Geschichte der Chemie

Gegenstand und frühe Wurzeln

Die Geschichte der Chemie untersucht, wie sich Erkenntnisse über Aufbau, Eigenschaften, Umwandlung und Produktion chemischer Stoffe entwickelt haben. Chemie nutzt chemische Reaktionen und verschiedene Technologien, um Stoffe umzuwandeln. Zu Beginn der Neuzeit verband sich die antike chemische Praxis mit der über arabischsprachige Gelehrte vermittelten mittelalterlichen Alchemie. Ab dem Ende des 18. Jahrhunderts wurde Chemie zu einer exakten Naturwissenschaft; im 19. Jahrhundert entstanden daraus zahlreiche praktisch nutzbare Verfahren und die chemische Industrie.

Bereits im Altertum waren in Vorderasien, Ägypten und Griechenland die Metallgewinnung aus Erzen sowie die Verarbeitung von Gold, Silber, Eisen, Kupfer, Zinn, Blei und Quecksilber bekannt. Eisen wurde in Ägypten bereits 4000 v. Chr., in Europa etwa 500 v. Chr. verwendet; Kupfer etwa 4000 v. Chr., Zinn in Legierungen mit Kupfer etwa 3000 v. Chr. Auch Ton, Glas, Porzellan, Seifen, Öle, Wein, Bier, Essig, Leder, Farbstoffe, Pigmente, ätherische Öle und Salze wurden hergestellt. Schwefeldämpfe dienten unter anderem zum Räuchern, Reinigen, Konservieren von Wein und Zerstören von Farbstoffen. Arzneimittel wie Kupfervitriol, Alaun, Mohnextrakt und Bilsenkraut waren ebenfalls bekannt.

Griechische Naturphilosophen suchten nach den Grundstoffen der Welt. Thales nahm Wasser, Anaximenes Luft und Heraklit Feuer als Urstoff an. Empedokles erklärte alle Dinge durch die Mischung von Erde, Wasser, Luft und Feuer. Aristoteles ergänzte vier Ureigenschaften – warm, kalt, trocken und feucht – sowie den Äther. Demokrit und Leukipp vertraten dagegen die Vorstellung unteilbar kleiner Teilchen, der Atome.

Aus dieser Naturphilosophie entwickelte sich die Alchemie. Sie verband Metallumwandlung, Reinigungs- und Farbmittelverfahren mit Magie und Mystik. In Ägypten wurden ab dem 2. Jahrhundert n. Chr. Religion, Astrologie und chemische Verfahren miteinander verbunden. Später traten Quecksilber und Schwefel an die Stelle der vier Urelemente als Grundstoffe der Materie.

Alchemie und praktische Chemie

Durch die Ausbreitung des Islams gelangte griechisches Wissen zu arabischsprachigen Wissenschaftlern, darunter Dschābir ibn Hayyān. Ab dem 12. Jahrhundert verbreiteten Kontakte zu arabischen Alchemisten die Alchemie in Europa. Ihr Ziel war die Transmutation, also die Umwandlung unedler Metalle in Gold, sowie die Herstellung des Steins der Weisen und eines lebensverlängernden Elixiers. Roger Bacon betonte das Experiment als wichtigste Arbeitsmethode. Die Waage diente zunächst jedoch nur zum Abmessen von Ausgangsstoffen; erst Lavoisier machte sie ab 1775 zu einem Werkzeug der messenden Forschung.

Trotz des Scheiterns der Goldherstellung entstanden wichtige Verfahren. Seit dem 11. Jahrhundert wurde Alkohol durch Destillation von Wein gewonnen, im 13. Jahrhundert Schwefel- und Salpetersäure. Schießpulver bestand aus Schwefel, Salpeter und Holzkohle. 1669 entdeckte Hennig Brand bei Versuchen mit Urin und dem Rückstand daraus Phosphor. 1708 gelang Johann Friedrich Böttger und Ehrenfried Walther von Tschirnhaus die Herstellung des europäischen Porzellans. Im Bergbau- und Hüttenwesen beschäftigten sich Georgius Agricola und Vannoccio Biringuccio systematisch mit Metallgewinnung, Waffenproduktion und Maschinen.

Im 16. Jahrhundert wurde die Metallurgie zu einer systematischen praktischen Chemie. Agricola beschrieb in De re metallica libri XII Metalle wie Wismut und Zink sowie Verfahren der Probierkunst, also der Analyse von Metallerzen und Legierungen. Die Pharmazie entwickelte sich ebenfalls weiter. Paracelsus begründete die Iatrochemie, die Lebensvorgänge chemisch deuten und die Chemie in den Dienst der Medizin stellen sollte. Er beschrieb Vergiftungen durch Bleisalze, regte die Isolierung von Wirkstoffen aus Pflanzen an und prägte erstmals das Wort Alkohol. Geräte wie Mörser, Glaskolben, Retorten, Spatel, Waagen und Destillationsapparate wurden teilweise zu dauerhaften Bestandteilen chemischer Laboratorien.

Vom Messen zu modernen Theorien

Robert Boyle definierte 1661 ein chemisches Element als einen Stoff, der im Experiment nicht weiter zerlegt werden kann. Er beobachtete, dass beim Atmen und beim Erhitzen von Metallen ein Teil der Luft verbraucht wird und das Metall dabei schwerer wird. Die Phlogistontheorie von Georg Ernst Stahl erklärte Verbrennung, Gärung, Verwesung, Oxidation und Reduktion mit einem angenommenen Stoff Phlogiston. Sie wurde erst gegen Ende des 18. Jahrhunderts durch Lavoisiers Oxidationstheorie ersetzt.

Lavoisier wies durch genaue Wägungen nach, dass Verbrennung auf der Aufnahme von Sauerstoff aus der Luft beruht. Er zeigte, dass Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff besteht und kein Element ist. Außerdem formulierte er das Massenerhaltungsgesetz: Bei stofflichen Umsetzungen wird keine Masse erzeugt oder vernichtet. Eine neue chemische Nomenklatur ersetzte alte, schwer verständliche Bezeichnungen. Diese Leistungen gelten als erste chemische Revolution. Joseph-Louis Proust formulierte 1794 das Gesetz der konstanten Proportionen. Berzelius entwickelte eine international verständliche Symbolschreibweise mit Summen- und Strukturformeln und bestimmte Atomgewichte.

John Dalton legte 1808 mit einer modernen Atomtheorie den Grundstein für die Beschreibung von Elementen durch Atome und Atomgewichte. Gay-Lussac bestimmte Dampfdichten und entwickelte Verfahren der organischen Elementaranalyse und Titration. Bei der Zerlegung von Wasser durch elektrischen Strom fanden Gay-Lussac und Alexander von Humboldt ein Volumenverhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff von 2:1. Humphry Davy gewann 1807 Natrium und Kalium durch Schmelzflusselektrolyse. Amedeo Avogadro stellte 1811 die These auf, dass gleiche Volumina beliebiger Gase gleich viele Teilchen enthalten; Stanislao Cannizzaro formulierte 1858 die klare Unterscheidung zwischen Atom und Molekül. 1869 ordneten Dmitri Mendelejew und Lothar Meyer die Elemente nach steigender Atommasse und erkannten die periodische Wiederholung ihrer Eigenschaften. Mit dem Periodensystem konnten sie Eigenschaften noch unbekannter Elemente vorhersagen.

Organische Chemie und industrielle Entwicklung

Justus von Liebig verbesserte die Elementaranalyse organischer Stoffe, begründete in Deutschland ein systematisches Chemiestudium mit Praktikumskursen und wurde zu einem Pionier der Agrarchemie. Er zeigte, dass Pflanzen dem Boden Kalium, Phosphor und Stickstoff entziehen, und befürwortete natürlichen sowie mineralischen Dünger. Liebig und Friedrich Wöhler entdeckten die Isomerie: Zwei chemisch verschiedene Stoffe können dieselbe elementare Zusammensetzung besitzen. Wöhler stellte aus anorganischem Ammoniumcyanat durch Erhitzen organischen Harnstoff her und widerlegte damit die Vorstellung, organische Stoffe könnten nur von Lebewesen erzeugt werden. Jean Baptiste Dumas entdeckte die Substitution, bei der in Essigsäure Wasserstoff durch Chlor ersetzt werden kann.

Im 19. Jahrhundert entstanden wichtige Analyse- und Syntheseverfahren. Bunsen und Kirchhoff entwickelten um 1859 die Spektralanalyse. Kekulé erkannte die vier Bindungsvalenzen des Kohlenstoffs und 1865 die Bedeutung des Benzolrings. Hofmann untersuchte Anilin; William Henry Perkin stellte den ersten synthetischen Farbstoff Mauvein her. 1869 gelang die Synthese von Alizarin, 1878 die von Indigo. Die chemische Industrie produzierte unter anderem Schwefelsäure, Chlor, Natronlauge, Farbstoffe und Arzneimittel. Das Haber-Bosch-Verfahren ermöglichte ab 1910 die katalytische Gewinnung von Ammoniak aus Luftstickstoff und damit die Herstellung von Salpetersäure für Düngemittel und Sprengstoffe ohne Salpeterimporte.

Elektrochemische Werke stellten mithilfe billiger Wasserkraft Aluminium, Magnesium, Natrium, Kalium, Silicium, Chlor und Calciumcarbid in großem Maßstab her. Naturstoffe wurden chemisch verändert: Aus Zellulose entstanden Nitrozellulose, Zelluloid und Zellseide, später weniger gefährliche Produkte wie Viskose; 1897 wurde aus Milcheiweiß Galalith hergestellt. Im Ersten Weltkrieg förderten Blockade und Kriegsproduktion synthetische Ersatzstoffe, Sprengstoffe, Salpetersäure, Filter für Gasmasken und Kampfgase. Nach dem Krieg verlagerte sich der Schwerpunkt stärker nach Frankreich und in die USA.

Hermann Staudinger legte die theoretische Grundlage der Polymerchemie. In den 1930er-Jahren kamen PVC, Polyvinylacetat, Nylon, Perlon und Buna auf. Aus Kohle wurden im nationalsozialistischen Deutschland mithilfe der Fischer-Tropsch-Synthese und des Bergius-Pier-Verfahrens synthetische Treibstoffe hergestellt. DDT (Dichlordiphenyltrichlorethan) wurde ab Anfang der 1940er Jahre als Insektizid eingesetzt. Ab etwa 1970 führten Resistenzen, die Anreicherung schwer abbaubarer Gifte in der Nahrungskette und die Gefährdung von Greifvögeln zu Kritik und einem DDT-Gesetz. Sulfonamide wie Prontosil, ursprünglich ein Textilfärbemittel, wirkten gegen bakterielle Infektionen, aber nicht gegen Viren.

Theorien, Analytik und Labortechnik

Das 1864 von Cato Maximilian Guldberg und Peter Waage formulierte Massenwirkungsgesetz beschreibt das Verhältnis von Ausgangsstoffen und Produkten im chemischen Gleichgewicht. Es ermöglicht, in technischen Reaktionen durch einen Überschuss des billigeren Ausgangsstoffs den kostspieligeren besser auszunutzen. Die chemische Kinetik untersucht die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und die Wirkung von Katalysatoren. Walter Kossel und Gilbert Newton Lewis formulierten 1915 beziehungsweise 1916 die Oktettregel, nach der Atome acht Außenelektronen anstreben. Atommodelle und Berechnungen der Elektronendichte ermöglichen heute Vorhersagen über Eigenschaften von Verbindungen.

Die qualitative Analyse beantwortet die Frage „Was ist drin?“. Zur frühen Probierkunst gehörten Lötrohranalysen mit Flammenfärbung und Niederschlägen. In der nasschemischen Analyse werden Elemente durch systematisches Fällen und Farbreaktionen nachgewiesen. Spektroskopische Methoden im ultravioletten, sichtbaren, infraroten und Röntgenbereich machen Identifizierungen sicherer, exakter und schneller.

Die quantitative Analyse bestimmt Mengen und Gehalte. In der Gravimetrie wird ein Reaktionsprodukt gefällt, getrocknet und gewogen, etwa Silberchlorid zur Bestimmung des Chloridgehalts nach Zugabe von Silbernitrat. Das Verfahren ist genau, aber langsam. Bei der Volumetrie beziehungsweise Titration wird eine Maßlösung bekannten Gehalts bis zum erkennbaren Reaktionsende zugegeben. Farbindikatoren zeigen häufig den Endpunkt an. Neben Fällungs- und Säure-Base-Titrationen gibt es Redox- und Komplextitrationen. Die Chromatographie trennt Stoffe eines Gemisches, etwa durch eine mit Adsorptionsmittel gefüllte Säule. Papier-, Gas-, Hochdruckflüssigkeits-, Gelpermeations-, Dünnschicht- und Ionenaustauschchromatographie sowie Elektrophorese ermöglichen qualitative und quantitative Analysen. Die Verbindung mit Massenspektrometrie oder Infrarotspektroskopie steigerte die Aussagekraft. Seit der elektronischen Datenverarbeitung werden volumetrische, spektroskopische und chromatographische Verfahren zunehmend automatisiert.

Die Laborausstattung entwickelte sich von schwer regulierbaren Holzkohleöfen zu Bunsenbrennern, elektrischen Heizungen, Wasserbädern und computergesteuerten Reaktionen. Dünnwandige Glasgeräte, Normschliffe, elektrische Rührer, Pumpen und Kunststoffgeräte verringerten Probenmengen, Verunreinigungen und Arbeitsaufwand.

Risiken, Umwelt und gesellschaftliche Reaktionen

Mit dem Wachstum der chemischen Industrie entstanden auch gesundheitliche und ökologische Belastungen. Im 19. Jahrhundert führten unbekannte Gefahren zu schweren Erkrankungen von Beschäftigten. Vorschriften, ärztliche Untersuchungen, geschlossene Prozesse und persönliche Schutzausrüstung verminderten die Risiken. Unfall- und Brandgefahren blieben jedoch bestehen. Der Unfall von Bhopal forderte rund 8000 Tote und weitere 20.000 Menschen starben an Spätfolgen; auch das durch Cyanid ausgelöste Fischsterben in der Theiß löste Diskussionen aus.

Abwässer und Emissionen wurden anfangs stark unterschätzt. Zunächst erhöhte man Schornsteine, um Schadstoffe zu verdünnen. Erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts und besonders ab etwa 1970 zwang die Umweltbewegung Industrie und Gesellschaft zunehmend, Abwasser und Abluft zu reinigen und Emissionen zu verringern.

Die seit etwa 1970 stärker werdende ökologische und politische Bewegung kritisierte den Einsatz synthetischer Dünger, Wachstumsförderer, Tiermedikamente und Schädlingsbekämpfungsmittel sowie künstlicher Lebensmittelzusatzstoffe. Sie forderte die Beachtung natürlicher Kreisläufe und möglichst wenige künstliche Stoffe in biologischen Kreisläufen. Eine ressourcen- und umweltschonende Richtung der Chemie wird als Grüne Chemie bezeichnet.