Chemie

Naturwissenschaft, die sich mit dem Aufbau und der Umwandlung von Stoffen beschäftigt; sie untersucht die Eigenschaften der chemischen Elemente im freien und gebundenen Zustand. Die Chemie bestimmt die Bestandteile chemischer Verbindungen (Analyse), beschäftigt sich mit den Vorgängen zwischen chemischen Verbindungen und Elementen (chemische Reaktion) und betreibt die Herstellung chemischer Stoffe aus den Elementen (Synthese).

Teilgebiete

Die klassische Unterteilung unterscheidet die anorganische Chemie, die die Elemente und Verbindungen der unbelebten Natur erforscht, die keinen Kohlenstoff enthalten, und die organische Chemie, die alle Kohlenstoffverbindungen umfasst und daher auch Chemie der Kohlenstoffverbindungen genannt wird.

Die moderne Chemie wird in zahlreiche Untergebiete eingeteilt:

In der analytischen Chemie werden chemische Elemente und deren Verbindungen nachgewiesen und quantitativ bestimmt.

Die synthetische Chemie beschäftigt sich mit der künstlichen Herstellung chemischer Stoffe.

Teilgebiete der angewandten Chemie sind z.B. die pharmazeutische Chemie, Farben-, Mineral-, Textil- und Nahrungsmittelchemie. Die makromolekulare Chemie befasst sich mit Herstellung und Eigenschaften von Polymeren und Kunststoffen. Sie ist also auf die praktische Anwendbarkeit ihrer Ergebnisse spezialisiert.

In der Physiochemie werden chemische Prozesse und Verbindungen mit physikalischen Mitteln erforscht, die Biochemie verbindet Forschungsgebiete aus Medizin und Biologie mit der Chemie.

Aufgabe der theoretischen Chemie ist die Lösung chemischer Probleme mithilfe der Quantenmechanik. Sie verwendet die Verfahren und Denkweisen der Physik, sie ist die Quantentheorie der Atome und Moleküle.

Geschichte

Anfänge

Bereits in frühgeschichtlicher Zeit nutzten die Menschen chemische Vorgänge, z.B. beim Herstellen von Farben, beim Brennen von Keramik oder beim Färben.

Die Griechen beschäftigten sich mit der Chemie mehr auf philosophischer als auf naturwissenschaftlicher Ebene.

Nach der Theorie der griechischen Naturphilosophen setzt sich die Welt aus vier Elementen zusammen (Feuer, Erde, Wasser, Luft). Die Vermutung von Demokrit, dass alle Stoffe aus unteilbaren Teilchen, den Atomen bestehen, geriet aber in der Folgezeit in Vergessenheit. Stattdessen galt lange Zeit die Theorie von Aristoteles, der annahm, die Natur bestehe aus den vier Grundeigenschaften Wärme, Kälte, Feuchtigkeit und Trockenheit in veränderlichen Anteilen. Die Vorstellung, dass mindere Stoffe sich in wertvollere umwandeln, führte zu Versuchen, aus verschiedenen MetallenGold herzustellen.

Die Araber nutzten wissenschaftliche Ansätze und Erkenntnisse, bauten sie aus und übermittelten ihre Kenntnisse als "al Kemia" (Alchemie) dem Abendland; ein Hauptwerk dieser Zeit stammt von Abu Ali Ibn Sina (Avicenna). Trotz vieler Fortschritte bei der Untersuchung von Chemikalien war man noch weit entfernt von einer zutreffenden Einsicht in das Wesen der chemischen Vorgänge.

Auch in China wurde gleichzeitig nach einem Verfahren für die Herstellung von Gold gesucht, das bei den Chinesen als Heil- und Wundermittel galt.

Mittelalter

Die Überzeugung, dass Metalle verwandelt werden könnten, übernahmen die abendländischen Alchemisten aus arabischen Schriften. Durch Fortschritte in der Glasherstellung war der Bau von verbesserten Apparaturen zur Destillation möglich. Die Erfindung des Schießpulvers durch die Chinesen führte in Europa im 14. Jh. zur Produktion von Schwarzpulver (dem Mönch Berthold Schwarz zugeschrieben), das in der Waffentechnik Verwendung fand.

Der schweizerische Arzt Paracelsus gilt als Begründer der Iatrochemie. Er lehrte, dass die Lebensabläufe chemisch bedingt und beeinflussbar seien. Auf der Suche nach neuen Arzneien stellte er die These von den drei Grundprinzipien auf, die auf Schwefel, Quecksilber und Salz zurückzuführen seien. Auf dieser Grundlage veröffentlichte am Ende des 16. Jh.s Andreas Libavius das erste Handbuch der Chemie, die "Alchemia", mit vielen damals bekannten Verfahren und Rezepturen.

Moderne Chemie

Die eigentliche wissenschaftliche Forschung begann mit Robert Boyle (1627-1691). Er lehrte entgegen der herkömmlichen Dreielementenlehre, dass alle chemisch nicht mehr zerlegbaren Stoffe Elemente seien.

Um 1700 waren 15 Elemente bekannt, im 18. Jh. wurden 19 neue Elemente entdeckt. Henry Cavendish (1731-1810) erkannte die Zusammensetzung des Wassers, Joseph Priestley (1733-1804) die Zusammensetzung der Luft (Entdeckung des Sauerstoffs 1771 mit K. Scheele, außerdem des Ammoniakgases, des Kohlenmonoxids und des Distickstoffmonoxids).

Richter (1762-1807) erforschte die Gewichtsverteilung der Elemente in Verbindungen und bei chemischen Reaktionen (Stöchiometrie) und stellte dazu eine erste Tabelle auf. Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) nannte quantitative Messungen Grundforderung der chemischen Forschung; er erkannte, dass Verbrennung Sauerstoffaufnahme (Oxidation) ist, und stellte das Gesetz von der Erhaltung des Stoffes auf.

Bald danach begründete John Dalton (1766-1844) die moderne Atomlehre: Ihr zufolge bestehen alle Körper aus kleinsten, nicht mehr zerlegbaren Teilchen, den unveränderlichen Atomen, die beim gleichen Element die gleiche Struktur besitzen. Nachdem Luigi Aloiso Galvani, Alessandro Graf Volta und Sir Humphry Davy die Voraussetzungen für die Elektrochemie (Elektrolyse, Elektrothermik) geschaffen hatten, gelang es Jöns Jakob Freiherr von Berzelius erstmals, genaue Gewichte der Atome von Elementen zu bestimmen. Er versuchte eine erste Systematik der Elemente, führte die Zeichensprache der Chemie ein und unterschied die anorganische Chemie von der organischen Chemie.

Friedrich Wöhler bewies durch die Synthese von Harnstoff (aus Ammoniumcyanat), dass organische Stoffe auch aus toten Stoffen entstehen können.

Um 1800 begann die fabrikmäßige Herstellung chemischer Produkte (Schwefelsäure, Soda, Chlorkalk, Rübenzucker). Im 19. Jh. Jh. gelang der Ausbau der chemischen Theorie, der Experimente und der Nutzung der chemischen Forschungsergebnisse. 50 neue Elemente wurden entdeckt und Ordnung in die Vielzahl der Elemente gebracht. Dies gelang Lothar Meyer und Dimitri Iwanowitsch Mendelejew, die die Elemente nach ihren Atomgewichten ordneten und erkannten, dass das Atomgewicht den Charakter des Elementes bestimmt (Periodensystem).

Justus Freiherr von Liebig begründete die Agrarchemie, indem er die Bedeutung der Mineralien für die Pflanzenernährung erfasste (Kunstdünger).

August Kékulé von Stradonitz erkannte die Vierwertigkeit des Kohlenstoffes sowie die Ringstruktur des Benzols und wurde damit zum Begründer der Valenztheorie (Valenzwertigkeit, gegenseitiges Bindungsvermögen der Elemente). Wichtig war auch die physikalische Chemie, so in der Erforschung der Spektralanalyse durch R. Kirchhoff und R. Bunsen 1859 und der Osmose durch W. Pfeffer 1877.

1856 gelang erstmals die Herstellung einer synthetischen Anilinfarbe. Damit war das Zeitalter der chemischen Industrie im 19. und 20. Jh. begründet (Stickstoff aus der Luft, Kohleverflüssigung, künstlicher Kautschuk, Chemiefasern, Zellstoff, Kunststoffe). Die Vielfalt der neuen Syntheseverfahren ermöglichte die chemische Herstellung von Arzneimitteln (Sulfonamide, Chemotherapie) sowie die chemische Schädlingsbekämpfung.

Von nicht geringerer Bedeutung war die Chemie bei der Erforschung der Lebensvorgänge: Es gelang die chemische Isolierung des Blutfarbstoffes, des Chlorophylls, der Vitamine, Hormone und Enzyme.

Der Ausbau der Atomphysik brachte neue (meist künstliche) Elemente (Atombruchteile und Transurane). So konnte der wirkliche Charakter der Materie und ihr Aufbau aus Atomen und deren Bauteilen (Protonen, Elektronen und Neutronen) wissenschaftlich erforscht werden. Der Begriff Chemie wird heute auch auf Atomkerne angewandt und meint dann die Vorgänge bei natürlich oder künstlich ausgelösten Umwandlungsprozessen im Atomkern (Kernchemie).

In den letzten Jahren haben die Nebenwirkungen chemischer Substanzen und ihre Auswirkungen auf das Ökosystem und das Erbgut von Mensch und Tier zu den neuen Forschungsgebieten der Ökologie und der Umweltwissenschaften geführt.