Antoine Laurent de Lavoisier – einfach erklärt

Bedeutung und Arbeitsweise

Antoine Laurent de Lavoisier (* 26. August 1743 in Paris; † 8. Mai 1794 ebenda) war ein französischer Chemiker und Naturwissenschaftler. Er gilt als Begründer der modernen Chemie und als Vater der ersten chemischen Revolution. Entscheidend war seine Arbeitsweise: Chemische Vorgänge sollten nicht nur beobachtet, sondern durch genaue Messungen, besonders durch Wiegen, geprüft werden.

Lavoisier ließ Geräte bauen, mit denen Gase gespeichert sowie bis auf 50 Milligramm genau gewogen werden konnten. Seine Versuche gliederte er methodisch in Experiment (Versuchsbeschreibung und Materialien), Ergebnis und Betrachtungen (Schlussfolgerungen). Diese Verbindung aus präzisem Versuch und klarer Beweisführung machte es möglich, ältere Annahmen wie die Phlogistontheorie zu überprüfen und zu widerlegen.

Sein Hauptwerk ist der zweibändige Traité élémentaire de la chimie von 1789. Er behandelte darin unter anderem Stoffsystematik, Wärme, Luftgase, Gärung, organische Analyse, Säuren sowie chemische Geräte und Verfahren.

Verbrennung, Sauerstoff und Oxidation

Vor Lavoisier erklärte die Phlogistontheorie Verbrennung damit, dass ein Stoff namens Phlogiston aus einem brennenden Körper entweiche. Diese Erklärung passte jedoch schlecht dazu, dass Metalle beim Erhitzen zu Metallkalken an Gewicht zunahmen.

Lavoisier beobachtete 1772, dass Schwefel und Phosphor beim Verbrennen schwerer werden: Sie nehmen einen Bestandteil der Luft auf. In geschlossenen Gefäßen zeigte er bei Blei und Zinn, dass ungefähr ein Fünftel der eingeschlossenen Luft zur Gewichtszunahme beitrug. Dieser aufgenommene Luftanteil ist Sauerstoff; die verbleibende Luft bestand überwiegend aus Stickstoff. Sauerstoff fördert Verbrennung und verlängerte in seinen Versuchen das Leben von Vögeln in geschlossenen Behältern. Kohlenstoff bildet mit Sauerstoff Kohlendioxid, die frühere „fixe Luft“ von Joseph Black.

Damit erklärte Lavoisier die Kalzinierung, also die Bildung von Metalloxiden beim Erhitzen, als Verbindung eines Metalls mit Sauerstoff. Auch bei der Atmung und bei der Reaktion von Metallen mit Säuren sah er entsprechende Oxidationsvorgänge. Seine Sauerstofftheorie der Verbrennung stand im Gegensatz zur Phlogistontheorie. Ab 1785 setzte sie sich zunehmend durch, unterstützt durch die neue chemische Sprache und das Lehrbuch von 1789.

Lavoisier nahm zunächst an, Sauerstoff sei das säurebildende Prinzip. Daher nannte er ihn oxygène, aus dem Griechischen „säurebildend“. Nach seiner damaligen Theorie hing die Säurestärke vom Oxidationsgrad ab. Diese Theorie galt später nicht mehr uneingeschränkt: Humphry Davy entdeckte 1808 Chlorwasserstoff.

Wasser, Massenerhaltung und Stoffe

Ein zentraler Satz Lavoisiers lautet: „Nichts wird bei den Operationen künstlicher oder natürlicher Art geschaffen, und es kann als Prinzip angesehen werden, dass bei jeder Operation eine gleiche Quantität Materie vor und nach der Operation existiert.“ Dies ist das Gesetz der Massenerhaltung. Die Gesamtmasse der Ausgangsstoffe und Produkte bleibt bei einer chemischen Umsetzung gleich.

Lavoisier belegte dies durch sorgfältige Wägungen, etwa bei der Oxidation von Metallen und bei der Zerlegung von Wasser. 100 Gran Wasser ergaben nach seinen Messungen 15 Gran entzündliches Gas, also Wasserstoff, und 85 Gran Lebensluft, also Sauerstoff. Mit Bilanztabellen stellte er die gemessenen Massen gegenüber. Dadurch wurde er zum Begründer der Stöchiometrie, der chemischen Mathematik.

Wasser galt lange als Element. Nach Experimenten von Henry Cavendish und eigenen Untersuchungen von 1783 bis 1785 zeigte Lavoisier: Bei der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht Wasser. Umgekehrt erhielt er beim Leiten von Wasserdampf über rotglühende Eisenspäne Eisenoxid und Wasserstoff. Wasser ist demnach ein zusammengesetzter Stoff. Die Frage der Priorität war umstritten, weil Cavendish Wasser 1783 bereits als Reaktionsprodukt erkannt hatte und seine Ergebnisse 1784 veröffentlichte.

Als „Substances simples“ bezeichnete Lavoisier Stoffe, die sich mit den damals verfügbaren chemischen Mitteln nicht weiter zerlegen ließen. Seine Liste von 1789 enthielt 33 einfache Substanzen, darunter Licht, Kalorik, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff. Er betonte, diese Einteilung sei vorläufig: Ein Stoff müsse nur so lange als einfach gelten, bis Erfahrung und Beobachtung seine Zerlegung ermöglichten.

Nomenklatur, organische Analyse und Wärme

Mit Guyton de Morveau, Claude-Louis Berthollet und Fourcroy veröffentlichte Lavoisier 1787 die Nomenclature chimique. Sie ersetzte viele ältere, oft aus der Alchemie stammende Stoffnamen durch eine rationale Benennung. Verbindungen wurden mit einer binären Notation aus ihren Basen und Säuren erklärt. Bis heute gebräuchlich sind unterschiedliche Endungen, die Lavoisier je nach Sauerstoffanteil verwendete: Schwefelsäure und schweflige Säure sowie die zugehörigen Salze Sulfat und Sulfit. Die 1787 eingeführten Elementsymbole von Hassenfratz und Adet unterschieden sich noch von den heutigen Symbolen, die Jöns Jakob Berzelius 1814 entwickelte.

Bei der Verbrennung organischer Stoffe untersuchte Lavoisier die Anteile von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Für Alkohol bestimmte er ein Gewichtsverhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoff von 3,6 zu 1, nahe dem korrekten Verhältnis 4:1. Bei der Gärung unterschied er alkoholische Gärung, säureerzeugende Gärung und Verwesung. Als einfache Reaktionsgleichung schrieb er: Most = Alkohol + Kohlendioxid.

Zusammen mit Pierre-Simon Laplace entwickelte Lavoisier Messmethoden der Wärme und begründete damit die Thermochemie. Im Eiskalorimeter schmolz die bei einer Reaktion frei werdende Wärme eine messbare Menge Eis. Lavoisier nahm einen Wärmestoff, die Kalorik, an, konnte dessen reale Existenz aber nicht beweisen; 1789 hielt er für seine Argumentation auch eine abstoßende Kraft für ausreichend.

Atmung, öffentliches Wirken und Tod

Lavoisier untersuchte Atmung als langsame Verbrennung. Mit Laplace maß er bei einem Meerschweinchen sowohl die ausgeatmete Menge Kohlendioxid als auch die Wärmebildung im Eiskalorimeter. Sie folgerten, dass Atmung wie Verbrennung zur Erhaltung der Körperwärme beiträgt. In den letzten Experimenten von 1790/91, mit Armand-Jean-François Seguin als Versuchsperson, stellte er fest: Der Sauerstoffverbrauch steigt bei körperlicher Leistung, Verdauung und höherer Temperatur; die Aufnahme erfolge in den Tubuli der Lunge. Nicht der gesamte Sauerstoff werde zu Kohlendioxid, ein Teil gehe vermutlich in Wasser über.

Neben der Forschung war Lavoisier Rechtsanwalt, Mitglied der Académie des sciences, Leiter der Pulververwaltung und Mitglied der Ferme générale, der Organisation der Hauptzollpächter. Aus deren Einnahmen finanzierte er seine aufwendigen Forschungen. Seine Frau Marie Lavoisier führte unter anderem das Laborbuch, übersetzte wissenschaftliche Werke und fertigte Illustrationen an. Die Tätigkeit bei den verhassten Steuerpächtern machte ihn während der Französischen Revolution angreifbar.

Im November 1793 wurde er mit 28 ehemaligen Steuerpächtern inhaftiert. Der Prozess betraf unter anderem angeblichen Betrug, Tabakverfälschung durch Wasserzusatz und unbelegte Geldzuweisungen an Feinde der Republik. Die Angeklagten erhielten die Anklageschrift erst am Vorabend und konnten sich am Prozesstag jeweils nur 15 Minuten mit den vier Verteidigern beraten. Am 8. Mai 1794 wurden sie auf der Place de la Révolution, heute Place de la Concorde, guillotiniert. Nach dem Ende der Terrorherrschaft wurden Lavoisier und die anderen Steuerpächter rehabilitiert; es stellte sich heraus, dass sie dem Staat kein Geld schuldeten. Seine Witwe erhielt das beschlagnahmte Vermögen zurück.