Vielen Schüler*innen, die keinen Hang zu den Naturwissenschaften haben, wird schon nur bei einem Blick auf das Periodensystem der Elemente schlecht. In der Theorie wirkt die Chemie oft unheimlich abstrakt und kompliziert. In der Tat ist es eine komplexe Wissenschaft, die sich viel mit Stoffen und Vorgängen beschäftigt, die uns nicht immer offensichtlich erscheinen.
Und doch ist sie, wie alle Naturwissenschaften, sehr realitätsnah. Sie beschreibt Vorgänge und Phänomene, die seit jeher Natur vorkommen; auch in unserem eigenen Körper. Die aus der grundlegenden Forschung gewonnen Erkenntnisse werden von Chemiker*innen nicht nur genutzt, um die Welt besser verstehen zu können. Das Wissen wird auch verwendet, um Entwicklungen in den verschiedensten Bereichen voranzutreiben.
So führten viele bedeutende Entdeckungen der Chemie zu Erfindungen, die uns aus dem Alltag sehr wohl bekannt sind. Viele technische Entwicklungen wurden durch die Trennung von Stoffen, dem Analysieren von chemischen Verbindungen und der Synthese von Elementen erst ermöglicht. Auch der Energieversorgung, ob durch Atomspaltung oder in Batterien und Akkus, liegen chemische Prozesse zu Grunde.
Der Entdeckungsfreude von Chemikern und Chemikerinnen ist es zu verdanken, dass in der Medizin und der Landwirtschaft Fortschritte erzielt werden konnten, die unser Leben nicht nur leichter machen, sondern es sogar verlängern können.
Auch bei höchst aktuellen Themen wie dem Klimaschutz, sind Studien aus der Disziplin Chemie von großer Bedeutung. Atmosphärenchemiker*innen haben zu den Ersten gehört, die von möglichen Schädigungen der Ozonschicht gesprochen und Vorschläge formuliert haben, wie der Klimawandel aufzuhalten sein könne.
An dieser Stelle schließt sich auf unschöne Art ein Kreis. Denn, es waren unter anderem auch chemische Entdeckungen, die einige der revolutionierenden und vermeintlich Fortschritt bringenden Erfindungen erst ermöglicht haben, die heute für die Erderwärmung mitverantwortlich gemacht werden.
In diesem Artikel wollen wir dir nun drei ausgewählte bedeutende Entdeckungen und Entwicklungen aus der spätneuzeitlichen Geschichte der Chemie vorstellen. Sie sollen aufzeigen, wie sehr so manch eine chemische Entdeckung und die davon angestoßene Erfindung unseren Alltag beeinflussen.
Haber-Bosch-Verfahren: Die Erfindung von Stickstoffdünger
Pflanzen entziehen der Erde die Nährstoffe, die sie zum Wachsen brauchen. Fallen die Blätter oder Früchte auf den Boden oder werden sie in Form von Kot wieder ausgeschieden, nachdem sie von einem Tier gegessen wurden, werden die Stoffe von Kleintieren und Bakterien zersetzt, sodass sie wieder zurück in die Erde gelangen können. Daraus ergibt sich ein Kreislauf, der in der Natur ein stabiles Gleichgewicht hält.
Durch den Ackerbau haben die Menschen diesen Kreislauf unterbrochen. Auf verhältnismäßig wenig Platz wachsen viele Pflanzen, die anschließend geerntet und abtransportiert werden. So wird von Jahr zu Jahr wird die Erde auf einem Feld weniger fruchtbar. Bereits in der Antike wurde beobachtet, dass Fäkalien von Tieren und Menschen den Boden wieder fruchtbarer und es wurde damit begonnen, die Felder damit zu bedecken.
Im Laufe der Geschichte kamen Ernterückstände, Kalk und Mergel als Düngemittel hinzu. Über mehrere Jahrhunderte hinweg wurden Felder auf diese Art gedüngt, ohne dass bekannt war, warum es überhaupt funktionierte. Die Wende brachte der Chemiker Justus von Liebig, als er 1840 die große Bedeutung von Stickstoff für das Pflanzenwachstum nachweisen. Diese Entdeckung ermöglichte die Suche nach neuen, auch künstlich hergestellten Düngemitteln.
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Bereits vor der Jahrhundertwende war bekannt, dass Pflanzen den benötigten Stickstoff mit dem Wasser aufgenommenen Nitraten entnehmen, die zuvor von Bakterien aus Ammoniak umgewandelt worden waren. Es musste als ein Weg gefunden werden, Ammoniak in großen Mengen künstlich herzustellen, um den stetig drohenden Hungersnöten vorzubeugen.
Zwischen 1905 und 1908 arbeitete der deutsche Chemiker Fritz Haber an der Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff. Gemeinsam mit dem Industriellen Carl Bosch entwickelte er ab 1909 ein Verfahren, dass die Herstellung von Ammoniak in großen Mengen erlaubte. Bereits 1910 meldeten sie ihr Patent für das sogenannte Haber-Bosch-Verfahren an.
Mit dieser Erfindung revolutionierten sie die Landwirtschaft, die nun endlich ein kostengünstiges, effizientes Düngemittel zur Verfügung hatte. Heute weiß man, dass der exzessive Einsatz von Stickstoffdünger auch schädlich sein kann und es wird vermehrt wieder auf natürliche Mittel gesetzt.
Fritz Haber wurde für seine Leistung 1919 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.
PVC: Die Entwicklung des allgegenwärtigen Kunststoffs
Bereits vor Jahrhunderten hegten Menschen den Wunsch, künstliche Materialien herzustellen, die Herstellung von Produkten erleichtern und sie langlebiger machen. Zunächst wurde viel mit der Gewinnung von künstlichen Stoffen aus natürlichem Material experimentiert. So wurde beispielsweise aus milchigen Baumsäften Kautschuk gewonnen, den der amerikanische Chemiker und Erfinder Charles Goodyear ab 1838 durch Schwefelzufuhr und Hitzeeinwirkung in Gummi verwandelte.
Damit war der Startschuss für die Suche nach Kunststoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften gefallen. Im Laufe des 19. Jahrhunderts wurden verschiedenste Werkstoffe entwickelt, die natürliche Materialien ersetzen konnten. Sie alle bestanden aber nach wie vor ausschließlich aus Molekülen, die in der Natur vorkommen.
Bereits 1835 hatte der französische Chemiker Henri Victor Regnault das künstliche Gas Vinylchlorid hergestellt, das sich unter dem Einfluss von langandauernder Sonnenstrahlung in ein weißes Pulver verwandelte. Er hatte damit das Polymer Polyvinylchlorid (PVC) entdeckt, ohne einen Nutzen daraus ziehen zu können. Mit einer ähnlichen Methode stellte auch der deutsche Chemiker Fritz Klatte PVC her, meldete 1912 ein Patent dafür an und schlug seine Verwendung als Hornersatz, als Filme, Kunstfäden und für Lacke vor.
Zu dieser Zeit war das Wissen über Materialien aus polymeren Strukturen noch recht gering, wodurch viele Experimente mit Polymeren (Verbindungen von Makromolekülen, die aus wiederholten Einheiten aufgebaut sind) zum Scheitern verurteilt waren oder bei Erfolgen nur mäßige Beachtung fanden. Auch aus Klattes Polyvinylchlorid wurden zunächst keine marktfähigen Produkte hergestellt.
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Den Wandel brachte der deutsche Chemiker Hermann Staudinger, der heute als „Vater der Polymerchemie“ gilt. Seine Arbeiten erweiterten das Verständnis für Kunststoffe und ihren Aufbau in der Chemie, aber auch der Industrie. Auf Grund der Rohstoffknappheit nach dem Ersten Weltkrieg stieg zudem das allgemeine Interesse an künstlichen Werkstoffen.
So trat PVC in den ausgehenden 20er Jahren seinen Siegeszug an. Über das ganze 20. Jahrhundert hinweg wurde es stetig weiterentwickelt, damit es für verschiedenste Einsatzbereiche geeignet ist. So findet sich PVC in Baumaterialien wie Fensterrahmen und Fußbodenbelägen oder in Form von Frischhaltefolien oder Plastikboxen als Lebensmittelverpackung. Auch für die Herstellung von Kreditkarten oder medizinischen Schläuchen wird häufig PVC verwendet.
Auch diese große chemische Entdeckung wird heutzutage zwiespältig betrachtet. In Verbindung mit Weichmachern kann er gesundheitsschädigend sein. Bei nicht korrekter Lagerung kann auch Hart-PVC umweltgefährdend sein, beispielsweise wenn er ins Meer gelangt und von Tieren mit Futter verwechselt wird.
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Lithium-Ionen-Batterie: Eine chemische Entwicklung bringt uns mobile Energieversorgung
Die Erfindung der ersten Batterie geht auf eine Entdeckung zurück, die der italienische Arzt Luigi Galvani gemacht hatte, dass das Bein eines präparierten Froschs zu zucken begann, wenn es gleichzeitig mit miteinander verbundenen Gegenständen aus Kupfer und Eisen berührt wurden. Ohne genau zu wissen, was da vor sich ging, hatte er einen Stromkreis hergestellt.
Durch seine Beschreibung des Phänomens legte er den Grundstein für die Entwicklung der nach ihm benannten Galvanischen Elemente (auch Galvanische Zellen) gelegt. Der Erste, dem es um 1800 gelang, eine funktionierende Batterie herzustellen, war der italienische Physiker Alessandro Volta.
Diese sogenannte Voltasäule bestand aus mehren in Reihe geschalteten Galvanischen Zellen, in denen chemische in elektrische Energie umgewandelt wird. Dies geschieht dadurch, dass ein unedles Metall, das dazu tendiert Elektronen abzugeben, und ein edles Metall, das Elektronen aufnimmt, durch einen Leiter verbunden werden. Die chemische Reaktion der Elektronenübertragung nennt man Redoxreaktion.
Im 19. Jahrhundert wurden, durch den Einsatz verschiedener Elemente, die Batterien laufend verbessert und weiterentwickelt, sodass sie im 20. Jahrhundert zu alltagstauglichen Energiespeichern wurden, die in vielen Geräten eingesetzt werden können.
In der weiteren Forschung ging es vor allem darum, Batterien leistungsfähiger und kleiner zu machen. Zudem wurde nach Lösungen gesucht, wie die Selbstentladung minimiert und die Ladekapazität verbessert werden kann. Erste Vorläufer von wiederaufladbaren Batterien, auch Akkus genannt, wurden bereits im 19. Jahrhundert entwickelt.
In den 1970er Jahren begann ein Forscherteam aus München damit, die Funktionsweise von Batterien mit metallischem Lithium als Anoden-Material zu untersuchen. Der britisch-amerikanische Chemiker Stanley Whittingham fand schließlich mit Titansulfid den geeigneten Stoff für die Kathode. Die daraus entwickelten Batterien hatten jedoch ein großes Explosionspotential.
Der Durchbruch gelang schließlich John B. Goodenough, der 1980 das Titansulfid durch Kobaltoxid ersetzte. Rund zehn Jahre später brachte die Firma Sony den ersten Lithium-Ionen-Akku auf den Markt. Der japanische Ingenieur Akira Yoshino hatte zwischenzeitlich die Batterie weiter optimiert und das metallische Lithium durch ein Kohlenstoffmaterial ersetzt, das Lithiumionen aufnehmen kann.
Heute sind die überaus leichten, kleinen Batterien mit ihrer erstaunlichen Leistung kaum mehr aus unserem Alltag wegzudenken. Sie befinden sich in jedem Handy, Tablet und sogar in Elektroautos. Ganz ohne es zu merken, machen wir uns also ständig eine elektrochemische Reaktion zu Nutze.
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