esgibt keine oder kaum Vorlesungen, die sichmit

dem geschichtlichen Werden der Natutwissenschaften beschäftigen, und es bleibt dem Ermessen derLehrenden überlassen, ob undinwelchem Ausmaß sie diesem Thema in ihren Veranstaltungen Raum geben. Dabei kommt dem Thema "Geschichte" auch in den

Naturwissenschaften meiner Meinungnacheine nicht zuunterschätzende Bedeutungzuund zwarnicht nur imallgemeinbildenden Sinne. Esistfür dasVerständnis des

naturwissenschaftlichen Wissens unsererZeit erforderlich zu erkennen, daß essich dabei nicht um etwasfertiges, abgeschlossenes handelt, sondern um etwas historisch gewordenes.

Esist erforderlich zuerkennen, daßjahrhundertelanges Arbeitenund hartes Ringen um die Wahrheit hinter dem steht, was wirheute so mühelos und scheinbar selbstverständlich in den modemen Lehrbüchern präsentiert bekommen. Einweiterer Aspekt der Beschäftigung mit der Geschichte der Naturwissenschaftenistder, daß mandabei versuchen sollte die Arroganz, die manche den vermeintlich Unwissenden vergangener Generationen und Jahrhunderte

entgegenbringen, abzulegen. Wenn man einmalerkannt hat, welche Mühe und welches leidenschaftliche Arbeiten hinter heute vergleichsweise banalen und dem. sogenannten

"gesunden Menschenverstand" scheinbar unmittelbar einleuchtenden Erkenntnissen steht, kann man den Forschenden vergangener Zeiten einen ganz andere Wertschätzung zukommen lassen, auch dann wenn ihre Forschungsarbeiten heute als überholt und widerlegt gelten.

Dies waren neben einem ganz allgemeinen Interesse anGeschichte die Gründe diesen Vortrag über die Geschichte der Chemie vorzubereiten. Er mag vielleicht dem einem oder anderen Anregung sein diese Thematik mit inden Schulunterricht hinzunehmen, da für die Schule meiner Meinung nach dasgleiche giltwie das, wasich oben für den Bereich der universitäten Bildung gesagt habe.

Zur Gliederung des Vortrags:

(VI) (V2N3) (V4N6) (V5)

Zur Gliederung diese Vortrages bietet es sich natürlich an die Chronologie der verschiedenen Entdeckungen im Bereich der Chemie als,,roten Faden" einzusetzen. Allerdings soll es bei diesem Vortrag nicht nur um den bloßen Ablauf der einzelnen Ereignisse gehen. Es soll auch ,r') ein thematischer Zusammenhang zwischen den Entdeckungen, die im folgenden beschrieben werden, hergestellt werden. Ich habe mich bei der Gestaltung dieses Vortrages besonders für die Faktoren interessiert, die zur Entwicklung der Chemie als moderne Natutwissenschaft beigetragen haben. Die Frage, die dem Vortrag zugrunde liegt, ist:

"Woher bezogen die Forscher vergangener Jahrhunderte ihr Wissen ?"

Zeitlichist daher besonders die Anfangsperiode der Chemie alsmodeme Naturwissenschaft, alsodas 17. und 18. Jahrhundert, interessant.

DerVortrag umfaßt nun folgende Themengebiete und Versuche : I. Alchemie

II.Handwerk / vorindustrielle Produktion von chemischen Grundstoffen ID.Meßkunst

IV. Theoriebildung

zu I. Entdeckung von Weißem Phosphor

zuIl, Darstellung von Pottasche und Berliner Blau

zuIll, Das Boylesche Gesetz /Elementaranalyse nach Liebig

zuN. Darstellung von Wasserstoff nach Lavoisier

Je Alchemie

Versuch 1) Darstellung von weißem Phosphor

Warumsteht die AlchemieamAnfangdieses Vortrages? Die Theorien der Alchemiemit ihrem mystisch esoterischemAnsatz haben wenig gemeinsam mit der vorwiegend empirischen Theoriebildung der modemen Chemie.

Es sind vor allem die praktischenLeistungender Alchemisten, die Entwicklungvon Arbeitstechniken wie Destillieren, Sublimierenoder Filtrieren zum einen und der Umgang und dieEntdeckungvon Stoffen wie Borax oderAlaun zumanderen, die mich bewogen habendasThemengebiet,,Alchemie"anden Anfang des Vortrageszustellen.

Es istandieser Stelle jedoch nicht möglich, im Detailaufdie Alchemie mitihrer zweitausendjährigen Geschichte einzugehen. Anstattdessen soll hierdasWirken eines Alchemistenausder Spätphaseder Alchemie im 17. Jahrhundertnäherbeschrieben werden.

ImJahre 1669 glühte derHamburgerAlchemistHenningBrandineiner Retorte die Rückstände, die er durch das Destillieren von menschlichemHarnerhaltenhatte,und

bemerkte dabei eine starke Leuchterscheinung, die wiewir heute wissen auf die Bildung von weißem Phosphor zurückzuführen ist

Was ist dabei passiert? \

Dasim Harn enthaltene Na.NHJIP04 ist durch den Kohlenstoffausdem organischenAnteil desHarns zuweißem Phosphor reduziert worden.

An der Stelle diese schwer nachzuvollziehenden Versuches soll an dieser Stelle ein ähnlicher beschrieben werden, den C.W. Scheele im Jahre 1769 durchfiihrte:

Weißer Phosphor aus Knochenasche

Chemikalien:

Knochen ( Rinder-, Schweine- oder Hübnerknochen) Magnesiumpulver

CO2-Druckgasflasche Gerlte:

Quarzglasglührohr, Gaswaschflasche, PVC-Schläuche, Bunsenbrenner, Stativmaterial, Simen-Müller-Ofen

Venuchsdurchmhrung:

Manglüht die Knochen auf einem Tondreieck mit dem Brenner kräftig durch, zerkleinert sie grob und läßt siedannim Simon-Müller-Qfen noch ein bis zwei Stunden glühen, bis die Knochenmasse eine weiße Färbung angenommen hat

Von dem so hergestellte Knochenmehl wiegt man 2g ab, gibt es mit Ig trockenemMg-Pulver ineinen Mörser und verreibt sodasKnochemehl zu feinem Pulver.

Diese Mischung gibt man nuninein Glührohr, an dessen einem EndedasKohlendioxid eingeleitet wird und an dessen anderem Ende sich ein nach oben gebogenes Glasrohr zum Auffangen des entstehendenPhosphors befindet. Man leitet solange Kohlendioxiddarüber, bis die Luft vollständig verdrängtist. Man erhitztdasGemischimGlührohr mit dem Brenner,

bis die heftige exotherme Reaktioneinsetzt. Währenddessen leitet man weiter Kohlendioxid durch die Apparatur. Der entstandene Phosphor ist durch eine deutliche grünlichen

Leuchterscheinung, die sich verstärkt, wenn man wiederLuft durch die Apparaturleitet, sowie durch eine kleine grüne Flamme am Ende des Glasröhrchens zu erkennen.

Reaktion:

In KnochenistKalziumphosphat enthalten, das durch das Magnesium zu weißemPhosphor reduziertwird

H. Handwerk und vorindustrielle Produktion von chemischen Grundstoffen

Versuch 2) Darstellung von Pottasche aus Holzasche

Ein Stoff, der schonfrühvon wirtschaftlichem Interesse war, ist Pottasche

Das in Pottasche enthaltene Kaliumcarbonat wurde zur Seifenherstellung und als flußmittel beider Glasherstellung verwendet, Da der Aufschluß von Kalifeldspat sehr schwer zu

realisieren ist, war Pottasche lange Zeit der einzige Kaliumlieferant. Eine gewisse Bedeutung in der Chemiegeschichte erlangte die Pottasche dadurch, daß H. D. im Jahrel807 durch Elektrolyse von Pottasche Kalium entdeckte.

Chemikalien:

Holzasche, Schwefelsäure, Barytwasser

~. (;eräte:

Bechergläser, Abdampfschale, Demo-Reagenzgläser, Gährröhrchen Versuchsdurchftihrung:

Man stellt eine Aufschlämmung aus Holzasche und Wasser her, filtriert und läßtdas Filtrat in der Abdampfschale eindampfen. Den hellgrauen Rückstand glüht man biser weiß wird. Die so hergestellte Pottasche enthält als Rohprodukt neben Kaliumcarbonat als Hauptbestandteil noch Kaliumchlorid und Kaliumsulfat.

Nachweise der einzelnen Bestandteile von Pottasche : J(":

cr:

Man halte ein mitPottasche benetztes Magnesiastäbchen in die nichtleuchtende Brennertlamme. Durch die charakteristisch rotviolette Flammenfärbung läßt sich Kalium nachweisen.

Man löst die Pottaschein Schwefelsäure und absorbiert das entstehende Kohlendioxid imGährröhrchen in Barytwasser. => weißer Niederschlag CÜJ1- + 2H_{30+ 4} COzt ⁺ 3HzO

COz + Baz

+ + 2 Off 4 BaCÜJ -I, + HzO

Man löst die Pottasche in Salzsäure und gibt eine Bariumchloridlösung hinzu.

Ba^z+ + S042. 4 BaS04-I, pH<7

Man löst die Pottasche in Schwefelsäure und gibt eine Silbernitratlösung hinzu.

Ag+ + cr ^{4 AgCI J, pH< 7}

Versuch 3) Historische Darstellung von Berliner-Blau

Ein Handwerk, aus dem viel an chemischem Wissen hervorgegangen ist, ist das des Färbereihandwerkes. Ein wichtiges Ereignisin diesem Zusammenhang ist die Entdeckung von Berliner-Blau durch den Berliner Farbenhersteller Diesbach und den Hofalchemisten DippelimJahre 1704. Berliner-Blau wurde daraufhinals hervorragende blaue Malerfarbe eingesetzt. Eine wichtige Bedeutung inder Cherniegeschichte kam dem Berliner-Blau durch die Veröffentlichung"Über die färbende Materie im Berliner-Blau" von Carl Wilhelm Scheele aus dem Jahre 1782 zu. In dieser Veröffentlichung beschreibt Scheele die Entdeckung der (Berliner-)Blausäure aus Berliner-Blau.

Die historische Darstellungsmethode von Berliner-Blau ist die Grundlage des folgenden Versuchs.

Chemikalien:

getrocknetes Blut, Kaliumhydroxid, Eisenpulver Oeräte:

Magnesiarinne, Bunsenbrenner, Bechergläser, Glastrichter, Reagenzgläser Versuchsdurchführung.

Man glüht das getrocknete Blut zusammen mit etwas Kaliumhydroxid und Eisenpulverauf einer Magnesiarinne kräftig durch. Die so entstandene Blutasche laugt man mit etwas Wasser aus, filtriert ab und neutralisiert das a1kalische schwach gelbe Filtrat. Versetzt man dieses mit einer Eisen(II)sulfatlösung, ist eine Blaufärbung durch die Bildung von Berliner-Blauzu beobachten.

Durch das Glühen desBlutes(Fe, C, und N-haltig) entstehtdasgelbe Blutlaugensalz, und nach Versetzen einer Lösung derselben mit Fe(II)sulfatlösung entsteht der Farbstoff ,,Berliner-Blau"

Reaktion:

x' ^{+FeID(CN)l- + Fe2+} --» K[Fe^ITIFen(CN)6]

gelbes Blutlaugensalz lösliches Berliner-Blau

111. 1vfeI3lruu1st

Versuch 4) Das Boylsche-Gesetz

Ein wichtiger Schrittfür die Entwicklung von der Alchemie zur Chemie als modeme

Natwwissenschaftwarder, daßman,wie in der Physik auch, begannsich Naturphänomenen durch Messenzu nähern.Einer der ersten, derinder Chemie zu messenbegann, warder Brite Robert Boyle

Robert Boyle wurdeimJahre 1627 alsSohn des Earl of CorkinLismore Castle inIrland geboren. Nach dem Studium der Rechte wandte er sich den Natutwissenschaften zu und wurde 1680 Präsident der Royal Society. ImJahre 1661veröffentlichte er sein Hauptwerk

"Tbe Sceptical Chemist",in demer sich kritisch mit der Elementenlehre des Aristoteles und des Paracelsus auseinandersetzte und so richtungsweisend für die modeme Elementenlehre wurde. 1661 veröffentlichte er Meßwerte nach denen 1676 Mariotte das Boyle-Mariottsche Gesetz aufstellte. Dieses Gesetz kann durch folgenden Versuch, der dem Originalversuch nachempfundenist, nachvollzogen werden.

Geräte:

Glas-V-Rohr (ein Schenkel == 40cm, der andere lOOcm), Knetmasse Chemikalien: gefärbtes Ethanol

Versuchsdurchführung:

Man fiilltdasV-Rohr biszu einem Flüssigkeitsstand von etwa 20cminbeiden Schenkeln mit gefärbtem Ethanol (Ethanol wegen der geringeren Oberflächenspannung) und verschließt daraufhin den kürzeren Schenkel mit derKnetmasse. Danach gibt manin den längeren Schenkelin definierten Schritten Ethanol zu und erhöht somit den hydrostatischen Druck.

Dabei notiert man jeweils den Flüssigkeitsstandim kürzeren Schenkel. Durch die so gemessen Werte läßt sich das Boylesehe-Gesetz verifizieren.

Der Druck, der in dem Luftvolumen über der Flüssigkeitin dem kürzeren Schenkel herrscht, setzt sich zusammen aus dem hydrostatischen Druck und dem Atmosphärendruck.

Hydrostatischer Druck:

Gesamtdruck:

Phydro = P*g*(12-1 1)

Pges = Phydro+^PAthm

Dichte der Flüssigkeit . Erdbeschleunigung (9,81 mls²⁾

Flüssigkeitshöhe in dem langen Schenkel Flüssigkeitshöhe in dem kurzen Schenkel

Das Volumen der Luft in dem kurzen Schenkelistproportional der Lange dieser Luftsäule (lLuft)

. MeBergebnisse:

h/cm 12/cm h/cm Jlhydro/kpa PgeJkpa lluft/em p*l/

cm*kpa·lO5

20,8 20,8 0 0 100 26,4 2,64

21,6 60 38,4 3,03 103,03 25,6 2,63

22,4 103 . 80,6 6,37 106,37 24,8 2,64

23,3 141 117,7 9,3 109,3 23,9 2,61

23,5 160 136,5 10,78 110,78 23,7 2,63

Aus den gemessenen Werten läßt sich erkennen: Fürein(ideales) Gasgilt:Das Produkt aus Druck undVolumen ist konstant. => Boylesches Gesetz

p*v = konst.

IV Theoriebildung

Ein weiterer Faktor der die Chemiezueiner modernen Natutwissenschaft gemacht hatwar der, daß man Naturphänomene nicht mehr durch übernatürliche mytologische Symbole erklärte, wiedas inder Alchemie der Fall war,sondern versuchte, die Natur durch Theorien auf empirischer Grundlage zu beschreiben. Die erste wichtige Theorie inder Chemie war die Phlogistontheorie der Verbrennung.

1697 erklärteder Arzt Georg Ernst Stahl:

"Alle Körper bestehen aus einem verbrennbaren und einem unverbrennbarenTeil"

Den verbrennbaren Teil bezeichnete man als .Phlogiston¹¹und stelltesich vor, daß eine Verbrennung nichts anderes ist alsdas Entweichen dieses Phlogistons.

DerVerdienst der Phlogistontheorie bestanddarin, daßman damitin der Lage war, eine umfassende Erklärung aller Reaktionen, die manheute alsRedoxreaktionen bezeichnet, zu liefern.

Diese Theorie bestimmte die Chemie fast ein ganzes Jahrhundert. Bedeutende Chemiker waren Anhänger dieser Theorie, so z.B. H. Cavendish, C.W. Scheele und J. Priestley.

Der französische Chemiker A.L. Lavoisier widerlegte diese Theorie in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts und ersetzte sie durch seine "SauerstofRheorie".

A.L. Lavosier wurde imJahre 1743 alsSohn eines Pariser Edelmannes geboren. Er erhielt zunächst eine Ausbildung alsJurist und beschäftigte sich ab 1763 mit Chemie. Als

Steuerpächter verfügte er über gute Einkünfte, die es ihm ermöglichten, ein exzellentes Labor einzurichten. Sein Hauptwerk war der 1789 erschienene "Traite elementaire de Chemie". Im Jahre 1794 wurde er von den Schergen der Französischen Revolution hingerichtet.

Einer seiner bedeutendsten Versuchewar der, daß er Wasserdampf über glühendes Eisen leitete und den dabei entstehenden Wasserstoff auffing. Mit diesem Versuch gelang es ihm zu zeigen, daß Wasser kein Element ist,sondern sich gemäß seiner Sauerstofftheorie als

Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff beschreiben läßt.

Versuch 5) Wasserstoffdarstellung nach Lavoisier

Geräte:

Quarzglas-Glührohr mit Stopfen, Glaswolle, Erlenmeyerkolben mit Stopfen, Pipette, PVC- Schläuche, Stativmaterial, Bunsenbrenner, Magnetrührer mit Rührfisch

Chemikalien:

Wasser, Eisenpulver und -späne, Seifenblasenlösung Versuehsdurchführung:

Man gibt eine Mischung aus Eisenpulver und -späneninein Glührohr und erhitzt es mit dem Brenner kräftig bis zur Rotglut. Über dieses glühende Eisen leitet man Wasserdampf: den man in einem Erlenmeyerkolben entwickeln kann. An dem anderen Ende des Glührohres kann man über einen Schlauch eine Pipette anbringen und den Wasserstoff so ineine Seifenblasenlösung leiten. Denso erzeugten Wasserstoffschaum kann man anzünden. Er verpufft mit einem deutlichen Knall. Man kann mit etwas Geschick auch richtige

Wasserstoff-Seifenblasen erzeugen. Dazu benutze man das der käuflichen Seifenblasenlösung beigefügte "Gerät".

Auf die Idee, Seifenblasen mit Wasserstoff zu füllen, ist der bekannte Göttinger Physikprofessor Georg Christoph Lichtenberg gekommen.

Reaktion:

Dieser Versuch stehtin enger Beziehung zu den ersten Ballonflügenin den 80er Jahren des 18. Jahrhunderts. 1783 starteten die Gebrüder Montgolfiere ihren ersten bemannten Flug mit einem Heißluftballon und der Pariser Physiker J.A.Charles den ersten Wasserstoffballon.

Dieser wurde zunächst noch mit Wasserstoffge:fti1lt, den man aus Eisenspänen und Schwefelsäure herstellte. Spätergingman jedoch dazu über, den Wasserstoff nach der Methode Lavoisiers herzustellen, da dieser reiner war und keine Spuren von Schwefelsäure mehr enthielt.

Versuch 6) Elementaranalyse nach Liebig

Schon Lavoisier versuchte, die stöchometrischen Anteile der Elemente in organischen Stoffen zu bestimmen. Sein Verfahren der Elementaranalyse war jedoch recht umständlich und schwer zu handhaben. Das erste brauchbare Verfahren zur Elementaranalyse entwickelte Justus Liebig.

Justus Liebig wurde 1803 inDannstadt geborenundstarbimJahre 1873 in München. Er war Professor für Chemie in Gießen und München. Seine Verdienste alsbedeutendster Chemiker des 19. Jahrhunderts waren das Vorantreiben der organischen Chemie (Radikaltheorie zusammen mit Wöhler), die Agrikulturchemie und wie oben gesagt die Entwicklung der Elementaranalyse.

Dazu folgender Versuch.

Geräte:

Glührohr mit Stopfen, Trockenrohr, Kaliapparat nach Liebig (siehe Zeichnung), Bunsenbrenner

Chemikalien:

organischer FeststofI (z.B. Glucose), CaC12(trocken), KOH-Lösung (konz), CuO Versuchsautbau:

Versuehsdurehführung:

Man beflißt das Trockenrohr mit CaCl₂und den Kaliapparat mit der konzentrierten KOH- Lösung. Beide Geräte werden genau gewogen. Man wiegt eine definierte Menge des Feststoffes ab, mischt ihn mit einigen Gramm euo undfülltdas Gemisch in ein Glührohr.

Die drei Teile der Apparatur werden nun verbunden (siehe Zeichnung)

Man erhitzt die Analysensubstanz langsam mit dem Brenner, bis die Oxidation beginnt, was man an der Gasentwicklung erkennt. Durch vorsichtig dosiertes Weitererhitzen erreicht man eine kontrolliert und langsam ablaufende Reaktion. Nach dem Ende der Reaktion bricht man die Pipette am anderen Ende der Glührohres ab und saugt die restlichen Verbrennungsgase durch die Apparatur. Durch anschließendes Wiegen des CaC12-Rohresund des Kali- Apparates läßt sich feststellen, wieviel Wasser und CO₂ entstanden sind und damit wieviel Wasserstoff und wieviel Kohlenstoff in der Substanz enthalten war.

Literatur:

Otto Krätz: Historische Chemische Versuche; Aulis Verlag 1991

Otto Kraetz: Faszination Chemie, 7000 Jahre Kulturgeschichte der Stoffe und Prozesse;

CaIlwey 1990

Günter Simon: Kleine Geschichte der Chemie; Aulis Verlag 1980 Lexikon bedeutender Chemiker;Harri Deutsch

Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie Bd.9 ; Urban & Schwarzenberg 1952 Claus Priesner: Der Stein des Lichtes - Elementargeschichte des Phosphors

in: Spektrnm der Wissenschaft, März 1995

Arthur F. Scott: Die Erfindung des Ballons und die Begründung der Chemie in Spektrum der Wissenschaft, März 1984

Bauer: Die erste organisch-chemischen Syntesen in: Die Natutwissenschaften, Januar 1980

Elisabeth Ströcker: Theoriewandel in der Wissenschaftsgeschichte, Chemie im 18. Jhdt Vittorio Klostennann, 1992

A. Hellemans, B.Bunch: Fahrplan der Naturwissenschaften