MIKROWELLENSYNTHESE und die Suche nach der Ordnung der Welt

Wir essen sie, und wir atmen sie. Ohne sie kein Denken, Sehen, Riechen, kein Fühlen. Es sind sie, die dahinter stecken, wenn wir uns freuen, verlieben, fortpflanzen, wenn wir wachsen, lachen, weinen, – wenn wir entstehen und vergehen. Ohne sie kein Leben, keine Körper, keine Substanz, keine Materie. Ohne sie ist nur Nichtsein. Nichts. Leerer Raum, Vakuum.

Sie sind allgegenwärtig, die meisten von ihnen nahezu unvergänglich, und alle für unsere makroskopische Welt unendlich klein.

Ja, es geht um Atome. Und es geht um Elemente, um deren (An-)Ordnung im Periodensystem der Elemente (PSE).

Doch was sind Atome eigentlich? Sind sie reale Bausteine der Materie, die tief in ihrer kleinsten Form existieren? Oder sind sie Modelle, gedankliche Konstrukte, mit denen wir die Welt in ihrer kleinsten Dimension verstehen? Oder sind sie beides: real und gleichzeitig ein Werkzeug unseres Geistes, um das Unsichtbare sichtbar zu machen? Auch um diese Fragen geht es hier. 

Natürlich geht es auch um die vielen Entdecker, Denker, Revolutionäre und Visionäre mit ihren mitreissenden Ideen. Dieses Laborjournal erzählt nicht nur Chemie, sondern auch wie Wissen entsteht. Es geht um die jahrtausendelange Suche nach dem Urstoff. Es geht um die Ordnung der Welt, oder wie es in Goethes Faust so treffend heisst: Um das, was die Welt im Inneren zusammenhält.

Darüber hinaus begegnet ihr in diesem multimedialen Laborjournal zur Mikrowellensynthese zahlreichen illustren Molekülen und Verbindungen. Ihr werft einen Blick auf die wichtigsten Reaktionsmechanismen und seht, was Atome so alles anstellen, nur um eine volle äussere Elektronenschale zu bekommen. Sie entreissen, erbetteln und teilen Elektronen, schmieden und brechen Bündnisse. Pro Sekunde laufen in einer einzigen menschlichen Zelle allein mehrere Millionen chemische Reaktionen ab! Das ganze bei mehreren Billionen Zellen ... Atemberaubend! Und wie entsteht daraus Bewusstsein?

Nachdem ihr die wichtigsten Reaktionsmechanismen verstanden habt, seid ihr es, die die Reaktionen steuern. Innerhalb von wenigen Minuten stellt ihr in unseren Mikrowellenreaktoren den Duftstoff Verdural, die Schmerzmittel Paracetamol und Aspirin sowie das Antibiotikum Sulfathiazol her, deren Identität ihr mit unseren anderen Hightech-Geräten wie Spektrometern oder Chromatographen nachweist.

Viel Freude bei der Suche nach dem Urstoff, der (An-)Ordnung der Elemente und beim Synthetisieren diverser organischer Moleküle.

Das Berzelius-Team  

«Es gibt sie!», «Nein, es gibt sie nicht!» «Ich würde sie verbieten.», «Sie sind nur eine Abstraktion, ein Modell, das sich für Berechnungen eignet» etc. etc.

Zu hören sind Fragen, Zitate und Gedanken rund um das Thema Atome vom  

• griechischen Naturphilosophen Demokrit (460 v. d. Z.)
• englischen Dichter William Shakespeare (1564–1616)
• französischen Chemiker Jean Baptiste Dumas (1800–1884)
• britischen Chemiker Sir Henry Enfield Roscoe (1833–1915)
• österreichischen Physiker Ludwig Boltzmann (1844–1906)
• deutschen Physiker Werner Heisenberg (1901–1976)
• US-amerikanischen Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynmann (1918–1988) 

Chaos, Wasser, das Unbegrenzte, Luft. So lauten die Urstoffe von Hesiod,  Thales, Anaximander und Anaximenes. Ersterer lebte um 700 v. d. Z., die letzten drei lebten zwischen 624 und 525 v. d. Z. Hesiod kam vermutlich aus Askra, das im heutigen Zentralgriechenland liegt. Thales, Anaximander und Anaximenes kamen aus Milet an der ionischen Küste. Das liegt an der Westküste Kleinasiens, der heutigen Türkei. Die drei gelten als die ersten Naturphilosophen und werden der milesischen Schule zugeordnet. 

Hesiods Chaos
Der erste Urstoff in der Mythologie und zugleich auch die Ur-Urgottheit ist gemäss dem griechischen Dichter Hesiod (ca. 700 v. d. Z.), wen wundert's, das Chaos. Ein gähnender Schlund, ein tiefer Abgrund und eine klaffende Leere stehen am Anfang des Weltwerdens zwischen Himmel und Erde. Ein windig und finsterer Urstoff, gemäss Aristoteles wohl der gefürchtete leere Raum, dem abstrakten Urstoff des Kosmos. Aus dem Chaos entstanden die weiteren fünf Urgottheiten Gaia, Tartaros, Eros, Erebos und Nyx, so Hesiod. Und aus diesen Urgottheiten entstand alles weitere. Mit den Milesiern löste der Logos, die Vernunft, den Mythos ab.

Thales von Milets Wasser  💧
Es folgte der erste Naturphilosoph, Thales von Milet (ca. 624–546 v. d. Z.). Für ihn war Wasser der Urstoff. Alles entstand aus Wasser und alles kehrte wieder ins Wasser zurück. Kein überraschender Urstoff für jemanden, der Tag für Tag aufs Meer schaute – zum Glück gab es noch kein Smartphone – und Verdampfung, Wolken und Regen beobachtete. Auch wenn das uns heute trivial erscheinen mag, so war es doch eine Leistung zu erkennen, dass verschiedenen Aggregatzuständen ein und dieselbe Substanz zugrunde liegt. Und auf die grossartige Idee zu kommen, dass alle Materie aus ein und demselben Grundstoff besteht, darauf muss erst einmal jemand kommen.

Anaximanders Unbegrenztes  ∞
Für Anaximander (ca. 610–546 v. d. Z.), der wie Thales aus Milet stammte, konnte Wasser nicht die Ursubstanz sein, aus der alles besteht. Entschieden widersprach er seinem Lehrer Thales. Die Ursubstanz, meinte er, müsse etwas Grundsätzlicheres, etwas  prinzipiell anderes sein als Chaos und Wasser. Darin liegt ein tiefer Gedanke: Denn spezifische Eigenschaften können sich nicht einfach in etwas anderes umwandeln. Wenn wir bis in die tiefste Schicht der Materie vordringen wollten, dann müssten wir dort etwas antreffen, das von allen Eigenschaften entkleidet ist – etwas völlig Unbestimmtes, Unbegrenztes.

Auch sei die Welt von Gegensätzen durchzogen: Hitze kämpft gegen Kälte, Nässe gegen Trockenheit. Wäre einer dieser Pole absolut und unbegrenzt, hätten die anderen längst aufgehört zu existieren. Der Urstoff, so folgerte Anaximander, musste neutral sein – ein unbegrenztes, unendliches Prinzip.

Das ist schwer zu begreifen. Mir geht es da nicht anders. Er hätte sein Prinzip auch schlicht «Fragt nicht danach!» nennen können. Anaximander schrieb in Versen – Naturphilosophie in der Sprache der Poesie. Und das vor 2600 Jahren und dazu noch auf Altgriechisch. Was er wirklich meinte, bleibt unklar. Aber eines steht fest: Für ihn war der Ursprung der Dinge kein einzelner Stoff mehr.

Anaximander war der erste, der den Sinnen misstraute, der erste, der eine abstrakte, nicht sinnlich erfahrbare Ursubstanz annahm – das Ápeiron, das Unbegrenzte. Er löste das Denken von der Wahrnehmung und trat damit aus dem Schatten seines Lehrers Thales. So etwas wie ein Proto-Rationalist – eine frühe, noch nicht systematische Form des Rationalismus.

Wir sind «Zeugen», wie ein neues Denken entsteht. Ein Denken, das sich wagt, den Ursprung des Lebens aus dem Wasser zu erklären und die Erde frei im Raum schweben zu lassen. Zu all dem – und einem weiteren schillernden Visionär – gibt es hier mehr.

Anaximenes` Luft  🜁
Für den dritten milesischen Denker, Anaximenes (ca. 585–525 v. d. Z.), ist der Urstoff weder das Chaos noch das Wasser noch das Unbegrenzte. Der Urstoff ist für ihn die Luft. Feuer ist verdünnte Luft, Wasser ist verdichtete Luft, Erde noch verdichtetere und Stein höchstverdichtete Luft. Die unterschiedlichen Stoffe unterscheiden sich nur im Grad der Verdichtung. Auch ein guter Gedanke!

Fazit
Ein Mythos (Hesiod) und drei milesische Denker (Thales, Anaximander, Anaximenes) mit drei Hypothesen ergeben die ersten vier Kandidaten für die Urstoffe: Chaos, Wasser, das Unbegrenzte, Luft. Wie Bertrand Russell in Denker des Abendlandes betont, stellte die milesischen Schule genau die richtigen Fragen, und die Intensität ihres Denkens war berauschend. Ihr Denken war frei und unabhängig von jeglichen Menschenbildern und Moralvorstellungen. Das änderte sich mit Platon (428/427–348/347 v. u. Z.) und Aristoteles (384–322 v. u. Z.), die fürs Abendland einflussreichsten Philosophen. Bertrand Russells Kollege und Freund, der Mathematiker und Philosoph Alfred North Whitehead (1861–1947), bemerkte, dass alle Entwürfe der abendländische Philosophie nur eine Serie von «Fussnoten zu Platon» seien. Kein Denker prägte unser Denken, unser Weltbild und unsere Gesellschaft mehr als Platon. Darauf kommen wir später mehrfach zurück.

Xenophanes` Erde
Wir bleiben in Ionien, gehen von Milet Richtung Norden nach Kolophon. Von hier kommt Xenophanes (580/570–475 v. d. Z.). Er verbrachte einen Grossteil seines Lebens auf Wanderschaft. Später lebte er in Elea, dem heutigen Süditalien. Neben Thales' Urstoff Wasser gab es für ihn noch den Urstoff Erde. Das passt zum Wanderer. «Alles wird aus der Erde geboren und alles kehrt zur Erde zurück.», soll er gesagt haben. Dieses Asche-zu-Asche- und Staub-zu-Staub-Mantra kennen wir vom Christentum. Die Allgegenwärtigkeit von Staub. Selbst unser Planet ist nach dem Urstoff Erde benannt, und die meisten Dinge sind nun mal fest und fassbar. Xenophanes' Kosmos beruhte auf Dauerhaftigkeit, Einheit und Festigkeit. In theologischen Fragestellungen hielt er es für unmöglich, die Wahrheit festzustellen, weshalb er mystische Tendenzen und die Seelenwanderung des Pythagoras – zu dem kommen wir im Anschluss – strikt ablehnte. Für Xenophanes war das menschliche Wissen Vermutung und der Wahrheit können wir uns nur annähern. Mit diesem Denken war er klarer Rationalist. 
  
Pythagoras` Zahlen
Einen Steinwurf von der ionischen Küste entfernt liegt die Insel Samos. Ihre Bewohner waren konservativer und traditioneller als die Milesier auf dem Festland. Auch waren sie für orphische Einflüsse empfänglich, was sich an ihrer Begeisterung für Musik und Zahlen zeigt. Die Orphiker waren mystische Philosophen aus Thrakien – das ist die Heimat des Dichters und mythischen Sängers Orpheus. Thrakien liegt auf der  nördlichen Balkanhalbinsel. Die Orphiker bildeten eine religiöse Strömung, die an ein Fortleben der Seele glaubten.

Der bekannteste Denker der Insel Samos ist Pythagoras (570–nach 510 v. d. Z.). Er liebte die Musik, die Harmonien mit ihren Terzen, Quinten und Oktaven. Für den Philosophen und Mathematiker Pythagoras waren die Zahlen der Urstoff. Alle Dinge bestünden aus Zahlen und die Harmonie der Welt lasse sich in mathematischen Verhältnissen ausdrücken. Diese mathematischen Verhältnisse sahen die Pythagoreer jedoch nicht nur als praktische Werkzeuge, sondern als ewige, unveränderliche Prinzipien, die hinter der sinnlich erfahrbaren Welt stehen. Hier schimmert bereits die Idee einer unsichtbaren, vollkommenen Welt durch, die Platon später als Ideenwelt bezeichnen wird.

War bei den Ägyptern die Mathematik noch von rein praktischen Gründen bestimmt, so bestand bei Pythagoras ein «uninteressiertes» Interesse an der Mathematik. Die Mathematik um der Mathematik willen. Für ihn waren Mathematik und Geometrie der Schlüssel zur Wirklichkeit. 

Pythagoras hatte einen enormen Einfluss auf Platon und somit auch auf die gesamte Neuzeit. Schon die Vorstellung, dass Zahlen die wahre, unveränderliche Essenz aller Dinge seien, ist eine frühe Form der Ideenlehre: Die sinnlich erfahrbare Welt ist vergänglich, doch die mathematischen Prinzipien dahinter sind ewig.

Im folgenden Exkurs erfahrt ihr, wie eine auf den ersten Blick einfache Berechnung der Länge einer Dreiecksseite die Zahlenwelt der Pythagoreer zutiefst erschütterte und wie sie das Problem über die irrationalen Zahlen lösten. Ausserdem geht es um die von Platon entwickelte Ideenlehre, die die abendländische Kultur wie kaum eine andere geprägt hat. Grundzüge davon finden sich bereits in den Lehren des Pythagoras.  

Heraklits Feuer 🔥
Von der Insel Samos und Phythagoras geht es wieder aufs Festland nach Ionien. Hier lebte Heraklit von Ephesos (536–470 v. u. Z.), ein wahrer Aristokrat, der die Masse verachtete und für die Herrschaft der Besten eintrat. Man nannte ihn den «Dunklen». Vielleicht weil er gesagt haben soll:
«Die Epheser täten gut daran, sich aufzuhängen – jeder Erwachsene unter ihnen – und die Stadt bartlosen Jünglingen zu überlassen.» Antiker Überdruss mit alten weissen Männern!

Alles ist für Herkalit in Bewegung. Sein Urstoff war das Feuer. Feuer als Sinnbild für Wandel und Werden. Kein Wunder, denn Feuer war in der Menschheitsgeschichte lange mit die einzige Möglichkeit, Umwandlungen herbeizuführen, vom Metallverflüssigen über das Brot backen und Glasschmelzen. Die praktischen Künste der Chemie entstanden aus dem Feuer. Nach Heraklit ist die Welt in unablässiger Bewegung und Veränderung. Alles fliesst (Pantha rhei). Es ist und es ist nicht. Nichts bleibt dasselbe für immer. Du kannst nicht zwei Mal in den selben Fluss steigen, so einige seiner intelligenten Thesen.

Urprinzip war für Heraklit der Streit. Das Wechselspiel zwischen gegensätzlichen Kräften schafft die Vielfalt der Phänomene. Tiefe und hohe Töne machen die Musik. Mehrklang. Und aus dem  männlichen und weiblichen Prinzip entsteht Leben. Heraklit steht für die Harmonie der Gegensätze. Die vereinende Kraft ist der Logos, der vom Feuer beseelt wird und der im Gegensatz zu den subjektiv-individuellen Sinnen steht. Hier schimmern wieder Pythagoras` Gedanken durch, die Platon später in seiner  Ideenlehre aufgriff und verfeinerte.   

Parmenides` Unveränderliche
War für Heraklit alles in Bewegung, vor allem auch das Sein, so nahm Parmenides (520–460 v. u. Z.) aus Elea in Süditalien das Sein als ewig und unveränderlich an. Auch hier sehen wir einen Gedanken, der bereits in der pythagoreischen Lehre angelegt ist: Das Unveränderliche, Ewige, das hinter der vergänglichen Welt liegt. Er unterschied, wie schon Pythagoras und Heraklit, zwischen dem, was Menschen wahr zu sein scheint, und der Wahrheit. Die Sinne hielt er für trügerisch, wie auch schon Anaximander vor ihm.

Wahr seien die Existenz des Seins und die Nichtexistenz des Nichtseins. Wahr ist das, was unveränderbar ist. Das Sein ist unveränderbar, denn die einzige Möglichkeit der Veränderung für das Sein wäre es, Nichtsein zu werden. Und das ist unmöglich, da Nichtsein nicht ist. Parmenides kritisierte frühere Lehren, weil sie seiner Meinung nach das Undenkbare zuließen: die Existenz des Nichtseins – etwa in Form von Veränderung oder leerem Raum. Für ihn war das Sein allumfassend; ein Nichts konnte nicht existieren, also auch kein leerer Raum. Die Materie ist; der leere Raum ist nicht. Parmenides ging noch weiter: Das, was nicht ist, kann nicht einmal gedacht werden. Die Welt ist überall von Materie erfüllt. Sie ist ewig, nicht aus dem Nichts, noch aus dem Urstoff entstanden. So gelangte er zu einer Vorstellung des Seins als in sich ruhende, homogene, zeitlose Einheit – von späteren Philosophen oft als «Kugel» interpretiert. Parmenides gilt als einer der ersten Vertreter eines ontologischen Monismus – der Vorstellung, dass alles Seiende letztlich eins ist, eine philosophische Position, die davon ausgeht, dass sich alle Phänomene der Welt auf ein einziges Grundprinzip zurückführen lassen. Zenon, sein Schüler und ebenfalls aus Elea, verteidigte Parmenides` Lehre vor allem mit Hilfe seiner vielen Paradoxa, die beweisen sollten, dass es keine Bewegung gibt. Am bekanntesten sind das Paradoxon vom Wettrennen zwischen Achilles und der Schildkröte und das Pfeil-Paradoxon.

Fazit
Die Auseinandersetzung mit den frühen vorsokratischen Denkern zeigt eine kontinuierliche Entwicklung philosophischer Weltdeutungen – von Hesiods Mythos zur rationalen Naturerklärung. Thales markierte mit der Annahme des Wassers als Urstoff den Beginn einer naturphilosophischen Tradition, die nach Ursachen in der Welt selbst suchte. Anaximander verließ bereits die stoffliche Ebene und postulierte mit dem Apeiron (das Unbegrenzte) ein abstraktes, unbegrenztes Prinzip als Ursprung allen Seins. Anaximenes griff diese Idee auf, konkretisierte sie jedoch wieder, indem er die Luft als Urstoff benannte, aus deren Verdichtung und Verdünnung alle Dinge hervorgehen. Während Xenophanes die Erde als Urstoff betrachtete, sah Pythagoras die Zahlen – als Ausdruck von Ordnung und Harmonie – im Zentrum der Weltstruktur. Heraklit setzte einen Kontrapunkt, indem er nicht den Urstoff, sondern die Bewegung zum Grundprinzip erklärte: Alles ist im Wandel, das Feuer steht dabei symbolisch für den ständigen Prozess des Werdens und Vergehens. Parmenides wiederum stellte dieser Sicht ein radikal anderes Konzept entgegen: Für ihn war einzig das Sein wirklich – ewig, unveränderlich und homogen. Wandel, Vielfalt und Leere hielt er für blosse Täuschungen der Sinne. Er begründete damit einen ontologischen Monismus, der das Sein als einzige Wirklichkeit fasst. Im Rückblick wird deutlich: Jede dieser Positionen ist nicht nur eigenständig, sondern zugleich Reaktion auf die vorhergehende – sei es durch Weiterentwicklung, Abgrenzung oder bewusste Umkehrung. Dabei entstanden unterschiedliche Formen des Monismus: ein materieller Monismus wie bei Thales oder Anaximenes, der auf einen Urstoff verweist, und ein ontologischer Monismus wie bei Parmenides, der jegliche Vielheit negiert. So zeigt sich im Wechsel der Konzepte ein zentrales Anliegen der frühen Philosophie: die Suche nach dem einen Prinzip, das hinter der Vielfalt der Erscheinungen steht – sei es konkret, abstrakt, beweglich oder unbeweglich.

Auf den nächsten Seiten erfahrt ihr, wie Empedokles Parmenides` ontologischen Monismus – die Idee, dass alles eins und unveränderlich sei – mit den materiellen Monismen früherer Denker kombiniert. So entwickelt er eine pluralistische Lehre von den vier Elementen, die als Grundstoffe aller Dinge gelten. Diese Theorie bleibt – leicht modifiziert und nur kurz vom Intermezzo der Atomisten unterbrochen  – bis in die Renaissance hinein weitgehend unangefochten. 

Pluralismus ( 🜂🜄🜁🜃 ) statt Monismus
Empedokles (495–435 v. d. Z.) von Akragas, dem heutigen Sizilien, lehnte den extremen Monismus – die philosophische Position, dass alle Phänomene auf eine Grundsubstanz oder ein einziges Prinzip zurückzuführen sind – seiner Vorgänger, insbesondere den des Parmenides, ab. Stattdessen kombinierte er seine eleatische Lehre und die gewöhnliche Augenscheinlichkeit der Sinneserfahrungen, indem er vier der bisherigen Urstoffe – Wasser, Luft, Erde und Feuer – als die grundlegenden Inhaltsstoffe aller Materie ansah. Diese Urstoffe seien unveränderlich, unzerstörbar und ewig existierend. Empedokles glaubte im Gegensatz zu Parmenides, dass die Welt aus verschiedenen Urstoffen bestehe. Aus den jeweiligen Monismen seiner Vorgänger, also Wasser, Luft, Erde und Feuer schaffte er einen Pluralismus. 

Auch sprach Empedokles von den Wurzeln der Dinge, die Aristoteles dann 100 Jahre später Elemente nennen sollte, ohne eine genauere Vorstellung von diesem Begriff zu haben. Eine scharfe Definition liess noch zweitausend Jahre auf sich warten. So bestimmte die Vier-Element-Lehre die Griechen, Römer und die Alchemisten bis in die Renaissance hinein. In esoterischen Dunstkreisen hat sich dieses Konzept bis heute gehalten. 

Zwei Antriebe: Liebe und Hass
Es reichte Empedokles nicht aus, einfach die Zahl der Elemente zu vermehren. Es musste etwas hinzukommen. Etwas, dass bewirkt, dass sich der Urstoff auf verschiedene Weise mit anderen Stoffen vermischt. Etwas, dass für den Wandel verantwortlich ist. Hier schimmert Heraklits Bewegung durch. Empedokles machte zwei Antriebe, zwei Prinzipien, dafür verantwortlich: Liebe und Hass, Anziehung und Abstossung, die vereinen und trennen. 

Die Vorstellung nicht substantieller Ursachen war noch nicht entwickelt. So waren auch Liebe und Hass Elemente, die materiell betrachtet wurden, womit Empedokles letztlich auf sechs Urelemente kam. In Empedokles schwingt noch die eleatische Lehre mit. Seine sechs Elemente waren ewig, unveränderlich und konnten nicht erklärt werden. Was ist, ist. Es gibt keine Creatio ex nihilo, kein Erschaffen aus dem Nichts. Oder Creatio ex nihilo nihil fit. Aus Nichts entsteht Nichts. Echter eleatischer Materialismus.

Naturgeschehen ohne Zweck, Zufall und Notwendigkeit
Im Gegensatz zu Parmenides glaubte Empedokles nicht, dass das Naturgeschehen einen Zweck habe. Er sah Zufall und Notwendigkeit als treibende Kräfte, womit seine Philosophie deutlich wissenschaftlicher daherkam als die des Parmenides. 
Auch war für Empedokles Luft ein eigener Stoff, der aus Materie besteht. Der Beweis für seine These: In ein umgekehrt in  Wasser eingetauchtes Gefäss dringt kein Wasser ein. Die Luft kann also nicht einfach ­­«nichts» sein, denn erst nach ihrem Entweichen kann das Wasser eindringen.

Anaxagoras unendliche Teilbarkeit
Anaxagoras (499–428 v. d. Z) war ein Zeitgenosse des Empedokles. Geboren wurde Anaxagoras in Klazomenai, Ionien, in Kleinasien. Gegen 460 v. d. Z. ging er nach Athen, wo er einen massgeblichen Einfluss auf Sokrates ausübte. Er postulierte, dass alles unendlich oft teilbar sei – ein wichtiger Gedanke, der hier zum ersten Mal auftaucht – und dass in allem ein Teil von allem zu finden sei. So enthalte alles etwas Feuer. Gegensätze hängen zusammen und alles kann sich in alles verwandeln. Dann gibt es bei ihm noch den Geist, der nous, den man als etwas Ähnliches wie Liebe und Hass verstehen kann. Der Einfluss von Parmenides und Empedokles ist klar erkennbar, genauso wie der von Anaximenes, in dessen rationalistisch-wissenschaftlicher Tradition er, ebenfalls Ionier, stand. Bei Anaxagoras sucht man vergeblich nach ethischen oder religiösen Vorurteilen wie man sie bei Pythagoras und später auch bei Platon und Sokrates findet. 

­­«Nur der Meinung nach gibt es süss, nur der Meinung nach gibt es bitter, warm, kalt, nur der Meinung nach Farbe. In Wahrheit gibt es nur Atome und leeren Raum.»,

so die zu seiner Zeit unfassbare Aussage des Demokrit (460–370 v. d. Z.).

Begonnen hat alles mit Anaxagoras` Frage, ob es möglich sei, Materie immer weiter zu teilen. Natürlich sei dies möglich, dachten alle. Alle, ausser Leukipp (5. Jahrhundert v. d. Z.) und sein Schüler Demokrit. Sie waren sicher, dass dies nicht möglich sei. Nach unendlichen Teilungsschritten, so waren sie überzeugt, stiesse man auf etwas Unteilbares, die Atome (griechisch átomos, unteilbar). Von diesen ­­«Elementarteilchen» gäbe es unendlich viele. Sie seien ewig und verbänden sich mit Haken und Ösen mit anderen Atomen. Grosse teilbare Körper setzten sich aus unendlich vielen kleinen Körpern zusammen. Die Teilung der Körper könne nicht durch sich selbst erfolgen, sondern nur durch die Zwischenräume der Atome, den leeren Raum. ­­«Das Nichtsein existiere um nichts weniger als das Sein.» Die Existenz des Nichtseins! Das stand im strengen Gegensatz zu Parmenides` Leugnung des Nichtseins. Was für ein strenges reduktionistisches Programm mit so viel leerem Raum? Wer waren diese Männer, die eine den Sinnen so widersprechende Aussage tätigten? 

Leukipp kam wie Parmenides aus Elea, dem heutigen Süditalien. Wenig ist von ihm bekannt. Demokrit stammte aus Abdera an der Nordostküste Griechenlands und obwohl Zeitgenosse von Sokrates und dessen Schüler Platon, zählt er noch zu den Vorsokratikern.  Das liegt daran, dass der Begriff vor allem eine philosophische Epoche und Tradition und nicht nur eine reine Zeitspanne beschreibt. Demokrit war der erste Universalgelehrte und der letzte grosse Naturphilosoph, der die Natur und ihre Phänomene noch durch rein rationale Überlegungen erklärte, ohne sich dabei irgendwelcher Mythen oder religiöse Vorstellungen zu bedienen. Demokrit war eine Art antiker Globetrotter, denn er bereiste Ägypten, Persien, Babylon und Indien, wo er sich mit vielen Gelehrten ausgetauscht haben soll. Er war das genaue Gegenteil von Sokrates (469–399 v. d. Z.), Platons Lehrer, der Athen nie verliess und den Platon sagen liess, dass er die Stadt nicht verlasse, «weil die Felder und Bäume ihn nichts lehren wollen.» Das sah Demokrit anders.

Ein Urstoff mit viel leerem Raum
Die Auffassung Leukipps und Demokrits entspricht der Modernen wie kaum eine andere. Schon nach antiken Berichten verglich Demokrit die Bewegung der Atome der Seele mit Stäubchen im ruhigen Sonnenstrahl. In der römischen Antike griff der römische Dichter und Philosoph Lukrez (99–55 v. d. Z. ) dieses Bild auf und machte es zum Sinnbild unsichtbarer Atombewegung. Erstmals erfassten die Atomisten die Bedeutung des Leeren. Zur Erinnerung: Parmenides lehnte, wie viele andere Gelehrte, die Existenz des Leeren ab. Für sie liess die Natur keinen leeren Raum zu, da sie jeden leeren Raum sofort fülle. Dieser horror vacui, also die Angst vor der Leere, beeinflusste das Denken bis in die Neuzeit.

Für Demokrit dagegen war das Leere notwendig, damit sich die Atome bewegen können. Man betrachte zum Vergleich das spätere Schalenmodell des dänischen Physikers Niels Bohr (1885–1962), der meinte, die Natur gehe mit dem leeren Raum sehr verschwenderisch um. Und es war die Horrormeldung des 20. Jahrhunderts: Das Atom ist nahezu leer. Zur Veranschaulichung: Man lege einen Apfel auf den Anstosspunkt eines Fussballplatzes und stelle sich auf den Aussenbahnen, die um den Kern kreisenden Elektronen vor. Noch eindrücklicher die folgenden Berechnungen.

Die Erde als 100-Meter-Radius-Kugel oder «Erbse»
Würde man die Erdmasse auf extrem dichte Kern- bzw. Neutronensternmaterie zusammendrücken, ergäbe sich eine Kugel mit einem Radius von grob 180 bzw. 100 Metern. Kollabieren bzw. komprimieren wir die Erde zu einem Schwarzen Loch, so erhalten wir einen Ereignishorizont – so nennen wir die Grenzen eines schwarzen Loches, also so eine Art Radius – von etwa 9 Millimetern!, also von der Grösse einer Erbse. Trotz dieser winzigen Grösse enthielte diese Erbse die komplette Masse der Erde – extrem dicht und mit einer gigantischen Gravitationskraft. Das ist als Gedankenexperimente zum Verdeutlichen der Grössen- und Gewichtsverhältnisse im Atom zu verstehen. Für die, die es interessiert, geht es hier zu den Berechnungen.   

Natürlich war die Idee der Atomisten zu dieser Zeit vollkommen verrückt und fand wenig Anklang. Die fehlende Übereinstimmung mit der Physik der wahrnehmbaren Welt machten den Atomismus unplausibel.

Materialismus versus Idealismus
Auf den nächsten Seiten sehen wir, dass Platon die Atomlehre des Demokrit komplett ignorierte und Demokrit in seinen Dialogen mit keinem Wort erwähnte. Der antike Philosophiehistoriker Diogenes Laertius (ca. 3. Jahrhundert) geht sogar so weit zu behaupten, dass Platon Demokrits Bücher verbrennen liess. Hier ist jedoch, wie bei so vielen Quellen Vorsicht geboten, da viele Berichte eher anekdotisch, nicht immer historisch gesichert und manchmal widersprüchlich sind. Wie dem auch sei, sowohl Demokrit als auch Platon waren gigantische Denker und der Reiz liegt gerade in ihrer Verschiedenheit, der eine vollkommen materialistisch, der andere idealistisch. Auch Platons Schüler Aristoteles griff Demokrits Theorie aufs Schärfste an. Sein grösster Kritikpunkt war, dass sie alles dem Zufall zuschrieben. Dabei waren die Atomisten abgesehen von der Frage des Ursprungs der Materie strenge Deterministen. Hier erfahrt ihr, warum Platon und Aristoteles die Atomisten so scharf attackierten. 

Bedeutung und Einordnung der Atomisten
Werner Heisenberg (1901–1976), einer der bedeutendsten Physiker des 20. Jahrhunderts sagte:

«Bei Demokrit wurde zum ersten Mal in der Geschichte der Gedanke von der Existenz kleinster Teilchen, wir würden heute sagen Elementarteilchen, ausgesprochen.»

Der schon mehrmals hier erwähnte Philosoph und Mathematiker Bertrand Russell betonte, dass die Atomtheorie kein glücklicher Zufallstreffer war, sondern das Ergebnis einer systematischen Weiterentwicklung früherer und konträrer Denkansätze. Von Heraklit übernahmen die Atomisten die Idee der ständigen Bewegung; von Parmenides übernahmen sie die Vorstellung eines Seienden, das in sich konstant und unveränderlich ist. Statt eines allumfassenden, homogenen Seins  – das Parmenides in seinem berühmten Bild einer vollkommenen, ruhenden Kugel beschreibt  –  postulierten die Atomisten unzählige kleinste, unveränderliche Teilchen: Atome. Parmenides` Kugel wird sozusagen in viele kleine Kugeln aufgebrochen. Die Atomtheorie erscheint so als Kompromiss zwischen dem Einen (Parmenides) und dem Vielen (Heraklit). Aus diesem Blickwinkel ist sie das Resultat eines dialektischen Prozesses – eines gedanklichen Spannungsbogens, in dem Gegensätze nicht einfach aufgelöst, sondern in einer neuen Synthese aufgehoben werden. Was hat es mit dieser Dialektik, diesem wichtigen Begriff, auf sich? Hier erfahrt ihr mehr.

Leukipp und Demokrit waren strenge Materialisten; sie glaubten nur an das, was materiell vorhanden war. Sie täuschten sich nur, was die Ewigkeit, die Unteilbarkeit und die Menge der Atome anging. In letzterem wichen sie selbst von ihrem strengen Materialismus ab. Dennoch kann die Denkleistung der Atomisten kaum überschätzt werden. Keine andere Auffassung der Antike entspricht der Modernen wie ihre. Sie brauchten keinen Zweck, keine Götter, um die Welt zu erklären. Nach einem willkürlichen Anfang verläuft die Welt nach streng mechanistischen Grundsätzen. Nach Demokrit tendierte die Philosophie dazu, den Zweck ins Zentrum des Denkens zu stellen. In der Folge wurde der Mensch immer mehr überbewertet. Ein weiterer Fehler der Post-Atomisten war der Umgang mit dem Vakuum und der Ursprünglichkeit der Materie.

Weitere wichtige Atomisten waren Epikur (341–271/271 v. u. Z.) und der römische Dichter und Philosoph Lukrez (99/94–55/53 v. u. Z.), die mit ihren Schriften, dafür sorgten, dass die Korpuskulartheorie der Atomisten weiterlebte. Interessant ist noch, dass Epikur davon überzeugt war, dass die Freiheit des Willens in den willkürlichen Sprüngen der Atome wurzelt, also im Zufall. 

Hier zur Zusammenfassung noch ein Video vom Bayerischen Rundfunk zu den Atomisten Leukipp und Demokrit.

Demokrit kommt auch in J. Gaardners Roman «Sofies Welt» vor. In der Graphic-Novel-Version erscheint Sophie ein Demokrit aus Legobausteinen. Mehr dazu in folgendem Exkurs. Ein weiterer Exkurs spielt mit dem Gedanken, was passiert wäre, wenn Demokrit sich gegen Platon und Aristoteles durchgesetzt hätte.

Chaos. Wasser. Das Unbegrenzte. Luft. Erde. Zahlen. Feuer. Substanz. Atome. Vier-Element-Lehre. An Vorschlägen für Urstoffe hat es bei den Vorsokratikern nicht gemangelt.

Platons Geometrie als Schlüssel zu den Urstoffen
Statt Leukipps und Demokrits Urstoff, das Atom, aufzugreifen und weiterzuentwickeln, ignorierte Platon die Atomlehre und setzte stattdessen, beeinflusst von der Überzeugung, dass der Kosmos nach Prinzipien der mathematischen Harmonie und Perfektion erbaut ist, auf vollkommene, symmetrische dreidimensionale Körper als Urstoffe, die er den vier Elementen des Empedokles zuweist:

• Feuer wurde dem Tetraeder zugeordnet – scharfkantig und beweglich.
• Luft wurde dem Oktaeder zugeordnet – leicht und dynamisch.
• Wasser wurde durch das Ikosaeder repräsentiert – fliessend und anpassungsfähig.
• Erde entsprach dem Hexaeder (Würfel) – stabil und fest.

Diese geometrischen Körper, bestehend aus den kleinsten, unteilbaren Dreiecken, können sich umformen und neue Elemente bilden. Das Dodekaeder, der fünfte platonische Körper, ist keinem der vier Elemente zugeordnet. Es baut sich auch nicht aus Dreiecken, sondern aus Fünfecken auf. Platon sah darin die Form des Kosmos selbst, ein Symbol für die Harmonie und Vollkommenheit des Universums. Mehr zu den fünf platonischen Körpern gibt es in diesem Video. Anders als Leukipp und Demokrit, die Atome als kleinste Bausteine betrachteten, sah Platon die Welt als ein harmonisches, mathematisch geordnetes Ganzes, in dem Formen und Geometrie die Grundstruktur der Materie und die Mathematik der Schlüssel zur Wirklichkeit sind. Platon erklärt in seinem Werk Timaios die physikalische Realität mit Hilfe mathematischer Symbole und macht damit noch mehr als Pythagoras die Mathematik zur Sprache der Naturwissenschaften. Eine grossartige Leistung! Der Philosoph Bertrand Russell sah darin einen bemerkenswerten Vorläufer moderner physikalischer Theorien: Die Vorstellung, dass sich alle Materie auf einfache geometrische Bausteine zurückführen lässt, erinnert fast an heutige Ideen von Elementarteilchen und ihrer Transformation. Platon hat den Atomismus offiziell abgelehnt, aber in manchen Aspekten seines Denkens zeigt er eine verblüffende Nähe zu genau dem, was er eigentlich kritisiert.  Die platonischen Körper als Bausteine der Materie, die sich durch Umwandlung und Bewegung erklärt – ist das nicht eine Art von idealistischem Atomismus?  In gewisser Weise dachte Platon weiter als die materialistischen Atomisten wie Demokrit, die Materie als unteilbare Teilchen mit fester Form betrachteten. Platons Ansatz ist dynamischer und formbetonter – fast schon eine frühe Theorie der Strukturphysik. Dem gegenüber stand seine spirituelle Färbung, dass die Realität etwas Vieldeutiges war hinter dem etwas Ewiges, Harmonisches und Geometrisches stand. In Platon hallen auf eindrückliche Weise die Ideen der Pythagoreer und der Orphiker wider.    

Aristoteles macht den Dodekaeder zur Quinta Essentia 
Was Aristoteles von Platon übernahm, war die Vorstellung des Dodekaeders für Platons Kosmos, das Aristoteles als «fünftes Element», als Äther oder Quinta Essentia bezeichnete. Anders als Platon wandte sich Aristoteles jedoch von der geometrischen Deutung der Urstoffe ab und kehrte auch nicht zu den Atomisten zurück. Stattdessen entwickelte er ein eigenes Modell, das auf den qualitativen Eigenschaften der Elemente basierte. Er übernahm wie Platon die Vier-Elemente-Lehre von Empedokles – Feuer, Luft, Wasser und Erde – und verband diese mit vier Grundqualitäten: heiß, kalt, feucht und trocken. Nach Aristoteles sind die Elemente wandelbar, da sie sich durch Veränderungen dieser Qualitäten ineinander umwandeln können. So kann etwa Wasser (kalt und feucht) durch Erwärmung zu Luft (heiß und feucht) werden. Diese Vorstellung eines dynamischen Kreislaufs der Elemente unterscheidet sich deutlich von Platons statischen, geometrischen Urstoffen. Zentral für Aristoteles’ Naturphilosophie ist ausserdem seine Theorie von Materie und Form (Hylomorphismus). Die Materie ist dabei das formlos Potenzielle, die Form das ordnende Prinzip, das Materie in eine bestimmte Substanz verwandelt. Die Elemente sind demnach keine kleinsten Teilchen, sondern Kombinationen von Materie und Form, die durch ihre Eigenschaften bestimmt sind.

Fazit
Platon und sein Schüler Aristoteles hatten einen enormen Einfluss auf die Wissenschaften, Platon mit seiner Ideenlehre und seiner Beschreibung der Realität mit Hilfe der Mathematik und Aristoteles` Theorie von Materie und Form, seine Zweckgerichtetheit und seine Quinta Essentia. Alle drei bestimmten die Philosophie des Mittelalters und prägten das naturwissenschaftliche Weltbild bis weit in die frühe Neuzeit hinein. Griechen, Römer und Alchemisten des Mittelalters und der Renaissance beriefen sich auf Aristoteles fünf Elemente. Seine Abkehr von der Atomlehre und die Betonung der qualitativen Eigenschaften der Natur legten den Grundstein für ein mehr auf Erfahrung beruhendes Denken. 

Der Atomismus gerät für fast zweitausend Jahre in Vergessenheit, bis er in der Renaissance (etwa von 1400 bis 1620), die ihrem Namen alle Ehren macht, wieder zurückkehrt. 

Besuch der Naturphilosophen in der Hölle
Bevor wir die griechischen Denker endgültig verlassen, sei noch ein Besuch bei Dante empfohlen. In seiner Göttlichen Komödie (Inferno, Gesang IV) treffen wir Platon, Aristoteles, Sokrates, Parmenides, Heraklit, Demokrit, Zenon, Anaxagoras und viele weitere der alten Philosophen – nicht etwa in der Hölle, sondern in einer Art Vorhölle für tugendhafte Heiden (Limbo), wo sie fern vom göttlichen Licht in ewiger Melancholie wandeln. Wer also Lust hat auf eine kleine literarische Geisterfahrt zu den Urvätern der Wissenschaft:
Hier der Link zu Dantes Inferno.

Zwischen den antiken Atomisten Leukipp, Demokrit und Epikur und dem englischen Naturforscher John Dalton (1766–1844), der die Atomtheorie im 19. Jahrhundert wieder aufgriff –, lagen fast zwei Jahrtausende, in denen sich das Denken an der Vier-Elemente-Lehre und der sich im Mittelalter entwickelnden Alchemie orientierte.

Zwei neue Elemente in sechzehnhundert Jahren
In über 1600 Jahren wurden gerade einmal zwei neue Elemente entdeckt: Arsen im Jahr 1295 und Bismut gegen Ende des Mittelalters um 1500.

Dodekaeder – Quinta Essentia  – Äther  – Stein der Weisen
Der Glaube an die vier Grundstoffe – Feuer, Wasser, Erde und Luft – blieb über Jahrhunderte bestimmend. Aristoteles ergänzte sie um eine Quinta Essentia, einen «fünften Stoff», der nicht zur irdischen Welt, sondern zum Himmel gehören sollte. Diese vollkommene, unveränderliche Substanz – auch Äther genannt – war gewissermaßen die philosophische Nachfolgerin von Platons geheimnisvollen Dodekaeder, der für den Kosmos stand. Im Mittelalter verschmolzen diese Konzepte zunehmend: Die Quinta Essentia wurde zum Inbegriff des Reinen und Vollkommenen. In der Alchemie gipfelte sie im mythischen Stein der Weisen – jenem geheimnisvollen Stoff, dem man die Macht zuschrieb, Unedles in Edles zu verwandeln (Transmutation) und mit heilender Kraft die Grenzen des Menschlichen zu überschreiten.  

Elemente mit Seele und Atome ohne Chance
Die materialistische Atomtheorie der Antike konnte sich vorerst nicht durchsetzen. Platons und Aristoteles’ Weltbilder waren teleologisch – also auf ein Ziel oder einen Zweck ausgerichtet – und mit ethischen Vorstellungen aufgeladen. Ein «mechanisches Weltbild» , das alles auf Teilchenbewegungen im leeren Raum zurückführt, galt als kalt, unzureichend und sogar gefährlich. Der Horror vacui, die Angst vor dem leeren Raum, dominierte das Denken. Statt aus kleinsten, unteilbaren Atomen, so glaubte man, bestehe alles aus Kombinationen der fünf Urstoffe – oder später aus den alchemistischen Prinzipien Salz, Schwefel und Quecksilber. Diese sollten die bekannten Stoffen – mittlerweile elf «Elemente», darunter Gold, Eisen, Zinn, Blei – hervorbringen. Ihre unterschiedlichen Mischverhältnisse sollten die Eigenschaften der Stoffe erklären.

Die Idee der Transmutation
Ein zentrales Ziel der Alchemie war die Transmutation – die Umwandlung unedler Metalle in Gold. Der legendäre «Stein der Weisen» sollte dies ermöglichen. Doch es blieb ein Irrglaube: Um tatsächlich ein Element in ein anderes umzuwandeln, muss man in den Atomkern eingreifen – und das ist nur mithilfe eines Teilchenbeschleunigers oder eines Kernreaktors möglich. Das auf diese Weise erzeugte Gold wäre so kostspielig, dass es sich wirtschaftlich nicht lohnte.

Die Chemie selbst ist der Stein der Weisen
Der deutsch-baltische Chemiker Wilhelm Ostwald (1853–1932) brachte es auf den Punkt: Die Chemie selbst sei der wahre Stein der Weisen. Sie habe es nicht nur geschafft, durch die Entwicklung von Medikamenten Leid zu lindern und Leben zu verlängern. Sie könne auch aus einfachen, wenig kostbaren Materialien hochfunktionale Produkte herstellen – etwa Spezialpolymere, die in der Raumfahrt oder der Medizintechnik eingesetzt werden: also ein Art Transmutation. 

«Falsch, verwegen und im Glauben irrig» – mit diesen Worten verurteilte die theologische Fakultät der Sorbonne 1624 den Philosophen Etienne de Claves, weil er es wagte, die von Aristoteles verworfene Atomlehre des Demokrit zu rehabilitieren. De Claves wurde verhaftet. Die theologische Fakultät forderte ein Dekret, das die Verbreitung aller Thesen, die «gegen die alten und approbierten Autoren» gerichtet waren, mit dem Tod bedrohte.

Dieses Aufbegehren gegen neue Erkenntnisse kennzeichnet die gesamte Geschichte der Wissenschaft. Es waren gerade theokratische und absolutistische «Wahrheitsregimes» gegen die sich der Atomismus über Jahrtausende behaupten musste. 

Denker des Atomismus und die Existenz des Vakuums
Doch dieser Versuch, das Denken aufzuhalten, blieb eine Episode. Länger wirkten die Texte des römischen Dichters und Philosophen Lukrez (99/94–55/53 v. d. Z.) und des antiken Philosophiehistorikers Diogenes Laertius (3. Jhd. n. d. Z.), beide glühende Anhänger des epikureischen Atomismus. Immer heftiger wurde die Kritik an der aristotelischen Fünf-Element-Lehre. Zustimmung zur  «atomistische Lehre» kam von bedeutenden Denkern wie Nikolaus von Kues (1401–1464),  Leonardo da Vinci (1452–1519), Nikolaus Kopernikus (1473–1543), Giordano Bruno (1548–1600) und Galileo Galilei (1564–1642). 1640 bewies Evangelista Torricelli (1608–1647) mit seinem Quecksilberbarometer, dass es das von den Atomisten postulierte Vakuum gab, – einer der Haupteinwände gegen die Atomlehre war gefallen! Ein sehr informativer Podcast zum Dichter, unerschrockenen Philosophen und Inquisitionsopfer Giordano Bruno gibt es hier vom Deutschlandfunk.   

Zerlegen statt Vermischen
Zunehmend unter Druck geriet die Vier- bzw. Fünf-Element-Lehre durch neue experimentelle Ergebnisse. Stoffe liessen sich nicht einfach durch Vermischen herstellen. Eine Verbindung, eine Verbrennung – all das war komplexer als Aristoteles` Lehre es erklärte. Manche Substanzen liessen sich immer weiter zerlegen, andere, wie der von Hennig Brand 1669 aus Urin isolierte Phosphor, gar nicht. Was war da los?
Und nicht zuletzt gab es Männer wie Pierre Gassendi (1592–1655), ein Revolutionär mit konsequenter antiaristotetischer Haltung, genauso wie Sebstastian Basso, beide aus Frankreich, sowie der deutsche Arzt Daniel Sennert (1572–1637), die mit ihren Schriften und Vorträgen dafür sorgten, dass der materialistischen Weltanschauung, also dem Atomismus, eine immer grössere Aufmerksamkeit zukam.

Pierre Gassendi berief sich auf eine Naturphilosophie, die sich bereits in der Antike in ausdrücklicher Opposition zur Lehre des Aristoteles entwickelt hatte, und zwar der epikureische Atomismus (Korpuskulartheorie), der auch auf Lukrez eine starke Faszination ausübte. Danach sind in einem endlichen Körper, anders noch als bei Leukipp und Demokrit,  auch eine endliche Menge an Atomen vorhanden. Das reduktionistische Programm nimmt Fahrt auf und kommt mit immer weniger Material aus. 

Von Häkchen zu Kräften – Daniel Sennert
Daniel Sennert war wohl der erste, der die antike Atomlehre konsequent ins Denken der Neuzeit überführte. Für ihn waren die kleinsten Teilchen nicht mehr bloss ununterscheidbare Atome, sondern unterschieden sich in ihren Eigenschaften.  Die stofflichen Körper sind aus den Teilchen zusammengesetzt, in die sie zerlegbar sind. Dem Bild der stofflichen «Ösen und Häkchen" mit denen Demokrit die Bindung erklärte, setzte er eine formative Kraft entgegen. Eine grossartige Verschiebung: von der mechanischen Einrastung zur unsichtbaren Kraft. Von hier ist es nicht mehr so weit zu den Bindungselektronen.  

Robert Boyle  – Der skeptische Chemiker 
Dann kam der Ire Robert Boyle (1627–1691). Ein Vollblutchemiker, der kochte, verdampfte, destillierte, Kristalle züchtete, synthetisierte. Obwohl in der Tradition noch Alchemist, erkannte er, dass die aristotelischen fünf Urstoffe Quinta Essentia, Feuer, Erde, Wasser Luft und die drei alchemistischen Prinzipien – Salz, Schwefel und Quecksilber –  keine Erklärungskraft besassen. Er kam zum Schluss, dass es mehr als vier bzw. fünf Elemente geben musste. Es musste eine Art Urmaterie als Grundbaustein vorliegen, die für die Eigenschaften der Stoffe verantwortlich war. Damit war er wieder bei Leukipp und Demokrit. In seiner Schrift The Sceptical Chymist aus dem Jahr 1661 lieferte Boyle die erste Elementdefinition und sagte damit dem alchemistischen Hokuspokus den Kampf an: Elemente sind ...

„... gewisse einfache, vollständig ungemischte Körper, aus denen die wahrhaft gemischten Körper aufgebaut sind“.

Die Stärke seiner Schrift lag in der klaren, schlichten Sprache. Boyle vereinte  – wie später auch Newton –  das rationale Denken der neuen Naturwissenschaft mit der Sehnsucht nach dem verborgenen Prinzip hinter allem. Er glaubte weiterhin an die Transmutation, stand Aristoteles in mancherlei Hinsicht sogar nahe – und war doch ein Wegbereiter des chemischen Atomismus.  

Anaximenes Urstoff war die Luft. Sie machte in Platons und vor allem Aristoteles` Lesart der Vier-Element-Lehre des Empedokles eine beeindruckende, zweitausendjährige Karriere. Luft war das einzige gasförmige Element, das unkondensierbar schien. Bereits die Alchemisten stellten in ihren Laboren unterschiedliche «Lüfte» her, ohne jedoch genau zu wissen, was sie da eigentlich erzeugten. Im 18. Jhd. lag dann buchstäblich etwas in der Luft: Die Vier- bzw. Fünf-Element-Lehre löste sich endgültig in Luft auf. 

Der flämische Arzt, Naturphilosoph und Alchemist Johann Baptiste van Helmont (1580–1644) bemerkte, dass bei chemischen Reaktionen, z. B. bei der Gärung, der Verbrennung oder dem Erhitzen von Metallen, neue, unsichtbare Substanzen entstehen, die sich nicht einfach wieder zu Flüssigkeiten oder Feststoffen kondensieren lassen – im Gegensatz zu z. B. Wasserdampf. Diese Stoffe verhielten sich anders als normale Luft, weshalb Helmont sie als Gase bezeichnete. Eine bahnbrechende Erkenntnis: Luft ist kein einheitlicher Stoff.

Schon der polnische Alchemist und Arzt Michael Sendivogius (1566–1636) hatte 1616 in seinem Tractatus de Sulphure vom Luftsalpeter berichtet – eine Vorstellung, die John Mayow (1640–1679) offenbar inspirierte, als er im Jahr 1669 Eisenfeilspäne einmal mit Salpetersäure und das andere Mal mit Schwefelsäure umsetzte. Er erhielt zwei unterschiedliche Gase, das eine wasserlöslich, das andere nicht. Er wusste nicht, dass er einmal ein Gemisch von Stickoxiden und das andere Mal Wasserstoff erzeugte. 

Der schottische Physiker und Chemiker Joseph Black (1728–1799) entdeckte in Carbonaten das Kohlendioxid, das er «Fixe Luft» nannte. Kurz darauf gewann Henry  Cavendish durch die Reaktion von Metallen mit Säuren eine «Entzündliche Luft», die er als das zu dieser Zeit populäre Phlogiston identifizierte. Cavendish stellte auch fest, dass nur etwa ein Viertel der Luft, die über glühende Holzkohle geleitet wird, zu «Fixer Luft» (Kohlendioxid) reagiert. Den Rest erstickte die glühende Holzkohle. Er hatte so nebenbei den Stickstoff entdeckt, noch vor dem schottischen Chemiker und Botaniker Daniel Rutherford (1749–1819), der dies 1772, also vor Cavendish, publizierte und deshalb offiziell als Entdecker gilt. Darüber hinaus stieß Cavendish im Jahr 1785 bei seinen Experimenten auf eine kleine, reaktionsträge Komponente der Luft, die unter noch so extremen Bedingungen nicht reagierte. Es handelte sich um das Gas, das später als Argon identifiziert wurde. Cavendish konnte dessen Bedeutung jedoch nur schwer abschätzen und nahm es zunächst nicht als neues Element wahr.

Noch fehlt das wichtigste aller Gase:  der Sauerstoff. Auch hier gibt es zwei Entdecker, die unterschiedlicher kaum sein könnten: Der Schotte Joseph Priestley (1733–1804) und der deutsch-schwedische Apotheker Carl Wilhelm Scheele (1742–1786). Ersterer, der Erfinder des Sodawassers, war Prediger, radikaler Demokrat, Revolutionär und Bürgerschreck. Zum Apotheker Scheele gibt es nicht viel zu sagen, ausser dass er ein ruhiges und beschauliches Leben führte, das er der Wissenschaft widmete. Priestley hatte bereits bei der Umsetzung von Kochsalz mit Schwefelsäure Chlorwasserstoffgas (HCl) und durch die Reaktion von Salmiak und Kalk Ammoniakgas (NH₃) und durch Überleiten von Kohlendioxid über glühendes Eisen Kohlenmonoxid (CO) erhalten. Ein wahrer Meister der Gase. 1774 erhitze er mit einer Sammellinse Quecksilber-II-oxid und fing das entweichende Gas auf. Es war wasserunlöslich und eine Kerze brannte darin heller. Für Priestley stand fest: Das Gas stammte aus der Luft, nicht aus der Substanz selbst. Priestley hatte den Sauerstoff entdeckt, ihn aber in seinem Wesen nicht erfasst. Zeitlebens hielt er das Gas, in dem der brennende Holzspan heller glühte, für "dephlogistierte Luft". Wieder dieses Phlogiston. Zeit sich diesem geheimnisvollen Phantomelement hier zu widmen.

Auch Scheele entdeckte den Sauerstoff, dies unabhängig von Priestley.  Bereits 1773 hatte er das Element Chlor – er dachte es sei dephlogistierte Salzsäure – sowie Fluorwasserstoff erzeugt. Am 30. September 1774 schrieb Scheele einen Brief – zu dem kommen wir gleich – , in dem er ihm detailliert seine Sauerstoffexperimente mit Quecksilberoxid, Braunstein und Salpeter beschrieb. Priestley und Scheele entdeckten den Sauerstoff wohl zur gleichen Zeit. Beiden, Priestley und Scheele – war nicht klar, welche Rolle der Sauerstoff bei der Verbrennung spielte. Diese Einsicht kam dann von einem Dritten: Antoine Laurent Lavoisier, dem Empfänger von Scheeles Brief.   

Die Idee der Atome war zurück, wirkmächtiger denn je. Da sie sich nicht direkt beobachten liessen, galt es indirekte Beweise für ihre Existenz zu finden. Der britische Naturforscher Henry Cavendish (1731–1810), der 1766 den Wasserstoff – den er als «entzündliche Luft» bezeichnete" – entdeckte, beobachtete, dass Säuren und Basen stets in bestimmten Mengenverhältnissen miteinander reagierten. Diese Phänomen nannte Cavendish «chemische Äquivalenz».

Der deutsche Chemiker Jeremias Benjamin Richter (1762–1807), ein Schüler des Philosophen Immanuel Kants, griff Cavendishs Beobachtung auf und formulierte sie im Jahr 1791 als «Gesetz der äquivalenten» Proportionen»:

«Chemische Elemente verbinden sich stets im Verhältnis bestimmter Verbindungsmassen (Äquivalentmassen) oder ganzzahliger Vielfacher dieser Massen zu chemischen Verbindungen.»
 
Richter bezeichnete dieses neue Feld der chemischen Berechnung als «Stöchiometrie» – die Kunst, chemische Reaktionen messbar und berechenbar zu machen. 

Auch wenn Richter die Atomhypothese nicht explizit nannte, liess sich sien Gesetz am besten mit ihr erklären: Warum sollten sich sonst zwei Stoffe immer im selben Gewichtsverhältnis verbinden? Trotz der Bedeutung fand seine Arbeit in der Fachwelt kaum Beachtung. 

Erst sechs Jahre später, 1797, formulierte der französische Chemiker Joseph Louis Proust (1754–1826) das «Gesetz der konstanten Proportionen»:

«Das Gewichtsverhältnis zweier sich zu einer chemischen Verbindunng vereinigenden Elemente ist konstant.»

Damit rückte erneut die Idee in den Vordergrund, dass Materie einer verborgenen Ordnung gehorche – einer Ordnung, die sich mathematisch fassen lässt. Der Schatten Platons. 

1808 kam dann Daltons Gesetz der multiplen Proportionen. Dazu mehr auf der nächsten Seite.

Nochmals zu Cavendish. Er war ein Einzelgänger, wortkarg. und menschenscheu. Frauen ertrug er nur in sicherer Entfernung; jede direkte Begegnung mit ihnen war ihm unangenehm. Er veröffentlichte nur wenige Artikel, und doch zeigte sich erst nach seinem Tod, dass er eine erstaunliche Zahl wissenschaftlicher Erkenntnisse vorweggenommen hatte  –  vom Ohmschen Gesetz über Daltons Atomtheorie bis zu Gesetzmässigkeiten, die später Gay Lussac formulierte.

Neben seiner Entdeckung des Wasserstoffs, experimentierte er – wie Priestley –  mit Knallgas und führte ein bahnbrechendes physikalisches Experiment durch, in dem er mit zwei Körpern bekannter Masse ihre gegenseitige Anziehung bestimmte. Dieses Experiment gilt als Klassiker in der Physik und es erlaubte erstmals die Berechnung der Masse der Erde – ein Meilenstein.  

Cavendishs Gleichgültigkeit gegenüber Ruhm und Öffentlichkeit ist ebenso bemerkenswert wie seine Genialität.  Der britische Neurologe und Schriftsteller Oliver Sacks (1933–2015) deutet in Erinnerungen Cavendishs Verhalten rückblickend als mögliches Anzeichen für Autismus oder das Asperger-Syndrom. Bereits 1851  schrieb der Mediziner und Chemiker George Wilson (1818–1859)  in einer frühen Biographie:

«Er liebte nicht, er hasste nicht, er hoffte nicht, er fürchtete sich nicht. Sein Gehirn scheint nichts als eine Rechenmaschine zu sein [...].», .

Der Engländer Humphry Davy (1778–1829) war einer der kreativsten Chemiker seiner Zeit. Noch vor seinem dreissigsten Lebensjahr hatte er ein halbes Dutzend neuer Elemente entdeckt, die Davy-Sicherheitslampe für den Bergbau entwickelt und eine umfassende elektrische Theorie der chemischen Bindung formuliert.

Die Jahrhundertwende war die Zeit der Elektrizität. Zur Erinnerung: Der italienische Physiker und Chemiker Alessandro Volta (1745–1810) entwickelte um 1800 die sogenannte «Volta-Säule» – die erste Batterie der Physikgeschichte. Sie bestand aus einer hintereinander geschichteten Anordnung von Zink- und Kupferplatten, getrennt durch in Salzwasser getränkte Stofflappen. Diese einfache Vorrichtung, eine Art erste Batterie, elektrisierte im wahrsten Sinne des Wortes die wissenschaftliche Welt. 
Hier der Link zum SWR-Podcast zur Elektrizität und der Voltaschen Säule, die Volta Napoleon demonstrierte.   

Noch im selben Jahr führten der britische Chemiker William Nicholson (1753–1815) und der Physiker Anthony Carlisle (1768–1840) mit ihr unabhängig voneinander die erste Elektrolyse der Geschichte durch: Sie zersetzen Wasser in seine Bestandteile.  

Davy war fasziniert von dieser neuen Technik – so sehr, dass er ohne seine Metallplatten nicht mehr reiste. Er ahnte, dass die Elektrizität der Schlüssel zu neuen Erkenntnissen war. Im Jahr 1807, nur sieben Jahre nach Voltas Entdeckung, setzte Davy eine Volta-Säule ein, um zwei neue Elemente aus ihren Verbindungen zu isolieren: Natrium und Kalium.  Er leitete den elektrischen Strom über einen Platindraht durch geschmolzene Pottasche (Kaliumhydroxid) – und plötzlich erschien ein silberglänzendes, hochreaktives Metall. Davy war ekstatisch; sein Cousin Edmund, der assistierte, berichtete, er habe vor Freude getanzt. Kurz darauf wiederholte Davy das Experiment mit Natriumhydroxid – mit ähnlichem Ergebnis. Beide Elemente benannte er selbst: Kalium und Natrium. Es waren die ersten Metalle, die durch Elektrolyse in reiner Form gewonnen wurden. 

Allein die Tatsache, dass sie elektrisch von den Polen der Batterie angezogen wurden, deutete auf ihre geladene Natur hin – auf Ionen. Den Begriff selbst prägte jedoch erst Michael Faraday (1791–1867), ein Schüler Davys, im Jahr 1834.

Davys Entdeckung hatte weitreichende Folgen: Kalium und Natrium gehören zu den stärksten bekannten Reduktionsmitteln. Sie ermöglichen die Isolierung zahlreicher weiterer Elemente, etwa durch den Namensgeber unseres Projekts, Jöns Jakob Berzelius, der mit ihrer Hilfe Selen, Thorium, Silizium und Zirkonium aus ihren Verbindungen reduzierte. Eine Entdeckung zog die nächste nach sich: erst die Volta-Säule, dann Natrium und Kalium, die neue Methoden für die Reduktion erschlossen und damit wieder neue Elemente ans Licht brachten. Gut 60 Jahre später ehrte Dmitri Mendelejew Davys Arbeiten als eine der wichtigsten Etappen auf dem Weg zum Periodensystem.

Aber was waren das für Metalle, die Davy da freisetzte? Sie waren weich wie Butter, leichter als Wasser und so reaktionsfreudig, dass sie regelrecht explodieren konnten. Davy – elektrisiert im doppelten Sinn –  wandte sich bald den Erdalkalimetallen zu. Die farbigen Flammen ihrer Salze verrieten neue Elemente. Mithilfe einer Elektrode aus flüssigem Quecksilber isolierte er Barium, Strontium und Calcium. Calcium und Barium waren Neuentdeckungen, obgleich  Carl Wilhelm Scheele Barium bereits 1774 im Mineral Schwererde erkannte, während Strontium bereits 1790 vom Schotten Adair Crawford (1748–1795) beschrieben worden war.

Auch das Halbmetall Bor wurde 1808 fast zeitgleich von Davy sowie von den französischen Chemikern Gay-Lussac (1778–1850) und Louis-Jacques Thénard (1777–1857) entdeckt. Kurz darauf versuchte Davy, mit Kohlenstoff den vermeintlichen Sauerstoff aus der sogenannten „oxymuriatischen Säure“ zu entfernen. Doch die Reaktion verlief anders als erwartet – anstelle von Sauerstoff entwich ein gelbgrünes Gas mit stechendem Geruch. Carl Wilhelm Scheele hatte dieses Gas bereits 1774 beschrieben, doch Davy war es, der es als eigenständiges Element erkannte und erstmals isolierte: Chlor.

Seine bedeutendsten Erkenntnisse veröffentlichte Davy 1812 in seinem Werk «Elements of Chemical Philosophy»: Doch er war nicht nur ein brillanter Chemiker, sondern auch ein Dichter der Romantik  –  mit engen Kontakten zum Dichter Lord Byron, der jungen Schriftstellerin Mary Wollstonecraft Godwin (später Shelley,  1797–1851) und anderen Intellektuellen seiner Zeit. Die junge Mary W. Godwin (Shelley), inspiriert von Davys Chemievorträgen und seiner lebendigen und eleganten Sprache, verarbeitete dessen wissenschaftliche Ideen in ihrem weltberühmten Schauerroman Frankenstein oder Der moderne Prometheus. Darin wird erstmals der Mensch selbst zum Schöpfer – ein ebenso visionärer wie häretischer Gedanke. Mehr zu ihrem Roman Frankenstein hier.

Nicht zuletzt war Davy auch ein Pionier der Anästhesie. Er experimentierte mit Lachgas (Distickstoffmonoxid) und erkannte früh dessen euphorisierende und schmerzstillende Wirkung  – eine Entdeckung, die Jahrzehnte später in die Medizin einfloss. 

Davy vereinte Wissenschaft, Poesie, Literatur und Philosophie. Für ihn war Naturforschung immer auch eine ästhetische, fast künstlerische Praxis. Die Chemie wurde durch ihn nicht nur elektrisch, sondern auch leuchtend lebendig.   

Kassandra, Tochter des trojanischen Königs Priamos, war für ihre Schönheit und Klugheit bekannt. Der Gott Apollon verliebte sich in sie und schenkte ihr die Gabe der Weissagung, um sie für sich zu gewinnen. Doch als Kassandra seine Liebe zurückwies, verwandelte sich sein Geschenk in einen Fluch: Sie würde die Zukunft weiterhin klar sehen – aber niemand würde ihr glauben. So wurde aus der Gabe eine Last. Kassandra warnte vor dem Untergang Trojas, vor dem hölzernen Pferd, vor dem Tod ihrer Familie – doch niemand hörte auf sie. Ihr Wissen wurde zum Schmerz. Sie wurde zur Symbolfigur der ungehörten Wahrheit.

Die Vorgeschichte beginnt 1805, als der französische Chemiker und Physiker Joseph Louis Gay-Lussac (1778–1850) gemeinsam mit dem deutschen Naturforscher und Forschungsreisenden Alexander von Humboldt (1769–1859) die Zusammensetzung des Wassers untersuchte. Ihre Experimente zeigten, dass Wasser aus zwei Teilen Wasserstoff und einem Teil Sauerstoff besteht. Bald darauf entdeckte Gay-Lussac ein bemerkenswertes Gesetz: Gase verbinden sich in einfachen ganzzahligen Volumenverhältnissen – zum Beispiel zwei Volumenteile Wasserstoff mit einem Volumenteil Sauerstoff zu Wasser.

Auf dieser Grundlage formulierte der italienische Physiker und Chemiker Amedeo Avogadro (1776–1856) im Jahr 1811 seine zentrale Hypothese: Gleiche Volumina beliebiger Gase enthalten bei gleicher Temperatur und gleichem Druck gleich viele Teilchen – heute als Avogadros Gesetz bekannt. Damit konnte er die korrekten Formeln für Wasser (H₂O), Ammoniak (NH₃),  Distickstoffoxid (N₂O) und Stickoxid (NO) ermitteln. Er führte auch die Idee ein, dass viele Gase – etwa Wasserstoff oder Sauerstoff – aus zweiatomigen Molekülen bestehen, nicht aus einzelnen Atomen, wie es der britische Naturforscher und Chemiker John Dalton noch geglaubt hatte.

Doch die wissenschaftliche Welt war nicht bereit für Avogadros Gedanken. Seine Arbeiten wurden kaum beachtet oder sogar abgelehnt.

Der britische Arzt und Chemiker William Prout (1785–1850) stellte im Jahr 1816 die Hypothese auf, alle Atome seien aus Wasserstoffatomen zusammengesetzt – ein Gedanke, der gut ins Weltbild passte, aber nicht die experimentellen Befunde erklärte. Die klare, elegante Lösung, die Avogadro vorgeschlagen hatte, verhallte – wie Kassandras Stimme am Vorabend der Zerstörung Trojas.

Sie hatten wohl nur den Vornamen  gemein: Johann Wolfgang. Der Minister Goethe und der chemisch-pharmazeutische Autodidakt Döbereiner (1780–1849). Obwohl man Goethe, ein Aristokrat wie er im Buche steht, nachsagte, das gesamte Wissen seiner Zeit in seiner Person zu vereinen, war er nicht der Glücklichste in seinen Forschungen. Anders Döbereiner, dessen praktisches Geschick sich bis Goethe herumgesprochen hatte. Einer Intuition folgend, setzte der aristokratische Johann Wolfgang, seines Zeichens Geheimer Rat für die naturwissenschaftliche Abteilungen der Universität Jena, den Johann Wolfgang aus einfachen Verhältnissen, der nie eine Universität von innen gesehen hatte, auf die ausserordentliche Professur für Chemie und Technologie der Universität Jena. Es sollte Goethes grösster Beitrag zu den Naturwissenschaften werden.

Im Jahr 1816 stellte Döbereiner fest, dass das Atomgewicht (heute Atommasse) von Strontium so ziemlich genau dem Mittelwert der Atomgewichte von Calcium und Barium entspricht. Die chemische Ähnlichkeit der Elemente war schon zuvor aufgefallen. Konnte es sein, dass Strontium eine Mischung aus Calcium und Barium war? Ein sehr atomistischer Gedanke. Döbereiner war sicher: Dies war kein Zufall. 1817 entdeckte Berzelius Selen, und es war sofort klar, dass Selen zwischen Schwefel und Tellur gehörte. Im gleichen Jahr entdeckte ein Schüler von Berzelius, der schwedische Chemiker Johann August Arfvedson (1792–1841), Lithium und die nächste Triade war vollständig: Lithium-Natrium-Kalium. Nach der Entdeckung des Broms im Jahr 1826 (durch Balard) stellte Döbereiner auch seine Halogentriade auf: Chlor - Brom - Iod. Es war das erste wissenschaftlich fundierte Ordnungssystem der chemischen Elemente, eine Korrelation zwischen chemisch ähnlichen Elementen und ihrem Atomgewicht. Ein weiterer Grundstein für die Ordnung der Welt.

Warum es trotzdem noch fast fünfzig Jahre dauerte bis Mendelejew und fünf andere auf das Periodensystem stiessen erfährst du hier.

Ende der 1850er Jahre: Die Chemie steckte fest
War Wasser H₂O, OH oder H₂O₂? – Selbst bei den einfachsten Stoffen herrschte Uneinigkeit. Die Chemie sprach in widersprüchlichen Formeln, die Begriffe «Atom» und «Molekül» wurden wild durcheinander geworfen. Berzelius’ dualistische Theorie bestimmte noch immer die Diskussion. Nach ihr durfte es weder H₂ noch O₂ geben – gerade jene Moleküle, die Avogadro als zweiatomig erklärt hatte. Doch seine Idee fand kaum Gehör. Die Atomgewichte blieben ein Rätsel, Ordnung war nirgends in Sicht. Seit der Entdeckung des Rutheniums im Jahr 1844 war kein neues Element hinzugekommen. War es das schon? Die Chemie steckte fest.

Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Bestandteile
In dieser verworrenen Lage ergriffen drei jüngere Chemiker die Initiative: die beiden Deutschen Karl Weltzien (1813–1870) und August Kekulé (1829 –1896) sowie der Franzose Adolphe Wurtz (1817–1884), Lehrstuhlnachfolger von Dumas und Liebigschüler, taten etwas bis dahin nie dagewesenes: Sie luden alle weltweit bekannten Chemiker zu einem grossen Treffen nach Karlsruhe ein. Es war die erste internationale wissenschaftliche Konferenz überhaupt. Manche sagen, es sei das wichtigste Ereignis in der Naturwissenschaftsgeschichte des 19. Jahrhunderts gewesen. Schwer zu beurteilen in diesem an Ereignissen nicht armen 19. Jahrhundert.  
Die Organisation war ein Kraftakt: In nur wenigen Monaten wurde europaweit eingeladen, 127 Teilnehmer reisten nach Karlsruhe. Vom 3. bis 5. September 1860 versammelten sich Grössen wie Bunsen, Baeyer, Erlenmeyer, Fresenius, Beilstein, Dumas, Kolbe, Odling, Roscoe, Mayer und ein junger Russe: Dmitri Mendelejew und viele viel andere. 
Erstmals stand die Chemie als Gemeinschaft im Raum.  

Die Debatten
Die Konferenz war aufgeladen. Manche Chemiker hielten Atome nur für mathematische Hilfskonstrukte, andere für reale Teilchen. Genau das ist Thema des Audios zu Beginn dieses BLJs. Besonders die Frage, ob es eine einheitliche Chemie geben könne, spaltete die Gelehrten. Der französische Chemiker Jean-Baptiste Dumas behauptete, dass organische und anorganische Chemie so verschieden seien, dass sie mit unterschiedlichen Atomgewichten arbeiten müssten – also eigentlich zwei Wissenschaften. Doch Stanislao Cannizzaro, italienischer Chemiker, begnadeter Redner und politischer Revolutionär, widersprach vehement. Mit Leidenschaft verteidigte er die Einheit der Chemie und machte klar: Atom und Molekül müssen begrifflich klar getrennt werden – nur so ergibt sich Ordnung.

Das Nachwirken
Offiziell endete die Karlsruher Versammlung ohne greifbares Ergebnis – zu gross war der Streit, zu tief die Gegensätze. Doch Cannizzaro hatte heimlich einen Trumpf in der Tasche: Er verteilte seine kleine Schrift, den „Abriss eines Lehrgangs der theoretischen Chemie“. Dieses unscheinbare Heftchen wirkte nach. Lothar Meyer erinnerte sich später:

„Auch ich erhielt ein Exemplar, das ich einsteckte, um es unterwegs auf der Heimreise zu lesen … Die hoch gehenden Wogen des Streites begannen sich zu ebnen; mehr und mehr traten die alten Berzeliusschen Atomgewichte wieder in ihr Recht.“

Die eigentliche Revolution fand also nach der Konferenz statt – in den Köpfen der Heimreisenden. Karlsruhe 1860 war der Wendepunkt: Von dort führte der Weg zur Ordnung, zum ersten Periodensystem der Elemente und zu einer neuen Chemie. Interessant ist, dass Cannizzaro diese Schrift bereits zwei Jahre vor der Konferenz publizierte, nur niemand schenkte ihr Beachtung. Wir sehen, wie wichtig die richtige Plattform ist. Viel wird geschrieben, wenig wahrgenommen. Es ist das Ringen um Aufmerksamkeit. Cannizarro hat diese auf der Konferenz bekommen.

Hier die Einzelheiten zum Kongress als Podcast des Südwestrundfunks. 

Was in Karlsruhe 1860 als Diskussionszirkel begann – der Versuch, die Sprache der Atome zu ordnen – wurde 1919 in Brüssel als IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) zur Institution: die Stimme der internationalen Chemie.   

Sechs Männer:  Chancourtois, Newlands, Odling, Hinrichs, Meyer und Mendelejew. Das Jahr 1869 markiert den Höhepunkt des Elementeordnens nach ihren periodischen Eigenschaften – ein System, das bis heute gilt. Ein Jahr, das sich leicht merken lässt. Wir befinden uns im vor Entdeckungen nur so strotzenden 19. Jahrhundert. Sechs Männer. Drehen wir die Sechs um, wird sie zur Neun: 1896. 

Warum sieben Männer im Hintergrund?
Auf dem Bild seht ihr insgesamt sieben Männer; ein Fehler der KI. Trotzdem habe ich es gelassen, weil es gar nicht so falsch ist: Döbereiner müssten wir auch dazu zählen mit seinen Triaden. 

Standing on the sholders of giants
Das Auffinden der Ordnung war in der Zeit angelegt. Mit der Entdeckung des Periodensystems verbinden die meisten den Namen Dimitri Mendelejew, vielleicht noch Lothar Meyer. Die anderen vier sind selbst belesenen Chemikern kaum bekannt. Ruhm lässt sich schwer teilen – und wir lieben Helden. So müssen wir uns nur einen Namen merken. Aber diese Verkürzung verfälscht und die anderen Forscher sind ebenso (be-)merkenswert. Vielleicht erinnert ihr euch später daran, dass es mehrere Personen waren, die innerhalb weniger Jahre unabhängig voneinander auf das Periodensystem stiessen. Dann habt ihr viel verstanden. Denn es lag in der Luft. Die Ordnung der Welt war bereit, erkannt zu werden. Nach der Konferenz von Karlsruhe standen die Entdecker ganz oben auf den Schultern so vieler Forscher – Davy, Dalton, Berzelius, Döberereiner und all die anderen hier genannten und nicht genannten – , dass die sechs Männer sehen konnten, was zuvor verborgen geblieben war.   

Der erste Versuch: Die Spirale von Chancourtois (1862)
Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois (1820–1886), französischer Geologe, ordnete 1862 die Elemente nach ihren Atomgewichten auf einer Schraubenlinie, die sich um einen Zylinder wand. Elemente mit ähnlichen Eigenschaften erschienen in senkrechten Linien übereinander – ein genialer Gedanke. Nur hatte es die Académie des Sciences versäumt, die zugehörige Grafik zu drucken. Ohne sie verstand niemand, was er meinte.
 
Das Gesetz der Oktaven (1864)  
Wenig später, 1864, formulierte der Engländer John Alexander Reina Newlands (1837–1898) sein «Gesetz der Oktaven»: Alle acht Elemente wiederholen sich ähnliche Eigenschaften – wie in einer musikalischen Tonleiter. Ein poetischer Gedanke, zu schön vielleicht für die nüchterne Chemie. Seine Kollegen lachten ihn aus und hielten ihn für einen Esoteriker. Wäre man ihm gefolgt, das Periodensystem wäre fünf Jahre früher entdeckt worden – und vielleicht wäre Mendelejew heute eine Randnotiz.

Ordnung mit Mut zur Lücke (1864)
Der englische Chemiker William Odling (1829–1921) kam der Ordnung ebenfalls erstaunlich nahe. 1864 schlug er eine tabellarische Anordnung der Elemente vor, bemerkte Periodizitäten und liess sogar Lücken für unbekannte Elemente – fast wie Mendelejew später. Odling war einer der 127 Chemiker in Karlsruhe. Vielleicht war es genau dort, wo ihm der Gedanke an eine periodische Anordnung kam. Doch Odling zögerte, seine Idee zu vollenden. 

Zu jung, zu komplex, zu voll (1867)
Gustav Hinrichs (1836–1923), ein aus Schleswig stammender Chemiker, der in die USA auswanderte, suchte ebenfalls in diesen Jahren nach einer Ordnung. Er zeichnete Spiralen, sprach von periodischen Gesetzen und glaubte an ein tieferes Muster in der Materie. In seinem «spiral periodic system» ordnete er die Elemente nach Atomgewicht, kombinierte das darüber hinaus mit magnetischen und spektralen Eigenschaften. Kaum jemand nahm Hinrichs Arbeit wahr. Zu weit weg, zu komplex, zu eigenwillig.

Im Gleichschritt: Meyer und Mendelejew (1869)
Der deutsche Chemiker Lothar Meyer (1830–1995) und der russische Chemiker Dmitrij Iwanowitsch Mendelejew (1834–1907) stiessen zur ungefähr selben Zeit, 1869, auf das PSE. Neun Jahre zuvor stiessen die beiden in Karlsruhe aufeinander. Wahrscheinlich haben sie auch miteinander gesprochen. Fast nicht zu vermeiden bei drei Tagen, nur 127 Teilnehmern, vielen Vorträgen, Pausen und Diskussionen ... 

Mendelejews Mut zur Lücke
Warum bleibt uns nun Mendelejew im Gedächtnis? Weil er allen anderen etwas voraus hatte: Das war seine Bestimmtheit, seine Überzeugung, sein Mut zur Lücke. Er liess einfach einige Felder leer – für Elemente, die er für noch unentdeckt hielt. Er gab ihnen vorläufige Namen Eka-Aluminium, Eka-Bor, Eka-Silicium. Die Vorsilbe Eka entnahm er dem Sanskrit, sie bedeutet +1, also «eins mehr». Sozusagen eine Periode mehr.

Er sagte sogar ihre Eigenschaften voraus – Dichte, Atomgewicht, chemisches Verhalten, Spektrallinien. Das war gewagt und brachte ihm viel Kritik ein. Doch in den folgenden Jahren stellten sich Mendelejews Eka-Elemente als Gallium, Scandium und Germanium heraus. Mendelejew hatte Recht behalten. Sogar die Eigenschaften der Elemente konnte er mit erstaunlicher Präzision vorhersagen. Hier mehr dazu.  

Nachklang
Biografien neigen dazu, Heldengeschichten zu erzählen – Mendelejew als einsamer Genie-Held. Bei der ersten internationalen Ehrung des Periodensystems zum 150ten Jahrestag im Jahr 2019, wurde nur Mendelejew gefeiert. Doch wie wir wissen, ist die Wahrheit komplexer: Auch Lothar Meyer, Chancourtois, Odling, Hinrichs und Newlands haben auf ihre Weise dazu beigetragen, die Ordnung der Elemente zu erkennen. Auch hatten viele andere vor ihnen Anteil daran, angefangen bei den Vorsokratikern, Platon, den Renaissance-Denkern, Davy, Berzelius, Döbereiner und viele mehr. Ihre Beiträge verdienen ebenso Anerkennung wie der Mendelejews. Sein Ruhm ist mehr als berechtigt, wegen seiner sich später bestätigenden Voraussagen. Aber ohne all die anderen wäre das Bild unvollständig und fehlerhaft.

Zuletzt noch etwas Kurioses: Mendelejew erntete als Entdecker, wie wir gesehen haben, alle Lorbeeren. Zweifelsohne verdient. Konsequent wäre es dann gewesen, ihm den Nobelpreis für Chemie zu verleihen. Das Komitee zog ihn 1906 auch ernsthaft in Erwägung. Den Nobelpreis bekam jedoch ein anderer: der französische Chemiker Henri Moissan (1852–1907) für die Entdeckung und Isolierung des Elements Fluor. Mendelejew soll nur eine Stimme gefehlt haben. Angeblich hat sich das Komitee bei seiner Entscheidung davon leiten lassen, dass er es nach so vielen Erfolgen versäumt hatte, die Edelgase vorauszusagen. Ruhm und Anerkennung sind eine seltsame Sache und alles andere als gerecht und berechenbar. 1955 nannte man das 101. Element im PSE Mendelevium. Mendelejew wäre es wohl egal gewesen. 

Was mit den Edelgasen auf sich hat, das erfahrt ihr auf der nächsten Seite. 

Lecoq, Nilson und Winkler entdeckten zwischen 1875 und 1886 die Elemente Gallium, Skandium und Germanium. Mendelejew feierte diese als «wahre Befestiger des Periodensystems». Doch in den 1890er Jahren drohte am Himmel – speziell in der Luft und um die Sonne – Ungemach. Erst Argon, dann Helium, Neon, Krypton und Xenon. Fünf neue Elemente, alle Gase, alle farb-und geruchlos , alle extrem reaktionsträge. Langweilige Elemente, dachten viele Chemiker, doch Mendelejew raubten sie den Schlaf. Denn Mendelejews Reaktion auf die Entdeckung des Argons war alles andere als anerkennend. Es entwickelte sich ein gereizter Briefwechsel zwischen ihm und dessen Entdecker Ramsay, in dem Mendelejew die Entdeckung von Argon zurückwies. 

Reaktionsträges Element, das nirgendwohin passt
John William Struit Lord Rayleigh (1842–1919) untersuchte die Dichte des Stickstoffs und stellte fest, dass ein definiertes Volumen atmosphärischer Stickstoff (aus der Luft) um 7 g schwerer war als z. B. das gleiche Volumen Stickstoff, das aus einer stickstoffhaltigen Verbindung, z. B. Ammoniumnitrat oder Ammoniak, gewonnen wurde. Er diskutierte diesen 7-g-Unterschied mit Sir William Ramsay und die beiden machten sich auf die Suche nach einer Erklärung. Sie entzogen der Luft den Sauerstoff und den Stickstoff.

• Der Sauerstoff wurde durch Verbrennung gebunden,
• der Stickstoff durch Reaktion mit Magnesium zu Magnesiumnitrid fixiert,
• Kohlendioxid und Wasserdampf wurden chemisch entfernt.

Übrig blieb ein farbloses Restgas, dichter als Stickstoff, das sich durch nichts zu einer Reaktion animieren liess. Es war das Gas auf das bereits Cavendish Hundert Jahre zuvor gestossen war. Ramsay setzte das noch neue Verfahren von Bunsen und Kirchhof, die Spektroskopie, ein. Sie sahen eine Reihe roter und grüner Linien, die zu keinem bisher bekannten Element passten. Sie nannten das neue Element, das 0.93 % der atmosphärischen Luft einnahm als Argon (griech. argos = träge). Weitere Untersuchungen zeigten, dass Argon ein Atomgewicht von knapp 40 besitzt, was soviel hiess, wie dass das neue Element im Periodensystem zwischen Kalium (Atomgewicht: 39) und Calcium (Atomgewicht 40) stehen müsse. Doch da war kein Platz. Die Aufregung war gross und Mendelejew besorgt.

Eine kühne Vermutung
Ramsay hatte eine mitreissende Idee. Sie selbst ist eine Folge von Mendelejews «Gesetz der Elemente»: Weil im Periodensystem kein Element alleine in der Gruppe existiert, könnte Argon das erste aus einer Gruppe von Elementen sein. Kalium hat eine Valenz von 1, Calcium von 2, Argon, da es nicht reagiert, von 0. Ramsay stellte das Argon hinter Chlor in die achte Gruppe. Nun mussten die anderen Elemente dieser Gruppe gefunden werden. 

Solares und terrestrisches Helium 
Es war nur eine Frage der Zeit bis jemand Kirchhoffs und Bunsens Spektroskop in die Sonne halten würde. Das geschah 1868 als der französische Astronom Pierre Jansen am Golf von Bengalen die Atmosphäre der Sonne während einer totalen Sonnenfinsternis beobachtete. Er sah eine unbekannte gelbe Linie, die nicht mit der des Natriums identisch war. Er war sich sicher, dass sie von einem neuen Element stammte, doch er war nicht dreist genug, um ihm einen neuen Namen zu geben. Das tat dann der britische Astronom Norman Lockyer, der die Sonne am herbstlichen Himmel von Cambridge beobachtete und seine Befunde mit denen einer Entladungsröhre mit Wasserstoff verglich. Er gelangte unabhängig zur selben Schlussfolgerung wie Jansen: ein neues Element. Im Glauben, dass dieses Element nur in der Sonne vorkam, nannte er es Helium (helios, griechisches Wort für Sonne). Jansen und Lockyer wurden von Spott nicht verschont. Wo waren die Beweise? Witzelnde Forschern gebrauchten «Helium» als geflügeltes Wort, wenn irgenwann mal wieder irgendein Wissenschaftler behauptete, er habe ein neue Substanz bzw. Element entdeckt. 

Dann fand der Amerikaner William Francis Hillebrand (1853 1925) im Jahr 1895 in dem seltenen Mineral Cleveit ein Gas, das er Ramsay zum Untersuchen gab. Dieser dachte zuerst es sei sein Argon. Aber es war genau das Element, das Jansen und Lockyer im Sonnenspektrum beobachteten. Es war Helium und es war das erste Mal, dass es auf der Erde auftauchte. Mit einem Atomgewicht von vier ist es der Anführer dieser Gruppe. 

Neon, Krypton und Xenon
Ramsay und sein enger Mitarbeiter, der britische Chemiker Morris William Travers (1872–1961) gaben sich nicht zufrieden. In den Resten der Luft, nachdem Sauerstoff und Stickstoff gebannt waren, fanden sie neue Linien im Spektrum – erst Neon, dann Krypton, schließlich Xenon. Unsichtbare Gase, farb- und geruchlos, still – und doch von ungeheurer Bedeutung. Mit jedem neuen Fund wuchs das Unbehagen zur Erkenntnis: Diese Elemente waren keine Ausnahme, sondern Teil einer neuen Ordnung. Was Mendelejew zunächst als Bedrohung empfand, wurde zur Vollendung seines Systems.
Die Edelgase – träge, unnahbar, vollkommen – bildeten die achte Gruppe, die Krönung der Periodizität. Die Lücke, die Argon gerissen hatte, schloss sich – und das Periodensystem stand fester denn je. Doch im Anführer der Edelgase (Helium) lag die nächste Herausforderung. 

Produkt des Zerfalls 
Der französische Physiker Henri Becquerel (1852–1908) legte ein Jahr nach der Entdeckung des Heliums auf der Erde phosphoreszierende Uran-Salze auf eine lichtdicht verpackte Fotoplatte. Er wollte untersuchen, ob durch Sonne belichtete Salze nachträglich strahlen. Dann kam trübes Wetter. Trotzdem entwickelte er die Platte und fand eine starke Schwärzung. Er kam zu dem Schluss, dass das Uransalz aus sich heraus Strahlen aussendet. Die Radioaktivität war entdeckt. Kurz darauf zeigte sich, dass in Uran- und Thoriumsalzen Helium zu finden ist. Das Helium schien auch ständig neu zu entstehen – also nicht bloss eingeschlossen zu sein.


 
 


 

Instabile, radioaktive Elemente
Wir haben es schon im Zwischenspiel der Elemente vorweggenommen. Mendelejew hatte gerade erst mit Ramsays Unterstützung, erst wider-, später dann bereitwillig, die Edelgase am Rande des PSE untergebracht, da kam bereits die nächste Erschütterung.

Das Physikerehepaar Marie (1867–1934) und Pierre (1859–1906) Curie entdeckte im Jahr 1898 in Uranerzen zwei neue Stoffe – Polonium und Radium. Beide sendeten eine Strahlung aus, wie sie Henri Becquerel zwei Jahre zuvor in Uranverbindungen beobachtet hatte. Doch diesmal war die Intensität um ein Vielfaches höher.

Nicht die Strahlung selbst erregte Aufsehen, sondern die Erklärung der Curies: Diese neuen Elemente sollten von selbst Energie abgeben, sich verwandeln, zerfallen – und dabei neue Elemente hervorbringen. Das schien ein Rückfall in die Alchemie. Noch schwerer wog der Angriff auf das Fundament der Chemie: die Vorstellung vom unveränderlichen Atom.

Die Reaktion der Fachwelt war skeptisch, fast ungläubig. Viele glaubten zunächst, es handele sich um eine Art elektromagnetischer Emission – ähnlich den 1895 entdeckten Röntgenstrahlen oder der Phosphoreszenz, also um gespeicherte Energie, die frei wurde. Becquerel hatte die Strahlung entdeckt, die Curies gaben ihr nun eine Deutung.

Wie reagierte Mendelejew?
Für Mendelejew war die Entdeckung der Radioaktivität ein Schock. Sein Periodensystem war ein Bau aus festen, unveränderlichen Steinen – und plötzlich begann die Mauer zu bröckeln. Elemente, die sich selbst verwandeln, widersprachen allem, woran er und so gut wie alle Chemiker Ende des 19. Jahrhunderts geglaubt hatten. Den Glauben an mysteriöse Elementumwandlungen hatte man mit dem Stein der Weisen begraben. Folglich lehnte Mendelejew die Vorstellung ab, dass Atome zerfallen könnten. Was sollte das alles, wenn Elemente Teilchen abspalten und von einem Kästchen im PSE ins nächste hüpfen?

Wie viele seiner Zeit suchte er die Erklärung im Äusseren, nicht im Inneren der Atome. Als er 1902 – fünf Jahre vor seinem Tod – die Curies besuchte, sprach er spöttisch vom «Geist in der Materie». Doch die Welt der Physik hatte sich längst zu bewegen begonnen. Ordnung und Wandel – beide sollten fortan zum Wesen der Materie gehören.

Die Vergänglichkeit der Elemente
Die Curies sollten Recht behalten: Die geheimnisvolle Strahlung stammte tatsächlich aus zerfallenden, sich umwandelnden Atomkernen. Damit war das Ende an den Glauben der Unvergänglichkeit der Elemente besiegelt. Bald zeigte sich, dass auch das Gegenteil von Zerfall möglich war: die Verschmelzung von Atomkernen. In der Sonne verschmelzen Wasserstoffkerne zu Helium – das sogenannte Wasserstoffbrennen. Erst in massereichen Sternen folgen weitere Fusionsstufen, bei denen Kohlenstoff, Sauerstoff und schliesslich Eisen entstehen. Die schwersten Elemente werden in den Explosionen sterbender Sterne ins All geschleudert. Auch sie sind Produkte kosmischer Umwandlung.

Beide Prozesse – Zerfall und Fusion – sind Ausdruck eines tieferen Prinzips: Materie ist nicht ewig, sondern wandelbar. Dieses Prinzip brachte der deutsch-schweizer und US-amerikanische Physiker Albert Einstein (1879–1955) 1905 in eine einfache, aber folgenschwere Formel:

E = mc²

Materie und Energie sind zwei Seiten derselben Wirklichkeit. Was wir «Stoff» nennen, ist nur geronnene Energie, und Energie kann sich zurückverwandeln – in Strahlung, Bewegung, Licht. Damit war die alte Gewissheit endgültig dahin. Das Atom, einst Symbol des Unveränderlichen, wurde zum Symbol der Verwandlung selbst. Die Ordnung blieb – doch sie war nun dynamisch, durchlässig, lebendig.  

Die Nobelpreise der Curies
1903 erhielten Henri Becquerel sowie Pierre und Marie Curie den Nobelpreis für Physik, Becquerel (die Hälfte des Preises) für die Entdeckung der Radioaktivität und die Curies (je ein viertel des Preises) für deren Weiterführung.

Beinahe aber wäre Marie übergangen worden: Das Nobelkomitee hatte zunächst nur Pierre Curie und Becquerel nominiert. Erst auf den Hinweis des schwedischen Mathematikers Gösta Mittag-Leffler, der auf Maries entscheidenden Anteil verwies, wurde ihr Name in letzter Minute hinzugefügt. Damit wurde Marie Curie die erste Frau, die einen Nobelpreis erhielt. Pierre Curie starb nur drei Jahre später, 1906, bei einem Unfall in Paris. Marie setzte ihre Arbeit allein fort – und schrieb erneut Geschichte:

1911 erhielt sie den Nobelpreis für Chemie, diesmal allein, für die Entdeckung und Isolierung von Polonium und Radium sowie ihre grundlegenden Beiträge zur Erforschung der Radioaktivität. Sie wurde damit die erste Person in der Geschichte, die zwei Nobelpreise in unterschiedlichen Disziplinen erhielt – Physik und Chemie.   

Mit der Radioaktivität begann ein neues Zeitalter der Materie. Was Mendelejew noch für ewig hielt, erwies sich als vergänglich. Und was man für tote Masse hielt, entpuppte sich als pulsierende Energie.
Aus den Bausteinen der Welt wurden nun Prozesse – Schöpfung und Verfall zugleich. 

Doch das Periodensystem erwies sich als erstaunlich belastbar. Es nahm die Edelgase auf, die sich träge und vollkommen an den Rand der Ordnung setzten,
und es fand auch Platz für die radioaktiven Elemente, deren Kerne sich selbst verändern. Später sollten weitere Familien folgen: die Actiniden, deren Zerfälle den Blick tief ins Innere der Materie öffneten, und die Lanthaniden, die sich wie eine verborgene Reihe zwischen die bekannten Ordnungen schoben. Das System blieb – offen, dehnbar, lebendig. Ein Bauplan, der Wandel nicht fürchtet, sondern ihn in seine Ordnung aufnimmt.

Geschafft! Das war`s. Wir machen einen Schnitt, bevor es zum nächsten Kapitel, zum Kohlenstoff geht. Warum so viele Worte, so viel Aufwand, um den Weg zum Urstoff und zum Periodensystem der Elemente nachzuzeichnen? Zunächst aus Freude – die des Schreibenden –, dann aus Überzeugung: Ein Verständnis der gegenwärtigen Naturwissenschaften gelingt nur, wenn wir ihre Vergangenheit mitdenken. Wissenschaftliches Denken braucht neben so vielem anderen historische Tiefe. 

Das Periodensystem ist weit mehr als eine Tabelle. Es ist ein gemeinsames kulturelles und wissenschaftliches Unternehmen, das zeigt, wie der Mensch versucht hat, die Vielfalt der Materie zu ordnen – ein Symbol für das Streben nach Übersicht in einer unübersichtlichen Welt.

Thomas S. Kuhn hat in seiner Beschreibung der Paradigmenwechsel gezeigt, dass wissenschaftlicher Fortschritt selten ein stetiger Fluss ist, sondern eher eine Abfolge von Brüchen, Umdeutungen und Neubeginnen. Wer Wissenschaft verstehen will, muss daher auch ihre Geschichte kennen – mit all ihren Sackgassen und Umwegen. Der Erkenntnistheoretiker Frieder Vogelmann warnt zu Recht, dass ohne diese historische Perspektive eine falsche Vorstellung von wissenschaftlicher Praxis entsteht – eine, die ihre Vielfalt, Geschichtlichkeit und soziale Einbettung ausblendet und damit jenen in die Hände spielt, die Wissenschaft pauschal in Frage stellen.  

Das lange Irren und Wirren auf dem Weg zum Periodensystem ist ein hervorragendes Beispiel dafür. Der Schweizer Philosoph Peter Bieri  (1944–2023) erinnerte daran, dass alle Ideen eine Geschichte haben – und dass deren Kenntnis das Verständnis der Idee vertieft.

Was also bleibt, wenn wir diesen Weg betrachten? Keine endgültigen Lehren, wohl aber einige Einsichten aus dem Irren und Wirren – Spuren, die zeigen, wie sich die Ordnung der Welt gesucht, gefunden, verloren und neu erfunden hat:  

1. Keine Wissenschaft entwickelt sich intrinsisch aus sich selbst. Wir haben gesehen, wie entscheidend die Mathematisierung für die Entwicklung des Atomismus war  – einmal bei Pythagoras und Platon, später bei Lavoisier und Dalton.
   
2. Die Entwicklung der Chemie war und ist keine Abfolge logischer Schlüsse. Sie ist weder linear noch vorhersagbar; sie ist vielmehr ein Irren und Wirren.
3. Es zieht sich wie ein Faden durch die Wissenschafts-geschichte: Trotz neuer Erkenntnisse halten Menschen, wie im Fall von Stahl, Priestley und vielen anderen hartnäckig an überholten Vorstellungen (Phlogiston) fest. Unterschiedliche Paradigmen sind nicht einfach durch rationale Argumente oder empirische Evidenz ineinander übersetzbar. Siehe auch den Exkurs zu Thomas S. Kuhn. Erkenntnis entwickelt sich nicht ohne Streit, Fehler, Chaos und Verwirrung, und neue Theorien stossen auf fachliche, psychologische und finanzielle Widerstände. Der deutsche Physiker und Quantenvater Max Planck (1858–1947) beobachtete treffend, das neue Ideen (in der Wissenschaft) sich nicht in der Weise durchsetzen, dass ihre Gegner überzeugt werden, sondern vielmehr dadurch, dass ihre Gegner nach und nach aussterben. 
4.  Fortschritt ist mühsam. Neue Theorien stimmen selten mit den experimentellen Ergebnissen überein. Siehe Anaximander, Philolaos, Demokrit und Parmenides, die ihre Theorien, den Mut zum Prinzip, gegen das Augenscheinliche durchsetzen.
5. Und das Suchen nach etwas? Suchen scheint mehr ein Versuchen zu sein. Ein Tasten, ein Probieren, ein Fragen ins Unbekannte hinein – oft ohne klare Vorstellung davon, was man überhaupt finden will. Wie sucht man etwas, das man nicht kennt? Niemand hat je entscheiden: «So, jetzt suchen wir das Periodensystem der Elemente.» Oder die Irrationalen Zahlen. Wer nach etwas sucht, findet meist etwas anderes als das, was er zu finden hoffte. Wenn die überraschende Entdeckung nützlich oder bedeutend ist, sprechen wir von «Serendipität». Der Alchemist Hennig Brand suchte im 17. Jahrhundert wie so viele nach dem Stein der Weisen – einer Substanz, die unedle Metalle in Gold verwandeln sollte. Er war – aus heutiger Sicht auf fast bizarre Weise – überzeugt, dass sich diese im Urin befinden müsse. Brand kochte und destillierte Unmengen davon. Gold fand er keines. dafür fand er Phosphor, der irgendwann in seiner Apparatur geheimnisvoll zu leuchten begann. Phosphorpinkeln! Oder Joseph Priestley und Carl Wilhelm Scheele, die den Sauerstoff entdeckten, ohne es zu wissen. Oder Henry Cavendish, der den entdeckten Wasserstoff für dephlogisierte Luft hielt, ... Die Geschichte der Naturwissenschaften ist voll von solchen Geschichten: Penicillin. Röntgenstrahlen. Viagra, ...  
6. Damit sind wir beim Zufall – Menschen interpretieren es als Glück oder Unglück – angelangt. Berzelius hatte eine unglückliche Kindheit, aber Glück in der Art und Weise wie er zur Chemie kam. Er las direkt das richtige Buch  – Girtanners Anfangsgründe der antiphlogistischen Chemie. Eine der ersten Darstellungen dessen, was später die moderne Oxidationstheorie werden sollte. Warum dieses Buch? Weil es billig war, so Berzelius. 
   Noch ein Beispiel: 1859 erhielt Mendelejew ein zweijähriges Auslandsstipendium in Heidelberg, wo er bei Kirchhoff und Bunsen studierte – genau den Forschern, die die Spektralanalyse entwickelt hatten. Den Abschluss seines Aufenthalts bildete die Teilnahme am Karlsruher Chemikerkongress. Und ohne die Spektralanalyse hätten Reich und Richter das Indium nicht identifiziert, das Mendelejew für die Voraussage für das Eka-Aluminium brauchte. Wie sähe die Geschichte ohne Mendelejews Auslandsstipendium aus?
   
7. Wer bekannt wird. Nicht selten haben mehrere Forscher die gleiche Entdeckung gemacht. Mehrere entdeckten den Sauerstoff: Priestley, Scheele.  Aber Lavoisier nahm die Entdeckung für sich in Anspruch. Das Periodensystem entwickelten sechs Forscher; nur einer davon blieb im Gedächtnis, – meist die Person, die besonders prägnant und wirkungsvoll zu formulieren weiss. 
8. (Fast) alles wurde schon einmal gedacht. Wir müssen das Rad meist  nicht neu erfinden. Anaximander erahnte die Evolution, Philolaos setzte die Erde in Bewegung, Anaxagoras erkannte, dass Mondlicht reflektiertes Sonnenlicht ist und Berzelius hatte bereits die Faradayschen Gesetzte erkannt und so weiter und so fort.
9. Eines der wichtigsten Konzepte in der Geschichte der Zivilisation, in der Geschichte der Wissenschaft, ist der Drang des Menschen, ein Stück Welt zu nehmen und es zu verändern, zu transformieren. Das beste Beispiel ist die antike Metallurgie, ein praktisches Handwerk, das unseren höchsten Respekt verdient. Durch Versuch und Irrtum erzielten unsere Vorfahren in der Stein- und Bronzezeit spektakuläre Ergebnisse, ohne sich um einen Urstoff zu scheren. Erst kommt das Greifen, dann das Begreifen. 
10. Sprunghafte Erkenntnisgewinne beruhen meist auf theoretischen Konzepten wie das Beispiel des Verwerfens der  Phlogistontheorie zeigt. Einen ähnlichen Einfluss haben neue Instrumente wie die Voltasche Säule, das Spektrometer oder Geräte zur Erzeugung von Röntgenstrahlen.  
11. Dann zum Stein der Weisen. Die Alchemisten münzten Aristoteles`Quinta Essentia in den Stein der Weisen um, mit dem sie unedle Elemente in edlere verwandeln wollten. Zudem erhofften sie sich durch dieses magische Elixier ewige Jugend, Gesundheit und Unsterblichkeit. Natürlich ist der Stein der Weisen in dieser Form ein Mythos. Aber ist die Chemie nicht selbst zum Stein der Weisen geworden? Aus unedlen Rohstoffen macht sie edelste Produkte, man denke nur an die Hochfunktionspolymere der Weltraumforschung oder die in der Medizin Verwendung finden. Und was ist mit keimfreiem Wasser, unseren ganzen Lebensmitteln, den Impfungen, Antibiotika, Schmerzmitteln und anderen Medikamenten? Ich gehe lieber zu meinem Zahnarzt als zu dem von Demokrit. 
12. Die Suche nach der Ordnung der Welt zeigt das Irren und Wirren, das Hin und Her, das permanente Anpassen der Theorien an die neuen, teils revolutionären Erkenntnisse. Dabei bildet man einen Sinn für Vielfalt und Mehrdeutigkeiten aus, was die Ambiguitätstoleranz, die Toleranz für Vielfalt, fördert. Das reine Lehren, dass aus A B folgt, aus B C ist eine Verkürzung der Wirklichkeit und führt dazu, dass man schnell die Wirklichkeit vereindeutigt. Der österreichisch-US-amerikanische Philosoph, Psychotherapeut und Kommunikationswissenschaftler Paul Watzlawick drückte es so aus: Die Fähigkeit mit relativen Wahrheiten zu leben, mit Fragen auf die es keine Antwort gibt, mit dem Wissen, nichts zu wissen und mit den paradoxen Ungewissheiten der Existenz, dürfte das Wesen menschlicher Reife und der daraus folgenden Toleranz für andere sein.    
13. Wir müssen lernen, die Denkfiguren vergangener Zeiten in ihrem zeitlichen Horizont zu sehen. Die Frage, ob alle Materie z. B. aus einem einzigen Urstoff besteht war und ist von atemberaubender Genialität. Auch Irrtümer haben die Wissenschaft vorangebracht, oft mehr als die «richtigen» Vorstellungen. Man denke nur an das Phlogiston, an die vielen vorgeschlagenen Urstoffe, an Theorien, die sich als falsch erwiesen, aber neue Fragen und Experimente hervorgebracht haben. 
14. Die Theorien der Wissenschaften sind in Geiselhaft der empirischen Daten, wie das der deutsche Philosoph Hanno Sauer auf den Punkt brachte. Sie drohen jederzeit durch neue Entdeckungen revidiert oder überholt zu werden. Das Periodensystem der Elemente ist ein hervorragendes Beispiel dafür. Mendelejew ist uns als der Entdecker des PSEs bekannt. Warum? Weil er den Mut hatte, die Lücken im PSE vorauszusagen. Sein System bestätigte sich im Fall der Entdeckung von Gallium, Germanium und Skandium. Die Entdeckung der Edelgase und der radioaktiven Elemente drohte sein System zu sprengen. Aber die Forscher erweiterten das Periodensystem und passten es an die neuen Entdeckungen an.

Ein robustes System
Das Periodensystem der Elemente hat sich als erstaunlich robust erwiesen. Es konnte alles aufnehmen, was das 20. Jahrhundert an neuen Erkenntnissen brachte – und das war viel. 1897 entdeckten Forscher das Elektron, 1917 das Proton, 1932 schliesslich das Neutron. Damit war das Atom nicht länger unteilbar, sondern erwies sich als eine strukturierte Welt, deren innere Gliederung die Forscher im Verlauf des 20. Jahrhunderts zunehmend erkannten und theoretisch beschrieben. Auch diese Ebene erfuhr im weiteren Verlauf durch neue Experimente und Modelle ein weitere Zergliederung. Was für eine verrückte Welt: Teilchen, die gleichzeitig an verschiedenen Orten sein konnten, die sich nicht wie Körper, sondern wie Möglichkeiten verhielten. Diese Entdeckungen stellten die Grundlage des Periodensystems auf die Probe – und bestätigten sie zugleich. Das System blieb bestehen, wurde erweitert, umgeordnet und durch die Erkenntnisse über die Elektronen und das Schalenmodell sogar noch plausibler.
Die Edelgase fügten sich elegant in die neue Ordnung. Schwieriger war es mit den vierzehn Seltenerdmetallen, für die man nach der sechsten Periode eine eigene Reihe schaffen musste. Erst das Verständnis des Aufbaus der Elektronenorbitale machte begreiflich, warum sie eine Sonderstellung einnehmen. Es gab lange Ungereimtheiten: ungerade Atommassen wie das von Chlor mit 35.5; oder Inversionen wie bei Tellur (127.6) und Iod (126), die der logischen Reihenfolge widersprachen. Weitere irritierende Paare waren Argon und Kalium, Cobalt und Nickel, später Thorium und Protactinium. Erst mit der Einführung der Ordnungszahl und dem quantitativen Verständnis des Atomaufbaus liessen sich auch diese Abweichungen konsistent beschreiben und in das Periodensystem einordnen.

Natura saltat!: Die Natur macht Sprünge
Die alte Überzeugung der Naturwissenschaft – natura non facit saltus, «die Natur macht keine Sprünge» – geriet ins Wanken.
In der klassischen Physik, bei Newton, wuchs Energie stetig mit der Masse. In der Biologie beschrieb Darwin die Evolution als sanfte, langsame Veränderung.
Doch dann kam Max Planck im Jahr 1900 und wagte das Undenkbare: Energie wird nicht kontinuierlich, sondern in kleinsten Portionen – Quanten – übertragen. Elektronen können nur springen, nicht fliessen, von einem Energieniveau zum anderen. Natura saltat! Die Natur macht Sprünge! Raum und Zeit bilden seit Einsteins Relativität ein Kontinuum, Materie und Energie sind untrennbar – und doch gequantelt.

Kleine Unterschiede, große Wirkungen
Unsere Helden aus dem 19. Jahrhundert hätten vielleicht ahnen können, wohin die Reise geht. Schon Berzelius sah, wie winzige Änderungen in den Anteilen von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff riesige Unterschiede im Verhalten organischer Stoffe bewirkten.
Mit der genauen Bestimmung der Atomgewichte (korrekter: Atomgewichte) wurden Nachbarschaften und Verwandtschaften sichtbar: Zwischen Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff liegt jeweils nur ein Proton und ein Elektron – und doch unterscheiden sich ihre Eigenschaften dramatisch. Auch innerhalb eines Elements führen kleine Änderungen zu Abgründen: Chrom(III) ist ein lebenswichtiges Spurenelement, Chrom(VI) dagegen hochtoxisch. Der Unterschied? Drei Elektronen – eine Masse, so gering, dass sie kaum zu wiegen ist, aber mit katastrophaler Wirkung. Keine sanften Übergänge, sondern Sprünge, Klüfte, Diskontinuitäten. Oder denken wir an das Fluor, das aggressivste aller Elemente. Es gibt keine Ruhe, bevor es jedem anderen ein Elektron entrissen hat, um sich zur Ruhe zu setzen – in Edelgaskonfiguration. Addiert man zu einem Fluoridion noch ein Proton, so entsteht Neon: träge, vollkommen, unbeteiligt. Zwei Extreme – ein räuberisches Gas und ein friedliches, leuchtendes Edelgas – getrennt nur durch ein Elektron und ein Proton.  Mit dieser Erkenntnis verlassen wir die Welt der anorganischen Ordnung und wenden uns jener des Lebendigen zu: der organischen Chemie.

Die Einzigartigkeit im Gewöhnlichen
Wir haben in diesem Kapitel über die meisten natürlich auf der Erde vorkommenden Elemente gesprochen. Ein äusserst wichtiges und lebendiges Element haben wir dagegen so gut wie nicht erwähnt – höchstens einmal eine seiner Verbindungen nebenbei gestreift. Richtig: der Kohlenstoff!

Kohlenstoff ist das vielseitigste Element von allen und trotzdem macht Kohlenstoff nur einige Hunderstel Prozent der Erdmasse aus. Es gibt weder ein Entdeckungsjahr noch einen Entdecker. Wir bestehen aus seinen Verbindungen, sind von ihnen umgeben und stehen in ständigem Austausch mit ihnen. Gerade diese Omnipräsenz hat  uns diesem Element gegenüber blind gemacht: Was uns ständig umgibt, nehmen wir kaum noch wahr.

Der italienische Schriftsteller und Chemiker Primo Levi (1919–1887) schrieb in Das periodische System:

«... das Wasser ist von alters her auf Grund vielfältiger Notwendigkeit an den Menschen, ja an das Leben gebunden, so dass sich seine Einzigartigkeit unter dem Gewohnten verbirgt.»

Genauso wie beim Wasser ist es mit dem Kohlenstoff und seinen Verbindungen. « ... der Kohlenstoff ist von alters her auf Grund ..., so dass sich seine Einzigartigkeit unter dem Gewohnten verbirgt.»

Es war eine enorme Leistung zu erkennen, dass so unterschiedliche Erscheinungsformen wie Diamant und Graphit aus demselben Element bestehen – aus Kohlenstoff. Und noch heute ist es vielen Menschen nicht bewusst, dass unzählige Stoffe des Alltags, von Zucker und Papier über Kunststoffe, Autokonsolen und Pharmazeutika bis zu Proteinen, alle auf diesem Element Kohlenstoff beruhen. Kohlenstoff ist der Tausendsassa unter den Elementen. 

In folgendem Kapitel widmen wir uns dem Kohlenstoff und der Entwicklung der organischen Chemie. Diese Geschichte verläuft parallel zur Entdeckung und Etablierung des Periodensystems. Auch für die organische Chemie war die Konferenz von Karlsruhe ein Wendepunkt. Anhand weniger, aber prägnanter Bilder, zeigen wir im nächsten Kapitel, wie sich im 19. Jahrhundert die organische Chemie als neuer eigenständiger Zweig der Chemie entwickelt hat – und welchen gewaltigen Einfluss sie auf die Vorstellungen von Atomen, Bindungen und Strukturen in der gesamten Chemie ausgeübt hat.   

Mit Begriffen wie Isomerie (1830), Polymerie (1833), Katalyse (1835) und Protein (1838, via Mulder) sowie mit einem einheitlichen System chemischer Elementsymbole machte Berzelius die Erscheinungen der Chemie benenn-, beschreib- und vergleichbar. Berzelius machte auch den Begriff «Radikal» mit seiner Theorie der «Verbindungsradikale» gross, –  einen Begriff, den der Chemiker Auguste Laurent (1807–1853) im Rahmen der entstehenden Strukturchemie neu dachte. Mehr dazu auf den Seiten: Kerntheorie, Radikaltheorie, Typentheorie.

Diese sprachliche und phänomenologische Basisarbeit schuf die Bühne für Wöhlers Brücke (Synthese), Liebigs Quantifizierung (Apparatur), das dadurch freigelegte Phänomen der Isomerie und Kekulés Grammatik der Struktur.

Von Berzelius stammen vier Schlüsselbegriffe für diesen neuen Teilbereich der Chemie:

• organische Chemie (um 1806/07) , 
• Isomerie (1830), 
• Polymer (1833),
• Protein (1838).

Der erste Begriff bezeichnet einen Teilbereich der Chemie (Disziplin, Überbau), der zweite ein grundlegendes Phänomen (gleiche Zusammen-setzung, unterschiedliche Verknüpfung), der dritte und vierte beschreiben Substanzklassen – Makromoleküle und die Materie des Lebens. Schon daran zeigt sich Berzelius’ Blick für Ordnung und Vielfalt. Früh erkannte er, woraus die organische Welt im Wesentlichen gebaut ist: aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Ebenso ahnte er die Vielfalt, die diese wenigen Bausteine erschliessen. Bereits 1811 notierte er, dass das Gesetz der multiplen Proportionen auch für organische Verbindungen gilt  – jene arithmetische Ordnung, nach der Elemente sich in einfachen ganzzahligen Verhältnissen zu immer neuen Stoffen verbinden. Und doch blieben die Bindungsverhältnisse selbst im Dunkeln. Berzelius formulierte es nüchtern und prophetisch:

«Die Ursachen, weshalb wenige Elemente den Grundstoff für organische Körper abgeben können, andere hingegen schlechterdings nicht, sind uns unbekannt und werden es vielleicht für immer bleiben.»

So schrieb Friedrich Wöhler am 22. Februar 1828 an seinen Lehrer Jöns Jacob Berzelius.

Nicht die erste organische Synthese
Es war jedoch nicht, wie häufig zu lesen, das erste Mal, dass aus rein anorganischen Vorstufen ausserhalb des Tierkörpers eine organische Verbindung entstand. Schon 1824/25 gelang Wöhler die Synthese von Oxalsäure aus Dicyan(Cyanogen) – einer einfachen, in Pflanzen verbreiteten organischen Säure (C₂H₂O₄, HOOC–COOH) – also ebenfalls eine organische Substanz, hergestellt aus nicht-biologischen Ausgangsstoffen.

Warum die Harnstoff-Story ikonisch wurde
Die Harnstoff-Story setzte sich durch, ist im kollektiven Gedächtnis verblieben. Diesem Prinzip der Vereinfachung in der Geschichte sind wir bereits begegnet. Bei Mendelejew, dem Entdecker des Periodensystems (siehe Epilog im letzten Kapitel). Warum also die Dominanz der Harnstoffsynthese?

• Symbolkraft (mit historischem Echo): Harnstoff galt als Paradefall «organischer» Materie. Seit Hennig Brand im 17. Jahrhundert Phosphor aus Urin isolierte (vgl. Kapitel 1), haftete dem Stoff eine besondere Nähe zum Lebendigen an. Ihn aus Ammoniumcyanat zu gewinnen, war daher ein idealer Beleg für «ohne Lebewesen herstellbar» – und wurde als Affront gegen den Vitalismus verstanden.
• Einfache Dramaturgie: ein klarer Labortrick, ein prägnanter Brief, ein Datum und eine Substanz – lehrbuchtauglich und merkfähig. Ein idealer Gründungsmythos. 
• Replizierbarkeit: Das Erhitzen von Ammoniumcyanat zu Harnstoff ist experimentell schlicht und zeigte zugleich die Idee der Isomerie (Cyanat, NH₄⁺(OCN)⁻ ↔ Harnstoff, NH₂–CO–NH₂). 
• Vergleich mit Oxalsäure: Oxalsäure war symbolisch «blasser» – pflanzlich verbreitet, zugleich inorganisch konnotiert; ihr erzählerischer Sog war schwächer.

Vitalismus: eine schleichende Ablösung
Auch kommt die Harnstoffsynthese nicht, wie häufig dargestellt, der Widerlegung des Vitalismus – der Glaube, dass es zur Herstellung von organischen Verbindungen einer besonderen Lebenskraft, vis vitalis bedürfe – gleich. Dieser war als philosophische Anschauung viel umfassender. Für die Chemie verlor der Vitalismus mit zunehmenden Synthesen von organischen Verbindungen an Bedeutung. Wichtig für die Chemie war der Nachweis der Möglichkeit, organische Substanzen aus anorganischen synthetisieren zu können. Das war die Brücke zwischen den beiden Teilbereichen.

Der weite Horizont (Wöhler & Liebig, 1838)
Eindrucksvoll formulierten Wöhler und Liebig diese Perspektive in der Einleitung ihrer gemeinsamen Arbeit Untersuchungen über die Natur der Harnsäure (1838):

«Die Philosophie der Chemie wird aus dieser Arbeit den Schluss ziehen, dass die Erzeugung aller organischen Materien, in so weit sie nicht mehr dem Organismus angehören, in unsern Laboratorien nicht allein wahrscheinlich, sondern als gewiss betrachtet werden muss. Zucker, Salicin, Morphin werden künstlich hervorgebracht werden. Wir kennen freilich die Wege noch nicht, auf dem dieses Endresultat zu erreichen ist, weil uns die Vorderglieder unbekannt sind, aus denen diese Materien sich entwickeln, allein wir werden sie kennen lernen.»   

Vorausschauend und zutreffend! Die beiden sehen bereits die Industrielle Revolution am Horizont aufblitzen. Innerhalb weniger Jahrzehnte entwickelte sich die organische Chemie zur Leitwissenschaft des ausgehenden 19. Jahrhunderts. Sie wurde zur treibenden Kraft der Farbstoffindustrie, der pharmazeutischen Synthese und zur Schlüsseltechnologie für Kunststoffe, Farbstoffe, Explosivstoffe und Lösungsmittel. Darüber hinaus ging aus ihr eine weitere eigenständige Wissenschaft hervor: die Biochemie. Auf der nächsten Seite geht’s weiter zum dritten Bild: Zu Liebigs Sesam-öffne-dich der organischen Chemie.

Um Liebigs Verbrennungsapparatur im Hintergrund besser studieren zu können, kannst du den Text durch Anklicken der dritten Kachel, oben rechts aus- und einblenden. 

Die Zeichnung im Hintergrund zeigt links den Verbrennungsofen und rechts Liebigs Fünf-Kugelapparat – ein kompliziert aussehendes Laborgerät. Es ziert eine Sonderbriefmarke, die in  Deutschland zum 200. Geburtstag ihres Entwicklers Justus von Liebig verkauft wurde.

Liebig bezeichnete seine Apparatur als «Sesam-öffne-dich der organischen Chemie». Warum? Weil sie Licht in eine verwirrende Tatsache brachte: eine schier unendliche Zahl sehr unterschiedlicher organischer Stoffe besteht aus sehr wenigen Elementen. Wie ist das zu erklären? Die Elemente mussten in unterschiedlichen Mengen vorhanden sein. Um diese zu bestimmen, benötigten die Forscher eine verlässliche und leicht durchzuführende Elementaranalyse.

Kurz gefasst: Ohne verlässliche Elementaranalyse keine Formeln, ohne Formeln kein Phänomen der Isomerie. Ohne Isomerie keine Strukturformeln.

Aber erst einmal zum Entwickler selbst.

Wer war dieser Liebig?
Der deutsche Chemiker Justus von Liebig (1803–1873) gilt als einer der grössten Chemiker des 19. Jahrhunderts. Er war mit Wöhler eng und mit Berzelius zeitweise befreundet, und viele seiner Schüler wurden selbst zu bedeutenden Chemikern und Lehrern. Über seine Schüler und Enkelschüler lassen sich zahlreiche Nobelpreisträger genealogisch auf Liebigs Schule zurückführen.

Fünf-Kugelapparat von Liebig
Der Fünf-Kugelapparat – Liebig nannte ihn zunächst schlicht Kali-Apparat – ist ein kleines, aus feinem Glas geblasenes Rohr mit fünf hintereinander geschalteten Kugeln. Diese Kugeln sind mit konzentrierter Kalilauge (KOH-Lösung) gefüllt.

Bei einer Elementaranalyse wird eine kleine Menge der organischen Substanz in einem Verbrennungsrohr vollständig in einem Strom von Sauerstoff verbrannt. Dabei entstehen vor allem Kohlendioxid (CO₂) und Wasserdampf. Das entstehende Gasgemisch wird zunächst getrocknet (das Wasser wird in einem vorgelagerten Calciumchloridrohr – A – festgehalten) und dann durch Liebigs Fünf-Kugelapparat – B – geleitet. Die besondere Form des Fünf-Kugelapparats sorgt dafür, dass das Verbrennungsgas und damit das Kohlendioxid möglichst lange und intensiv mit der Kalilauge in Berührung kommt, sodass das gesamte Kohlendioxid gebunden werden kann. :

2 KOH + CO₂ → K₂CO₃ + H₂O

Liebigs geniale Idee: Der ganze Apparat ist so leicht und kompakt, dass man ihn vor und nach der Verbrennung einfach auf der Analysenwaage wiegen kann. Aus der Massenzunahme des Fünf-Kugelapparats weiss man genau, wie viel CO₂ gebildet und damit wie viel Kohlenstoff in der Probe enthalten war. Zusammen mit dem getrennt bestimmten Wasser (→ Wasserstoffgehalt) lässt sich so die Summenformel der organischen Verbindung berechnen. War Sauerstoff in der verbrannten Verbindung enthalten, so konnte man diesen über die Differenz bestimmen: Es ist die Masse, die übrig bleibt, wenn wir von der Probenmasse die berechneten C- und H-Anteile abziehen. Hier ein Video, das die detaillierte Berechnung erklärt.   

Stickstoffbestimmung: Dumas und Kjeldahl
Für den Stickstoffgehalt entwickelten die Forscher separate Methoden.

Bei der Dumas-Analyse wird die Substanz verbrannt, der entstehende Stickstoff als Gas aufgefangen und vermessen. So liess sich der Stickstoffanteil aus dem Gasvolumen berechnen. 

Später kam mit der Kjeldahl-Methode eine neue Standardtechnik hinzu: Stickstoff wird in Ammonium überführt, als Ammoniak freigesetzt und titrimetrisch bestimmt – eine Nachfahrin der klassischen Verbrennungsanalysen.   

Mit dem Fünf-Kugelapparat machte Liebig die Elementaranalyse organischer Verbindungen schneller, genauer und erstmals systematisch wiederholbar. Was zuvor mühsame Einzelversuche waren, wurde nun zu einer verlässlichen Methode. Liebigs «Sesam-öffne-dich» öffnete die Tür zu Tausenden neuer Analysen. 

Erst auf dieser Grundlage konnten genügend verlässliche Daten gesammelt werden, um empirische Formeln zu bestimmen, Isomerie zu erkennen und schliesslich überhaupt über Strukturformeln zu diskutieren. 

Historisch befinden wir uns damit im 19. Jahrhundert. Die Elementaranalyse ist nun ein präzises Routinewerkzeug der organischen Chemie. Die zugrunde liegende Idee jedoch – organische Stoffe durch Verbrennung in ihre Elemente zu zerlegen – war bereits zuvor von anderen Forschern entwickelt worden, denen wir in diesem BLJ schon begegnet sind. Hier mehr dazu.

Vom genialen Werkzeug in die nächste Krise 
Liebig standardisierte die Elementaranalyse. Er fasste die bereits von seinen Vorgängern entwickelte Verbrennungsmethode in einer modifizierten Apparatur zusammen, welche die entstehenden Verbrennungsgase effizient auffing. Besonders hervorzuheben ist das auf fünf Glaskolben verteilte Kalilauge(KOH)-System zur Bindung des Kohlendioxids. Liebigs Apparatur machte die Elementaranalyse schneller, reproduzierbarer, einfacher zu bedienen und labortauglich.    

Doch mit diesem Erfolg traten neue Probleme auf. Die Apparaturen lieferten nun zuverlässig Summenformeln unbekannter Verbindungen – und gerade dadurch wurde etwas sichtbar, das sich mit Summenformeln allein nicht erklären liess: unterschiedliche Stoffe mit identischer Elementzusammensetzung, aber völlig verschiedenen Eigenschaften. Essigsäure und ihre Derivate, Alkohole und Ether, ja ganze Stoffgruppen teilten sich dieselben Summenformeln und verhielten sich dennoch grundlegend unterschiedlich.

Die Elementaranalyse hatte also nicht nur Ordnung geschaffen, sondern zugleich eine Krise der Summenformeln ausgelöst. Wie können Stoffe mit gleicher Zusammensetzung so verschiedene Eigenschaften besitzen? Bei dieser Frage setzt unser nächstes Bild an: bei der Isomerie, die die Chemiker zwang, über Zusammensetzung hinauszugehen und eine Strukturlehre zu entwickeln. Aber zuerst noch ein Blick auf die vorherrschenden Theorien in dieser Zeit.  

 

Bevor in der Mitte des 19. Jahrhunderts Kekulé und seine Zeitgenossen Strukturformeln einführten, fehlte der organischen Chemie ein zentrales Ordnungsprinzip: die explizite Vorstellung darüber, wie Atome innerhalb eines Moleküls verknüpft sind. Die Chemiker versuchten mit unterschiedlichen theoretischen Modellen, Ordnung in die wachsende Zahl organischer Verbindungen zu bringen. Drei Theorien spielten dabei eine zentrale Rolle:

Ordnung durch Bausteine: Kerntheorie und Radikaltheorie
In der Denktradition von Berzelius dachten sich die Chemiker Verbindungen als Zusammensetzung aus einem elektropositiven und einem elektronegativen Teil – einem «Kern» und einem oder mehreren «Radikalen». Diese Radikale galten als beständige Atomgruppen, die in verschiedenen Verbindungen wiederkehren und von einer Substanz zur nächsten «wandern» konnten. 

Dieses Denken – häufig unter dem Sammelbegriff Radikaltheorie geführt – hatte einen wichtigen heuristischen (erfahrungsbasierten) Wert: Es machte Regelmässigkeiten sichtbar und erlaubte es, Stoffklassen anhand gemeinsamer Bausteine zu ordnen. Das Modell blieb jedoch unscharf. Es erklärte noch nicht, wie die Atome innerhalb eines Moleküls angeordnet sind, sondern lediglich, dass bestimmte Gruppen gemeinsam auftreten.

Substitution als Krise der Kerntheorie: Dumas und Laurent 
Eine entscheidende Herausforderung für diese Vorstellungen ergab sich aus den Substitutionsreaktionen, die Jean-Baptiste Dumas systematisch untersuchte. Er zeigte, dass sich in organischen Verbindungen Wasserstoffatome schrittweise durch Chlor ersetzt lassen, ohne dass die Substanz ihre grundlegenden chemischen Eigenschaften verliert – etwa beim Übergang von Essigsäure zu Chloressigsäure.

Diese Beobachtung widersprach der bis dahin verbreiteten Annahme, nur chemisch «ähnliche» Elemente könnten einander ersetzen. Wenn Wasserstoff durch Chlor ausgetauscht werden konnte, ohne die Identität der Verbindung aufzuheben, musste diese Identität anders begründet sein als durch die blosse Anwesenheit bestimmter Elemente. 

Hier setze der französische Chemiker Auguste Laurent (1807–1853) an. Er hielt zunächst am Gedanken eines molekularen Kerns fest, interpretierte ihn jedoch neu: Nicht die konkrete Zusammensetzung aus bestimmten Atomen, sondern eine abstraktere Anordnung oder Grundform sollte den Kern einer Verbindung ausmachen. Substitution bedeutete für Laurent keinen Zusammenbruch der Kerntheorie, sondern ihre Reformulierung. Die chemische Identität eines Stoffes wurde damit erstmals von der exakten Atomart gelöst.

Ordnung durch Form: die Typentheorie
Aus dieser Neubewertung entwickelte sich in den 1840er-Jahren ein grundlegend anderes Ordnungsprinzip, das vor allem mit dem französischen Chemiker Charles Frédéric Gerhardt (1816–1856) verbunden ist: die Typentheorie. Gerhardt ordnete organische Verbindungen nicht mehr nach Kernen oder Radikalen, sondern nach einfachen formalen Typen wie Wasserstoff (H₂), Wasser (H₂O), Ammoniak (NH₃) oder Methan (CH₄). Komplexere Moleküle galten als Abwandlungen dieser Grundformen, bei denen einzelne Atome oder Gruppen durch Äquivalente ersetzt werden konnten.

Die Typentheorie verzichtete bewusst auf spekulative Aussagen über die räumliche Anordnung der Atome. Ihr Ziel war eine formale Klassifikation: Stoffe sollten danach geordnet werden, welchem Grundtyp sie in ihren Reaktionen und Umsetzungen entsprachen. Damit verschob sich der Fokus von der Frage nach dem «Stoffkern» hin zu der Einsicht, dass sich ganze Stoffklassen aus wenigen allgemeinen Formmustern ableiten lassen. 

Übergang zur Strukturchemie
Kerntheorie, Substitutionstheorie und Typentheorie waren keine konkurrierenden Systeme im modernen Sinn, sondern aufeinanderfolgende Versuche, Ordnung in eine unübersichtliche Stoffwelt zu bringen. Jede dieser Konzeptionen löste bestimmte Probleme, liess andere jedoch offen.

Erst mit der Einführung expliziter Strukturformeln – etwa durch Kekulé – wurde die Frage nach der inneren Verknüpfung der Atome selbst zum zentralen Gegenstand der Theorie. Der deutsche Chemiker Hermann Kolbe (1818–1884) zeigte mit der Synthese von Essigsäure aus anorganischen Ausgangsstoffen, dass sich selbst «klassisch organische» Verbindungen aus einfachen anorganischen Bausteinen aufbauen lassen. Damit rückte die Frage nach einer inneren Ordnung der Atome im Molekül noch stärker in den Fokus.

Der Wiener Chemiker Friedrich Rochleder (1819–1874) vermutete bereits 1853/1854 im Rahmen seiner Untersuchungen pflanzlicher Inhaltsstoffe einen vierbindigen Kohlenstoff. Der schottische Philosoph, Altphilologe und Chemiker Archibald Scott Couper (1831–1892) skizzierte Formeln, in denen Atome, auch Kohlenstoff untereinander, durch Striche verbunden waren – ein Schritt hin zu dem, was wir heute als Strukturformeln kennen. Coupers grossartige Idee fand keine Anerkennung, Kekulé kam ihm beim Publizieren zuvor. Ein schwerer Schlag für Couper, von dem er sich nicht mehr erholte. Hier mehr zu Couper.






 

Die Krise der Summenformeln lässt sich an einem scheinbar simplen Beispiel besonders gut zeigen: der Essigsäure. 

Mehr als ein Dutzend Strukturvorschläge für Essigsäure 
Viele Gesichter für ein Molekül. Selbst die scheinbar simple Essigsäure trug über zwei Dutzend Strukturvorschläge mit sich herum. Unterschiedliche Denkmodelle (Radikal- vs. Typentheorie) beschrieben dasselbe Befundmuster anders. Analoge Eigenschaften (z. B. Bildung von Salzen, Estern, Chlorid/Anhydrid) liessen mehrere plausible Anordnungen zu. Uneinheitliche Äquivalent-/Valenz-vorstellungen erzeugten «Bruchteile» von Bindungen. Wöhlers Tropenwald. Ein gelöstes Problem erzeugte zwei neue.  

Warum C₂H₆O doppelt ist
Eigenschaften einer Verbindung hängen nicht nur an der Summenformel. Das haben wir jetzt schon oft gehört. Die Anordnung der Atome entscheidet mit – wie beim Duo Ethylalkohol und Dimethylether (beide C₂H₆O). Gleich viel, nur anders gebaut.

Kekulés Regelwerk
Friedrich August Kekulé (1829–1896), Schüler von Liebig, ebenfalls in Darmstadt geboren und Mitorganisator der Karlsruher Chemikerkonferenz (1860), formulierte eine elegant einfache Strukturlehre:

• Kohlenstoff ist vierwertig.
• H, O, N haben in der organischen die gleichen Valenzen wie in der anorganischen Chemie.
• C–C-Bindungen sind möglich; Kohlenstoff verknüpft sich zu Ketten – auch verzweigt.

Kurz gesagt: Für die organische gelten dieselben Gesetzmäßigkeiten wie für die anorganische Chemie. Damit verschwand das alte Rätsel um «Bruchteile» von Bindungen: C–C-Verknüpfungen machen ganzzahlige Valenzen plausibel.

C₂H₆O: Alkohol oder Ether?
Für die Summenformel C₂H₆O sind zwei Konstitutionen denkbar, Ethylalkohol (CH₃–CH₂–OH) oder Ether (CH₃–O–CH₃ ​). Kekulé ordnete diesen Strukturen Reaktionsmuster zu.

Die Probe aufs Exempel: der Natriumtest
Unterschiedliche Struktur sollte unterschiedliches Verhalten bedingen. Im Ethanol (CH₃–CH₂–OH) gibt es ungleiche Wasserstofftypen; im Dimethylether (CH₃–O–CH₃) sind die sechs H-Atome äquivalent. Kekulé ordnete passende Reaktionsmuster zu – und ließ testen:

• Ethanol + Natrium → Wasserstoff entsteht (wie bei Wasser, nur milder).
• Dimethylether + Natrium → praktisch inert (deshalb lassen sich Erdalkalimetalle in Ether lösen/lagern).

Ordnung im Urwald
Mithilfe von Kekulé (und Couper) verstehen wir Wöhlers Urwald. Weil Doppel- und Dreifachbindungen zwischen C-Atomen möglich sind, weil Stickstoff-, Sauerstoff- oder Schwefelatome leicht in die Atomketten eingebaut werden können, wächst die Zahl der möglichen Kohlenstoffverbindungen fast ins Unendliche. Kein anderes Element hat diese Fähigkeiten. 

Kekulés Strukturlehre ist genial, weil sie mit wenigen Regeln und überschaubarem Laboraufwand die geometrische Anordnung im Molekül sichtbar macht – und erklärt, warum gleichen Formeln verschiedene Stoffe zugrunde liegen.

Auf der vorangegangenen Seite haben wir gesehen, wie leicht Stickstoff-, Sauerstoff- oder Schwefelatome (Heteroatome) in Kohlenstoffgerüste eingebaut werden können und wie flexibel Kohlenstoff  Doppel- und Dreifachbindungen ausbildet. Solche Strukturelemente – Heteroatome, Mehrfachbindungen –, nennen wir in der organischen Chemie Funktionsgruppen bzw. funktionelle Gruppen. Die einfachsten Kohlenwasserstoffe, die Alkane, besitzen keine funktionellen Gruppen. Ihr Merkmal ist die Abwesenheit einer Funktionsgruppe.   

Die homologe Reihe der Alkane,
Die gesättigten Alkane sind die grundlegendste Klasse der Kohlenwasserstoffe:

• Methan: CH₄
• Ethan: C₂H₆
• Propan: C₃H₈
• Butan: C₄H₁₀
• Pentan: C₅H₁₂

Die allgemeine Formel lautet: CₙH₂ₙ₊₂. Gesättigt besagt so viel wie keine Mehrfachbindungen. Das geht einher mit maximaler Zahl von Wasserstoffatomen. Bereits beim Propan treten Isomere auf. Wisst ihr wie viele? Ihr braucht nur die drei Kekulé-Regeln zu beachten. 

Alkene (C=C-Doppelbindung)
Alkene gehören zu den ungesättigten Kohlenwasserstoffen. Das heisst so viel, wie dass sie eine Doppelbindung besitzen. Doppelbindungen sind Regionen erhöhter Elektronendichte und wirken selbst als funktionelle Gruppe. Die einfachsten Vertreter sind:

• Ethen: C₂H₄
• Propen: C₃H₆
• Buten: C₄H₈
• Penten: C₅H₁₀

Die allgemeine Formel lautet: CₙH₂ₙ. Ab Buten kann die Position der Doppelbindung variieren: 1-Buten oder 2-Buten. Letzteres liegt als cis-/trans- bzw. Z-/E-Isomere vor. Ein viertes Isomer ist Isobuten (2-Methyl-1-propen). 

Diene 
Buten kann eine zusätzliche Doppelbindung tragen: 1,3-Butadien (CH₂=CH–CH=CH₂) mit konjugierten Doppelbindungen. Diese π-Systeme sind besonders reaktiv und neigen in Gegenwart von Radikalen zur Polymerisation.

Aromaten
Ein Sonderfall ist ein Ring mit drei konjugierten Doppelbindungen, das hypothetische Cyclohexatrien C₆H₆ – die klassische Kekulé-Struktur des Benzols. Tatsächlich besitzt Benzol ein delokalisiertes π-Elektronensystem und ist deutlich stabiler als ein Cyclohexatrien. Mehr dazu hier.

Alkine (C≡C-Dreifachbindung)
Alkine haben eine Dreifachbindung. drei Bindungen. Die allgemeine Formel ist: CₙHₙ. Der einfachste Vertreter ist das Acetylen HC≡CH.  Der französische Chemiker und Politiker Marcellin Berthelot (1827–1907) identifizierte es 1862 im Kontext der aufkommenden Strukturtheorie als eigenständige Verbindung. 

Kohlenwasserstoffe mit Heteroatomen
Im Folgenden betrachten wir exemplarisch Kohlenwasserstoffverbindungen mit einem bzw. mehreren Sauerstoff-Heteroatomen. Alkohole, Carbonylverbindungen (Aldehyde/Ketone) sowie Carbonsäuren. 

Alkohole (R-OH)
Es gibt ganze Alkoholfamilien: 

• Methanol,
• Ethanol,
• zwei Propanole (n-Propanol mit einer langen Kette und iso-Propanol mit verzweigter Kette),
• vier Butanole,
• acht Pentanole usw.

Mit wachsendem Alkylrest R (steht immer für Alkylreste wie CH₃–, C₂H₅–, ... ändern sich die physikalischen Eigenschaften. So ist n-Dodekanol der erste Alkohol, der bei Raumtemperatur fest ist.
Typische Reaktionen der Alkohole.

• Reaktion mit Natrium
• Dehydratisierung zu Alkenen (unter Wasserabspaltung)
• Veresterung mit Säuren (siehe Kapitel 6)

Die Namensgebung folgt derjenigen der Alkane: Methan → Methanol, Propan → Propanol usw.

Carbonylverbindungen: Aldehyde und Ketone
Charakteristisch für sie ist die Carbonylgruppe, eine funktionelle Gruppe mit einer C=O-Doppelbindung, die aufgrund ihrer Polarität für viele typische Reaktionen verantwortlich ist. Die Carbonylgruppe besitzt eine partielle positive Ladung am Kohlenstoff und eine partielle negative Ladung am Sauerstoff – ein Grund dafür, dass Carbonylverbindungen so reaktiv sind.

Aldehyde besitzen eine Carbonylgruppe am Kettenende. Ihre allgemeine Struktur lautet R–CHO.
Sie entstehen häufig durch partielle Oxidation primärer Alkohole. Beispiele sind:

• Methanal (Formaldehyd): H–CHO
• Ethanal (Acetaldehyd): CH₃–CHO
• Propanal: CH₃–CH₂–CHO
• Butanal: CH₃–CH₂–CH₂–CHO

Aldehyde sind sehr reaktiv, da der Carbonylkohlenstoff besonders gut von Nukleophilen angegriffen werden kann. Gleichzeitig können sie leicht weiter zu Carbonsäuren oxidiert werden. Ethanal wird beispielsweise zu Essigsäure oxidiert. Viele Aldehyde besitzen markante Gerüche; Vanillin und Zimtaldehyd sind bekannte Vertreter aus der Natur.

Ketone unterscheiden sich von Aldehyden dadurch, dass die Carbonylgruppe innerhalb der Kohlenstoffkette liegt. Die allgemeine Struktur lautet R–CO–R'.
Ketone entstehen typischerweise durch Oxidation sekundärer Alkohole. Die einfachsten Vertreter sind:

• Propanon
• (Aceton): CH₃–CO–CH₃
• Butanon: CH₃–CO–CH₂–CH₃

Im Gegensatz zu Aldehyden lassen sich Ketone nicht ohne Weiteres zu Carbonsäuren oxidieren, da ihnen ein Wasserstoffatom am Carbonylkohlenstoff fehlt. Sie sind jedoch gegenüber Nukleophilen ebenfalls reaktiv und bilden u. a. Halbacetale, Acetale und Imine. Gemeinsame Merkmale und Reaktivität Die Carbonylgruppe verleiht Aldehyden und Ketonen ein ähnliches Reaktionsverhalten:

• Nukleophiler Angriff am Carbonylkohlenstoff 
• Bildung von Additions- und Additions-Eliminierungsprodukten
• Reaktionen mit Alkoholen (Halbacetale, Acetale)
• Reaktionen mit Aminen (Schiff-Basen, also Imine)

Aldehyde sind im Allgemeinen reaktiver als Ketone, weil ihre Carbonylgruppe weniger sterisch abgeschirmt ist und stärker positiv polarisiert. Zusammenhang mit Alkoholen und Carbonsäuren Das strukturelle Verhältnis lässt sich gut zusammenfassen:

• Primärer Alkohol → Aldehyd → Carbonsäure (durch Oxidation)
• Sekundärer Alkohol → Keton (durch Oxidation)
• Ketone lassen sich nicht weiter zu Carbonsäuren oxidieren.

Carbonsäuren  (–COOH)
Carbonsäuren besitzen am gleichen Kohlenstoffatom eine Carbonylgruppe und eine Hydroxygruppe. Oxidieren wir einen Alkohol, entsteht zuerst der Aldehd/Keton, dann die entsprechende Carbonsäure:

• der einfachste Vertreter ist die Ameisensäure (H–COOH),
• gefolgt von Essigsäure (CH₃–COOH), 
• Propionsäure (CH₃–CH₂–COOH) und 
• Butansäure (CH₃–CH₂–CH₂–COOH), auch unter dem Namen Buttersäure bekannt.

Viele Verbindungen besitzen sowohl IUPAC-Namen als auch historische Trivialnamen. Die  IUPAC steht für International Union of Pure and Applied Chemistry. Sie ist die weltweit massgebliche Autorität für chemische Nomenklatur und Terminologie, der Benennung neuer Elemente im Periodensystem, für standardisierte Messmethoden sowie für Atomgewichte und für digitale Standards in der Chemie Seit ihrer Gründung im Jahr 1919 schafft die IUPAC seit mehr als einem Jahrhundert die gemeinsame Sprache der Chemie.

Fazit und Ausblick
Funktionelle Gruppen sind Wegweiser im Dickicht der Chemie, wie dies Dieter Neubauer in seiner anderen Einführung in die Organische Chemie Kekulés Träume erklärt. Hier eine Zusammenfassung der wichtigsten Funktionsgruppen: 

Kohlenwasserstoffe
Alkane, Alkene, Alkine, Aromaten

O‑haltige Verbindungen
Alkohole, Ether, Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, Ester, Anhydride

N‑haltige Verbindungen 
Amine, Amide, Nitroverbindungen, Nitrile

S‑haltige & halogenhaltige Verbindungen
Thiole, Sulfide, Acylhalogenide, Alkylhalogenide

Mehrere Funktionsgruppen und Zyklisierung
Funktionelle Gruppen lassen sich nahezu beliebig kombinieren. Dadurch entsteht die grosse strukturelle Vielfalt der organischen Chemie; bekannte Beispiele komplexer Moleküle, die mehrere funktionelle Gruppen vereinen,  sind Zucker und Aminosäuren. 

Zwei funktionelle Gruppen innerhalb eines Moleküls können intramolekular miteinander reagieren und so einen Ringschluss bewirken. Besonders begünstigt sind dabei Fünf- und Sechsringe, da sie nur geringe Ringspannung aufweisen. Ein klassisches Beispiel ist die Cyclisierung von Glucose: Die Aldehydgruppe reagiert intramolekular mit einer Hydroxylgruppe unter Bildung eines fünf- oder sechsgliedrigen Halbacetals. Solche Reaktionen verdeutlichen, wie funktionelle Gruppen die räumliche Struktur organischer Moleküle bestimmen.

Die Funktionsgruppen geben Orientierung, sind eine Art Wegweiser. Doppel- oder Dreifachbindungen sind Häufungen von negativer Ladung, genauso wie Heteroatome am oder im C-C-Gerüst eine Polarisierung der Bindung zum Kohlenstoffatom bedingt. All dies bestimmt die Art und Weise wie Moleküle reagieren. Darum geht es im nächsten Kapitel.

Unterschied zu anorganischen Reaktionen
In der anorganischen Chemie klassifizieren wir Reaktionen primär danach, welche Teilchen zwischen den Edukten ausgetauscht werden: 

• Protonen (H⁺) bei Säure-Base-Reaktionen, 
• Elektronen bei Redoxreaktionen 
• Bei Fällungs- und Komplexreaktionen werden Ionen oder ganze Moleküle neu angeordnet bzw. gebunden. 

Diese Einteilung gilt insbesondere für wässrige Systeme, Salze, Metalle und einfache Moleküle, bei denen Reaktionen oft vollständig, schnell und stöchiometrisch verlaufen. Säure-Base-Reaktionen und Redoxreaktionen sind im BLJ zur Titration (die ersten beiden Exkurse rechts oben) beschrieben. Auf der nächsten Seite befassen wir uns mit der Oxidation von funktionellen Gruppen, speziell die der Alkohole und Amine.

Bevor wir uns weiter mit den organischen Reaktionen beschäftigen, noch zum «Elektronenhunger» der Atome. 

Elektronegativität
Sie beschreibt die Fähigkeit eines Atoms, Bindungselektronen in einer kovalenten Bindung an sich zu ziehen. Sie ist eine relative Grösse und entfaltet ihre Bedeutung immer im Vergleich zweier gebundener Atome. Die Elektronegativität hängt vom Atomradius ab, nimmt innerhalb einer Periode zu und innerhalb einer Gruppe ab. Fluor besitzt von allen Elementen die höchste Elektronegativität. Dazu hier ein gutes Video von Mae aus der ZDF-Serie musstewissen. Auf der Trendseite des grossartigen PSEs der Royal Society of Chemistry könnt ihr die Trends von «Dichte» auf «Elektronegativität» umstellen.

Unterschiede in der Elektronegativität führen zu polaren Bindungen:

• das elektronegativere Atom trägt eine partielle negative Ladung (δ⁻),
• das weniger elektronegative eine partielle positive Ladung (δ⁺).

Dadurch entstehen:

• elektrophile Zentren (elektronenarm, angreifbar)
• nucleophile Zentren (elektronenreich, angreifend)

Die Elektronegativität bestimmt,

• welche Bindungen leicht gespalten werden (z. B. C-Cl),
• wo Angriffe stattfinden (z. B. am Carbonyl-C-Atom) und
• wie stabil Zwischenprodukte und Übergangszustände sind (durch delokalisieren oder konzentrieren von Ladung).

Die Elektronegativität ist der Ursprung von Polarität in den Bindungen und Polarität ist die treibende Kraft organischer Reaktivität. Der Elektronegativitätsunterschied zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff ist minimal; genau deshalb sind C-H-Bindungen so stabil.

Damit sind wir bei kovalenten Bindungen: In der organischen Chemie geht es vor allem um Atombindungen.

Die organische Chemie befasst sich mit dem Umbau kovalenter Atombindungen. 

Drei grundlegende Fragen und Redoxprozesse
Bei jeder organischen Reaktion interessieren uns drei grundlegende Fragen:

• Welche Bindungen werden gelöst?
• Welche neuen Bindungen entstehen?
• Wie verändert sich dabei das Kohlenstoffgerüst?

Auch in der organischen Chemie spielen Elektronenverschiebungen und damit Redoxprozesse eine zentrale Rolle. Diese können sowohl an funktionellen Gruppen oder auch direkt an den Kohlenstoffatomen stattfinden.  Als erstes besonders anschauliches Beispiel betrachten wir Oxidationen an Funktionsgruppen – noch ohne komplexe Reaktionsmechanismen oder Veränderungen innerhalb des C-C-Gerüsts. Die Stöchiometrie lassen wir aussen vor. Es geht rein um die Veränderung der Funktionsgruppen. 

Oxidation von OH-Gruppen
Primäre Alkohole lassen sich zu Aldehyden und weiter zu Carbonsäuren oxidieren:

R–CH₂–OH → R–CHO → R–COOH

Sekundäre Alkohole werden zum Keton oxidiert:

R−CHOH−R′ ⟶ R−CO−R′

Bei der Oxidation sekundärer Alkohole zu Ketonen steigt die formale Oxidationszahl des funktionellen Kohlenstoffatoms von 0 auf +2. Dies entspricht dem Verlust einer C–H-Bindung und der Ausbildung einer zusätzlichen C–O-Bindung.

Eine weitere Oxidation des C-Atoms ist hier (R−CO−R′) nur unter Spaltung der C-C-Bindung möglich, führt also zur Zerstörung des ursprünglichen Kohlenstoffgerüsts.

Reduktion von NO₂-Gruppen
Ein weiteres klassisches Beispiel ist die Reduktion der Nitrogruppe. Nitrobenzol kann mit Zinn und Salzsäure zu Anilin reduziert werden. Die Reduktion findet an der Funktionsgruppe selbst, also am Stickstoffatom, statt – nicht am aromatischen Kohlenstoffgerüst. Stickstoff ändert dabei seine formale Oxidationsstufe von +3 zu -3.

C₆H₅–NO₂  ⟶ ​ C₆H₅–NH₂

Als korrekte stöchiometrische Reduktionsgleichung:

C₆H₅–NO₂ + 6 H⁺ + 6 e⁻ → C₆H₅–NH₂ + 2 H₂O

Diese Beispiele zeigen, wie sich Funktionsgruppen an stabilen C-C-Gerüsten durch gezielte Elektronenverschiebungen (Redoxprozesse) umwandeln lassen. Obwohl diese Prozesse klar als Oxidation und Reduktion beschrieben werden können, liegt der Fokus der organischen Chemie vielmehr auf der Betrachtung der Strukturänderungen des Kohlenstoffgerüsts (und weniger auf den Redoxreaktionen). Aus den genannten Gründen klassifizieren wir organische Reaktionen anders als anorganische. Der Übergang ist oft fliessend – denkt nur an Wöhlers Brücke, an die Atmung, an die Verbrennung von Kohle oder Erdöl oder an die Photosynthese.  

Oktettregel – warum Atome reagieren
Die meisten organischen Moleküle bestehen aus Elementen der zweiten Periode: Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O). Für sie gilt die Oktettregel: Die Atome streben eine Edelgaskonfiguration mit acht Elektronen, wie das Edelgas Neon, an: [He] 2s² 2p⁶. Wasserstoff als Element der 1. Periode strebt ein Duett mit zwei Elektronen an, also die Helium-Konfiguration.

Diese einfache Regel erklärt typische Summenformeln wie CH₄, NH₃, H₂O oder HF. Daraus ergeben sich die typischen Bindigkeiten:

• Kohlenstoff: vierbindig
• Stickstoff dreibindig
• Sauerstoff zweibindig
• Fluor einbindig

Die Oktettregel liefert damit die Erklärung für chemische Reaktivität: Atome reagieren, weil ihre Elektronenverteilung unvollständig und energetisch ungünstig – also instabil – ist. Chemische Reaktionen führen zu stabileren Elektronenzuständen, häufig durch das Neuordnen oder Teilen von Elektronenpaaren.

Dieses Streben nach «Vollkommenheit» erinnert an ältere Vorstellungen von Ganzheit und Wiedervereinigung – ein Motiv, dem wir in folgenden Exkurs nachgehen.

Schaut euch auch bitte das witzige Video Chemical party an. Achtet besonders auf den Kohlenstoff – «carbon can attract 4 hydrogens» – und die Edelgase – «noble gases do not bond.»

Ganz korrekt ist letzteres jedoch nicht: Edelgase sind sehr reaktionsträge. Stimmt! Jedoch sind insbesondere vom Xenon mehrere stabile Verbindungen mit Sauerstoff und Fluor bekannt (z. B. XeF₂, XeF₄, XeF₆ oder XeO₃). Diese Ausnahmen zeigen, dass selbst Edelgase unter geeigneten Bedingungen Bindungen eingehen können. Die Regel «Edelgase reagieren nicht» ist daher eine didaktische Vereinfachung, keine absolute Gesetzmässigkeit. Keine Regel ohne Ausnahme. 

Elemente der dritten Periode
Die Elemente der zweiten Periode sind durch die Oktettregel strikt limitiert. Anders verhält es sich bei den Elementen der dritten Periode. In oxidierenden Umgebungen zeigen insbesondere Phosphor, Schwefel und Chlor eine Vielzahl möglicher formaler Bindungsmuster und Oxidationsstufen. Diese Elemente können mehr als acht Elektronen in ihrer Valenzhülle aufnehmen und sogenannte hypervalente Verbindungen bilden. Dadurch ist ihre Chemie deutlich vielfältiger als die der Elemente der zweiten Periode. 

Strukturänderungen in organischen Molekülen
Ein zentrales Ziel vieler organischer Reaktionen des 19. Jahrhunderts war der gezielte Aufbau von C–C-Bindungen. Aus einfachen Halogenalkanen und Metallen wie Natrium und Zink entstanden längere Kohlenstoffketten und verzweigte Seitenarme. Aus Säurechloriden und metallorganischen Verbindungen wurden Ketone durch gezielte C-C-Knüpfungen hergestellt.

Daneben existiert ein alternativer Syntheseweg zum selben Funktionstyp, der ohne direkte Verknüpfung von Kohlenstoffketten auskommt: die Oxidation eines entsprechenden sekundären Alkohols zum Keton. Beide Strategien führen zum gleichen strukturellen Ergebnis, beruhen jedoch auf unterschiedlichen Syntheseprinzipien. Organische Synthesen sind durch Strategien gekennzeichnet.  

Fazit
Hinter der Vielzahl historischer Reaktionen verbergen sich – auch wenn das zunächst verwirrend erscheinen mag – nur wenige grundlegende Prinzipien. Allem voran dieses:

Chemische Verbindungen streben nach einer stabilen Elektronenkonfiguration, insbesondere nach einer voll besetzten äusseren Elektronenschale.

Um dieses Ziel zu erreichen, geben manche Teilchen  Elektronen ab, während andere Elektronen aufnehmen. Aus diesem einfachen Prinzip ergeben sich Bindungen, Reaktionen und letztlich die enorme Vielfalt der Chemie. 

Bevor wir uns den klassischen Reaktionstypen der organischen Chemie widmen, müssen wir zwei zentrale Begriffe klären:

• Elektrophil
• Nukleophil

Wer die Konzepte hinter diesen beiden Begriffen versteht, versteht den Kern organischer Reaktivität. An dieser Stelle nur so viel vorweg: Elektrophile und Nukleophile ziehen sich an. 

Die Trinität einer organischen Reaktion: Bindungsspaltung, Bindungsknüpfung und Veränderungen im C-Gerüst. Die Art, wie eine chemische Bindung gespalten wird, bestimmt den Typus der reagierenden Teilchen – und damit die möglichen Reaktionsmechanismen. Deshalb ein Blick auf die drei Möglichkeiten der Bindungsspaltung. 

Spaltungstypen: Art der reagierenden Teilchen
Bei jeder chemischen Reaktion werden bestehende Bindungen gebrochen und neue gebildet. Dies kann auf unterschiedliche Weise geschehen. Grundsätzlich unterscheiden wir drei grosse Klassen von Reaktionen:

• Radikalreaktionen, 
• Polare Reaktionen,
• Molekulare Reaktionen.

Radikalreaktionen (homolytische Spaltung)
Bei Radikalreaktionen erfolgt eine homolytische Spaltung der Bindung A-B. Dabei erhält jeder der beiden Bindungspartner je ein Elektron:

A–B → A· + B·

Es entstehen Radikale, also Teilchen mit ungepaarten Elektronen. Diese sind energetisch sehr instabil und daher extrem reaktionsfähig. Radikalreaktionen spielen bei photochemischen Prozessen und bei der radikalischen Substitution von Alkanen eine Rolle. Hier mehr dazu. 

Polare Reaktionen (heterolytische Spaltung)
In der organischen Chemie dominieren polare Reaktionen. Voraussetzung ist eine ungleiche Elektronenverteilung in der Bindung. Bei der heterolytischen Spaltung geht das bindende Elektronenpaar vollständig auf einen der beiden Bindungspartner über. 

A–B → A⁺ + B⁻  oder
A–B → A⁻ + B⁺

Es entstehen Ionen. Genau hier greifen die auf der vorherigen Seite besprochenen Konzepte von Elektrophilen (elektronenarm) und Nukleophilen (elektronenreich). Die meisten klassischen organischen Mechanismen – Substitutionen, Additionen und Eliminierungen – gehören zu dieser Klasse.

Molekulare Reaktionen (konzertierte Reaktionen)
Bei molekularen Reaktionen werden Bindungen gleichzeitig gebrochen und gebildet. Es treten keine isolierbaren Ionen oder Radikale auf. Alle Elektronenverschiebungen erfolgen in einem einzigen, konzertierten Schritt.  Ein klassisches Beispiel ist die Diels-Alder-Reaktion, eine molekulare, konzertierte Cycloaddition, bei der ein konjugiertes Dien und ein Dienophil in einem Schritt einen sechsgliedrigen Ring bilden.

CH₂=CH–CH=CH₂ + CH₂=CH₂ → Cyclohexen
Buta-1,3-dien + Ethen → Cyclohexen

Eine grosse Elektronenverschieberei. Alle drei π-Elektronenpaare verschieben sich gleichzeitig. In einem Schritt entsteht ein sechsgliedriger Ring. Bindungsbruch und Bindungsbildung erfolgen simultan; daher entstehen weder Radikale noch Ionen. 

Zwischenstufen, Übergangszustände und Kinetik
Viele Reaktionen verlaufen nicht direkt von den Edukten A und B zum Produkt C, sondern bilden ein Zwischenprodukt X: 

A + B ⟶ X ⟶ C

Existiert das  Zwischenprodukt X nur sehr kurz, so spricht man von einem Übergangszustand. Besitzt es eine messbare längere Lebendsauer, handelt es sich um ein nachweisbares Zwischenprodukt. Der Reaktionsverlauf wird von mehreren Faktoren bestimmt, unter anderem: 

• Reaktivität der Edukte (z. B. Substitutenteneffekte),
• Temperatur,
• Lösungsmittel.

Diese Faktoren bestimmen die Kinetik der Reaktion, also den zeitlichen Verlauf sowie häufig auch die Stereochemie der Produkte.

Reaktionen organischer Stoffe – Strukturänderung am Kohlenstoff
In der organischen Chemie betrachten wir vor allem Änderungen des Bindungszustands der Kohlenstoffatome. Daraus ergibt sich eine bewährte Einteilung in grundlegende Reaktionstypen: 

Substitutionen 
a) Nukleophile Substitutionen (SN1/SN2) – Abhängigkeit von Substrat, Nukleophil und Lösungsmittel.

b) Elektrophile aromatische Substitution – Aktivierung/Deaktivierung; Ortho/Meta/Para‑Regeln für die Substitution

Additionen
elektrophile oder radikalische Additionen – Alkene als zentrale Schaltstellen der organischen Chemie mit erhöhter Elektronendichte.

Eliminierungen
E1- und E2-Reaktionen.  E1- und E2-Eliminierungen sind Reaktionen, bei denen unter Abspaltung einer Abgangsgruppe und eines Protons eine Doppelbindung entsteht. Sie verläuft zweistufig (E1) über ein Carbokation; oder einstufig (E2) mit einer starke Base.

Carbonylchemie 
Nucleophile Additionen, Acylsubstitutionen (Ester, Amide) sowie Kondensationen (Aldol- und Claisenreaktion).

Redoxreaktionen an Funktionsgruppen
Letztere haben wir bereits betrachtet, sowohl am Kohlenstoffatom als auch an der funktionellen Gruppe.

Drei Substitutionsreaktionen
Auf den folgenden Seiten behandeln wir die nucleophile Substitution, die elektrophile aromatische Substitution sowie die Acylsubstitution. Obwohl es sich in allen Fällen formal um Substitutionsreaktionen handelt, verlaufen diese Reaktionen über grundlegend unterschiedliche Mechanismen.

Nicht alle nukleophilen Substitutionen können in einem einzigen Schritt ablaufen. Ist das Kohlenstoffatom, an dem die Abgangsgruppe sitzt, stark alkylgruppensubstituiert (die Chemiker sprechen nachlässig von stark substituiert; die H-Atome zählen nicht), so wird der direkte Angriff eines Nukleophils sterisch (d.h. räumlich) behindert. In solchen Fällen verläuft die Reaktion nach einem zweistufigen Mechanismus, der als monomolekulare nukleophile Substitution (SN1) bezeichnet wird. Im ersten, geschwindigkeitsbestimmenden Schritt spaltet sich die Bindung zwischen Kohlenstoff und Abgangsgruppe heterolytisch (d. h. die Abgangsgruppe nimmt die Bindungselektronen mit). Es entsteht ein positiv geladenes Carbokation sowie das Anion der Abgangsgruppe:

langsam:   R–Y ⇌ R⁺ + Y⁻

Dieses Carbokation ist ein relativ kurzlebiges, aber nachweisbares Zwischenprodukt. Die Alkylgruppen stabilisieren das Zwischenprodukt, in dem sie die positive Ladung über das gesamte Molekül delokalisieren. Im zweiten Schritt greift ein Nukleophil das Carbokation an und bildet das Substitutionsprodukt:

schnell:     R⁺ + X:⁻  ⟶  R-X

Da der langsame Schritt nur von der Konzentration der Ausgangsverbindung abhängt, ist die Reaktionsgeschwindigkeit unabhängig von der Konzentration des Nukleophils. Die Reaktion folgt daher einer Kinetik erster Ordnung. SN1-Reaktionen treten bevorzugt bei tertiären Alkylhalogeniden auf, da die entstehenden Carbokationen durch Alkylgruppen stabilisiert werden. Polare, protische Lösungsmittel wie Wasser oder Ethanol begünstigen den Mechanismus, weil sie sowohl das Carbokation als auch die Abgangsgruppe solvatisieren und stabilisieren. 

Das Carbokation ist planar. Das Nukleophil kann daher von beiden Seiten angreifen, sodass Produkte mit unterschiedlicher räumlicher Anordnung gebildet werden. 

SN2- und SN1-Reaktionen zeigen, dass ein und dieselbe Substitutionsreaktion auf sehr unterschiedliche Weise ablaufen kann. Welcher Mechanismus tatsächlich eintritt, hängt von der Struktur des Kohlenstoffgerüsts, der Abgangsgruppe und dem Reaktionsmedium ab.

Bei der nukleophilen Substitution greifen Nukleophile  an einem gesättigten Kohlenstoffatom an. Gesättigt bedeutet, dass das Kohlenstoffatom an dem die Substitution erfolgt, ausschliesslich Einfachbindungen trägt. Typische Substrate sind Alkylhalogenide wie CH₃Br, C₂H₅Br, (CH₃)₂CH–Br, (CH₃)₃C–Cl oder Benzylchlorid C₆H₅–CH₂–Cl sowie Sulfonatester wie Alkyltosylate (R–OTs) oder Alkylmesylate (R–OMs). 

Bei der Acylsubstitution unterscheidet sich das Reaktionszentrum grundlegend von dem bei SN1- und SN2-Reaktionen. Das angegriffene Kohlenstoffatom gehört zur Carbonylgruppe und ist nicht gesättigt, sondern Teil einer C=O-Doppelbindung.

Doppelbindungen
Eine Doppelbindung besteht aus einer σ-Bindung und einer π-Bindung. σ-Bindungen entsprechend Einfachbindungen. Methan (CH₄) besitzt vier σ-Bindungen. Ethen (CH₂=CH₂) enthält 5 σ-Bindungen und eine π-Bindung. Die π-Bindung entsteht durch seitliche Überlappung von p-Orbitalen und ist energetisch schwächer als eine σ-Bindung. Sie liegt ober- und unterhalb der Molekülebene und ist daher besonders gut für den Angriff eines Nukleophils zugänglich. Sie kann daher im Verlauf einer Reaktion aufgebrochen werden, permanent (bei der elektrophilen Addition) oder vorübergehend. Uns interessiert bei der Acylsubstitution der letzte Fall.

Additions- Eliminierungs-Prinzip
Beim Angriff eines Nukleophils auf die Carbonylgruppe wird die π-Bindung geöffnet; es entsteht ein tetraedrisches Zwischenprodukt. Nach dem Abgang einer geeigneten Abgangsgruppe bildet sich die π-Bindung erneut aus, wodurch das Carbonylsystem wiederhergestellt wird. Dieses Additions-Eliminierungs-Prinzip ist charakteristisch für Reaktionen der Acylsubstitution. 

Betrachtet man nun Carbonylgruppen in Verbindungen wie Säurechloriden oder Säureanhydriden, zeigt sich eine neue Form der Reaktivität: Die C=O-Doppelbindung ist stark polarisiert. Das elektronegative Sauerstoffatom zieht die Bindungselektronen zu sich, wodurch das Carbonylkohlenstoffatom eine partielle positive Ladung trägt. Es bildet damit ein elektrophiles Zentrum.

Ein Nukleophil greift den Carbonylkohlenstoff an und bildet ein tetraedrisches Zwischenprodukt, in dem die π-Elektronen der Doppelbindung vorübergehend auf das Sauerstoffatom verschoben werden. In einem zweiten Schritt sich unter Rückbildung der Carbonylbindung die Abgangsgruppe ab. 

R–C(=O)–X + Nu⁻ → R–C(=O)–Nu + X⁻

mit X = Abgangsgruppe (z. B. Cl⁻, RCOO⁻, RO⁻, NR₂⁻)

Diese Reaktionsfolge wird als nukleophile Acylsubstitution bezeichnet und stellt eine zentrale Reaktionsklasse der organischen Chemie dar. Charakteristisch ist, dass an einem Acylrest eine Substituentengruppe durch ein Nukleophil ersetzt wird, während die Carbonylfunktion – nach kurzzeitiger Aufhebung im Übergangszustand – erhalten bleibt.

Abgangsgruppe bestimmt Reaktivität 
Wir haben bereits bei den SN-Reaktionen gesehen, wie wichtig die Abgangsgruppen sind. Das ist hier nicht anders. Die Reaktivität der beteiligten Verbindungen hängt wesentlich von der Natur der Abgangsgruppe ab:

• Säurechloride reagieren besonders leicht,
• gefolgt von Säureanhydriden und Estern,
• während Amide aufgrund ihrer hohen Stabilität deutlich weniger reaktiv sind.

Nukleophile Acylsubstitutionen bilden die Grundlage zahlreicher organischer Synthesen, etwa der Herstellung von Estern und Amiden, wie wir im Kapitel zu den Mikrowellensynthesen noch sehen werden.

Einordnung: formal Substitution, mechanistisch Additions-Eliminierung 
Formal gehört die Acylsubstitution zur Klasse der nukleophilen Substitutionsreaktionen. Formal heisst, dass lediglich Edukte und Produkte betrachtet werden. Für das Verständnis des Reaktionsverlaufs ist diese Einordnung jedoch nicht ausreichend.

Mechanistisch unterscheidet sich die Acylsubstitution grundlegend von SN1- und SN2-Reaktionen. Während klassische nukleophile Substitutionen an gesättigten, sp³-hybridisierten Kohlenstoffatomen ablaufen, erfolgt der Angriff bei der Acylsubstitution am sp²-hybridisierten Carbonylkohlenstoff. Der Mechanismus verläuft daher weder konzertiert noch über ein Carbokation, sondern über einen Additions–Eliminierungs-Mechanismus mit einem tetraedrischen Zwischenprodukt.

Während klassische nukleophile Substitutionen an gesättigten, sp³-hybridisierten Kohlenstoffatomen ablaufen, erfolgt der Angriff bei der Acylsubstitution am sp²-hybridisierten Carbonylkohlenstoff. Der Mechanismus verläuft daher nicht konzertiert oder über ein Carbokation, sondern über einen  Additions-Eliminierungs-Mechanismus mit einem tetraedrischem Zwischenprodukt. Ohne hier auf die Orbitaltheorie einzugehen, genügt hier sie strukturelle Unterscheidung:

• sp³-hybridisierter Kohlenstoff:  tetraedrische Geometrie, vier Einfachbindungen
• sp²-hybridisierter Kohlenstoff: planare Geometrie, eine Doppelbindung 

Dieser geometrische und elektronische Unterschied bestimmt den Reaktionsmechanismus und erklärt, warum Acylsubstitutionen einen eigenen Platz innerhalb der nukleophilen Substitutionen einnehmen.   

 

Reaktionsmechanismen sind keine Erzählungen im klassischen Sinn, sondern Verdichtungen: Pfeile, Symbole, Ladungen, Abkürzungen. Sie sind eine Sprache, die sich über weit mehr als ein Jahrhundert entwickelt hat, um Bewegungen von Elektronen, Umordnungen von Bindungen und Übergangszustände in möglichst knapper Form auszudrücken. Ihre Kraft liegt in der Möglichkeit Reaktionen anhand von Strichformeln vorherzusagen. Das ist eine ungeheure Leistung.

Für Aussenstehende – und selbst für benachbarte Naturwissenschaftler:innen – wirkt diese Sprache schnell dunkel, undurchdringlich, verschlossen und jargonlastig. Ich habe versucht, sie aus unterschiedlichen Perspektiven so lebendig wie mir möglich darzustellen, mit so wenigen Formeln wie nötig und als Ergänzung zu den herkömmlichen Lehrbüchern. Wenn mir das nicht immer gelungen ist, dann bitte ich um Nachsicht.

Der Schlüssel zur Begeisterung für die (organische) Chemie ist es, eine Synthese durchzuführen. Eine neue Substanz herzustellen. Dann spürt ihr die Magie und die Essenz der Chemie.  

Selbstverständlich gibt es zahlreiche zentrale Reaktionstypen, die hier nicht oder nur am Rand erwähnt wurden – etwa Eliminierungen, Umlagerungen oder Polymerisierungen. Sie werden zu gegebener Zeit ergänzt, sobald sie in Maturaarbeiten auftauchen. Es ist zudem nicht der Anspruch dieses Laborjournals, die organische Chemie vollständig oder systematisch abzubilden. Das ist an anderer Stelle bereits vielfach geleistet worden – gründlich, korrekt und oft sehr erfolgreich. Der Anspruch dieses BLJs ist ein anderer. Es ging darum, eine Linie sichtbar zu machen: von der frühen Suche nach dem Urstoff, über die Ordnung der Elemente im Periodensystem, bis hin zur Entwicklung der organischen Chemie und ihrer Reaktionsmechanismen – und weiter zu modernen Synthesemethoden wie der Mikrowellensynthese. Die hier vorgestellten Mechanismen sind daher exemplarisch. Sie stehen für Grundprinzipien. 

Chemische Reaktionen folgen einfachen, immer wiederkehrenden Mustern. Elektronen bewegen sich von Bereichen hoher zu niedriger Energie. Ladungen streben nach Ausgleich. Bindungen werden dort gebrochen, wo sie schwach sind, und dort geknüpft, wo Stabilität entsteht. Die Vielfalt der Reaktionen ist gross, doch die zugrunde liegenden Prinzipien sind überraschend überschaubar. Wer beginnt, Reaktionsmechanismen nicht als Ansammlung von Regeln, sondern als Ausdruck von Ordnung, Energiefluss und Struktur zu lesen, dem öffnet sich die organische Chemie auf eine andere Weise: nicht als undurchdringliches Dickicht, sondern als konsequent gewachsene Landschaft.

In diesem Sinne ist dieses Kapitel kein Abschluss, sondern ein Übergang – und vielleicht auch eine Einladung, Reaktionsmechanismen nicht nur zu lernen, sondern sie als Teil einer grösseren Ordnung zu erkennen.

Eine der zentralen Aufgaben der Synthesechemie ist es, Synthesen so zu gestalten, dass sie in möglichst kurzer Zeit höchstmögliche Ausbeuten und Produkte von grösstmöglicher Reinheit liefern. Dies erfordert eine strategische Reaktionsplanung: die Auswahl geeigneter Ausgangsstoffe, eine minimale Anzahl an Reaktionsschritten sowie – wann immer möglich – den Verzicht auf umweltbelastende und gefährliche Chemikalien und Verfahren. Ein zentrales Element nahezu aller chemischen Reaktionen ist die Zufuhr von Wärmeenergie. Warum dieses Erhitzen?

Hohe Temperaturen, kürzere Reaktionsgeschwindigkeiten
Intuitiv wissen wir, dass höhere Temperaturen chemische Reaktionen beschleunigen. Dieses Prinzip nutzen wir im Alltag häufig in umgekehrter Weise, etwa indem wir Lebensmittel im Kühlschrank lagern, um durch Absenkung der Temperatur chemische und biologische Abbauprozesse zu verlangsamen. 

Der Einfluss der Temperaturen auf die Reaktionsgeschwindigkeit ist nicht linear, sondern exponentiell. Ursache hierfür ist die sogenannte Aktivierungsenergie: Chemische Reaktionen können nur dann ablaufen, wenn die reagierenden Teilchen eine bestimmte Energieschwelle überwinden. Erst wenn genügend Teilchen diese Aktivierungsenergie besitzen, kann es zur effektiven Kollision und damit zur Reaktion kommen.

Die Arrhenius-Gleichung beschreibt diesen Zusammenhang quantitativ. Bereits kleine Temperaturerhöhungen können demnach zu deutlich verkürzten Reaktionszeiten führen. Wärme ist daher ein strategisches Werkzeug der Syntheseplanung.  

Besonders wirkungsvoll sind Methoden, die Wärme schnell, präzise und mit möglichst geringen Verlusten direkt in die reagierende Mischung einbringen. 

Klassische Heizmethoden im chemischen Labor
Historisch gesehen war die Entwicklung chemischer Synthesemethoden stets eng mit der Entwicklung geeigneter Heiztechniken verknüpft. Einen entscheidenden Fortschritt markierte 1855 die Entwicklung des Gasbrenners durch Robert Bunsen. Dem sind wir im Zwischenspiel der Elemente III bereits im Zusammenhang mit dem Spektroskop begegnet. Der später nach ihm benannte Bunsenbrenner ermöglichte erstmals eine stabile, nahezu russfreie Flamme und damit reproduzierbare, gut kontrollierbare Wärmebedingungen für chemische Reaktionen.

Grundlage hierfür war die gezielte Vormischung von Gas und Luft, die eine nahezu vollständige Verbrennung erlaubte. Bunsen griff dabei auf frühere Brennerkonstruktionen zurück, insbesondere auf einen von Michael Faraday entwickelten Brenner, der jedoch aufgrund unzureichender Luftzufuhr stark qualmte. Durch den Einbau regulierbarer Luftöffnungen entwickelte Bunsen daraus ein präzises und vielseitig einsetzbares Laborgerät.

In der Folge etablierten sich neben dem Gasbrenner auch Öl- und Sandbäder sowie später Heizplatten und Heizmäntel als Standardmethoden zur kontrollierten Erwärmung chemischer Reaktionsansätze. 

Vom Haushaltsmikrowellenofen zur Synthesetechnologie
Ein grundlegend anderer Ansatz zur Wärmeerzeugung entstand im 20. Jahrhundert, zunächst ausserhalb der Chemie. In den 1940er-Jahren beobachtete der US-amerikanische Ingenieur und Erfinder Percy Spencer (1894–1970), dass elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich Lebensmittel erwärmen kann. Diese Beobachtung führte zur Entwicklung des Haushaltsmikrowellenofens – chemische Anwendungen hatte zu dieser Zeit noch keiner im Blick.

Erst Mitte der 1980er-Jahre begannen Chemiker Mikrowellenenergie gezielt zur Beschleunigung chemischer Reaktionen einzusetzen. Erste Experimente zeigten, dass Reaktionen unter Mikrowellenbestrahlung nicht nur schneller, sondern häufig auch selektiver und mit höheren Ausbeuten  abliefen. Damit begann die systematische Entwicklung der mikrowellenunterstützten Synthese in der organischen Chemie.

Die früheren Arbeiten wurden oft noch mit modifizierten Haushaltsmikrowellenöfen durchgeführt – ein Ansatz, der aus heutiger Sicht sicherheits- und reproduktionstechnisch problematisch war. In den folgenden Jahrzehnten entwickelten einige Instrumentenhersteller daher speziell konstruierte Mikrowellensynthesereaktoren, die eine kontrollierte und sichere Anwendung dieser Technologie erlauben. 

Mikrowellen sind elektromagnetische Strahlen im Frequenzbereich von 0.3 bis 300 GHz mit Wellenlängen zwischen etwa 1 mm und 1 m. Damit liegen sie zwischen den kürzerwelligen Infrarotstrahlen und den längerwelligen Radiowellen. Haushaltsmikrowellen und MWRs arbeiten mit einer Frequenz von 2.45 GHz, entsprechend einer Wellenlänge von etwa 12.25 cm.

Falls dir die Begriffe Frequenz und Wellenlänge Schwierigkeiten bereiten, schau` dir den Exkurs zur elektromagnetischen Strahlung im Photometrie-BLJ an.

Mikrowellenenergie spaltet keine Bindungen
Die Energie von Mikrowellen ist zu gering, um chemische Bindungen direkt aufzubrechen. Sie versetzt Moleküle lediglich in Bewegung. Ein Mikrowellenphoton bei 2.45 GHz besitzt eine Energie von etwa 

≈ 1 × 10⁻⁵ eV pro Photon.

Zum Vergleich: Die Energie typischer kovalenter Bindungen in organischen Molekülen liegt im Bereich von etwa 3 bis 8 eV pro Bindung. Damit ist die Bindungsenergie um fünf bis sechs Grössenordnungen höher als die Energie der Mikrowellenphotonen.

Dielektrisches Heizen
Die Erwärmung in einem Mikrowellenreaktor beruht auf dem Prinzip des dielektrischen Heizens. Dabei wird die Reaktionsmischung direkt durch das elektromagnetische Feld erwärmt. Im Gegensatz zur konventionellen Erwärmung auf einer Heizplatte, bei der zunächst das Reaktionsgefäss erhitzt und die Wärme anschliessend durch Wärmeleitung und Konvektion in die Lösung gelangt, wird bei der Mikrowellenerwärmung die elektromagnetische Energie unmittelbar im Reaktionsmedium in Wärme umgewandelt.

Damit dieser Heizmechanismus wirksam ist, müssen Lösungsmittel oder Reagenzien Mikrowellenenergie absorbieren können. Dies ist der Fall, wenn sie polare Moleküle (Dipole) oder Ionen enthalten. Unter dem Einfluss des oszillierenden elektrischen Feldes der Mikrowellen richten sich diese Teilchen ständig neu aus. Diese erzwungene Rotation führt zu mikroskopischen Reibungs- und Relaxationsprozessen (dielektrische Verluste), durch die elektromagnetische Energie in thermische Energie überführt wird.

Voraussetzung ist, dass das Reaktionsgefäss selbst für Mikrowellen transparent (= durchlässig) ist. Materialien wie Glas, Quarz oder Teflon lassen die Strahlung passieren, während Metalle sie reflektieren. Kurz: Polare Stoffe wandeln die absorbierte Mikrowellenenergie in Wärme um, während unpolare Substanzen nur schwach oder gar nicht reagieren. 

Mikrowellenerwärmung und der Verlustfaktor tan δ
Wie effizient ein Stoff Mikrowellenenergie in Wärme umsetzt, drückt der  Verlustfaktor tan δ aus. Er gibt an, wie stark ein Lösungsmittel bzw. Reagenz Energie aus dem elektromagnetischen Feld aufnehmen und über molekulare Reibungs- und Relaxationsprozesse in Wärme umwandeln kann. Je grösser der tan δ-Wert, desto besser eignet sich ein Stoff für die mikrowellenunterstützte Erwärmung.

Stoffe mit niedrigem tan δ koppeln nur schwach an das Mikrowellenfeld und erwärmen sich kaum, während Stoffe mit hohem tan δ die Mikrowellenenergie sehr effektiv absorbieren und sich rasch aufheizen. Der Verlustfaktor hängt sowohl von der Polarität der Moleküle als auch von der Beweglichkeit vorhandener Ionen im Reaktionsmedium ab. Typische tan δ-Werte bei etwa 2.45 GHz sind:

• Hexan:  ca. 0.02 → praktisch mikrowellentransparent
• Toluol: ca. 0.04 → schwache Mikrowellenerwärmung
• Dichlormethan: 0.042 → mässige Erwärmung
• Wasser: ca. 0.123 → mittel effiziente Erwärmung
• Ethanol: ca. 0.94 → sehr gute Mikrowellenabsorption

In der mikrowellenunterstützten Synthese ist der dielektrische Verlustfaktor tan δ daher ein zentrales Kriterium bei der Wahl geeigneter Reaktionsmedien (= Lösungsmittel). Systeme mit hohem tan δ lassen sich besonders schnell und homogen erwärmen, während Systeme mit niedrigen tan δ-Werten häufig den Einsatz von Zusatzabsorbern oder alternative Heizstrategien erfordern.

Dieser Zusammenhang wird im Kapitel zu den Synthesen im MWR deutlich sichtbar: von rasch ablaufenden Reaktionen im gut mikrowellenabsorbierenden Wasser bei der Paracetamolsynthese bis hin zu deutlich langsameren Reaktionen im nahezu mikrowellen-transparenten Lösungsmittel Pyridin bei der Sulfathiazolsynthese.

  

Ein Mikrowellensynthesereaktor besteht aus fünf funktionalen Ebenen

1. Magnetron als Mikrowellenquelle 
Das Herz eines jeden Mikrowellenofens ist das Magnetron. Es erzeugt die elektromagnetische Strahlung bei 2.45 GHz. Wir unterscheiden zwei Arten von Mikrowellengeräten: Multimode und Singlemode.

In Multimodegeräten entstehen in der Resonanzkammer viele stehende elektromagnetische Moden gleichzeitig. Dadurch bilden sich räumlich verteilte Feldmaxima und -minima, sogenannte Hotspots oder Coldspots. Haushaltsmikrowellen arbeiten nach diesem Prinzip. Der Drehteller garantiert ein gleichmässiges Aufwärmen. 

MWRs arbeiten im Singlemode. Geräte wie der Anton Paar Monowave 200 oder der CEM Discover verwenden einen definierten elektromagnetischen Resonator, der nur einen Mode zulässt. Das erlaubt eine gezielte und reproduzierbare Energieeinkopplung in das Reaktionssystem.

2. Wellenleiter & Resonator
Ein Wellenleiter führt die vom Magnetron erzeugten Mikrowellen in eine Resonanzkammer. Dort bildet sich ein elektromagnetisches Feld definierter Geometrie.
Das Reaktionsgefäss wird in ein Feldmaximum positioniert, damit das Reaktionsgemisch möglichst effizient Energie aufnimmt.

3. Reaktionsgefäss (Druck- und temperaturfest) und Rührsystem
Das Reaktionsgefäss besteht aus mikrowellentransparenten Materialien wie Quarz, Borosilikatglas oder PTFE. Diese werden nicht direkt durch die Mikrowellen erhitzt, sondern lassen das elektromagnetische Feld ungehindert in das Reaktionsgemisch eindringen.

Ein integrierter Magnetrührer sorgt während der Reaktion für eine kontinuierliche Durchmischung der Reagenzien und damit für eine homogene Temperatur- und Konzentrationsverteilung im gesamten Reaktionsvolumen.

4.  Drucklufteinheit zur thermischen Feinregelung
Zusätzlich zur Mikrowelleneinkopplung besitzen moderne Mikrowellensynthesereaktoren eine Drucklufteinheit, mit der das Reaktionsgefäss gezielt von aussen mit komprimierter Luft umströmt wird. Diese Einheit ermöglicht sowohl ein sehr rasches Abkühlen nach Beendigung der Reaktion als auch eine aktive Temperaturstabilisierung während des Heizvorgangs. Dieses rasche Erhitzen und Abkühlen unterdrückt das Entstehen von Nebenprodukten.

5. Sensorik und Regelung
Moderne Geräte überwachen den Reaktionsverlauf kontinuierlich. Erfasst werden insbesondere die Temperatur (über Infrarotsensoren oder Fühler am Gefässboden), der Druck im Reaktionsgefäss sowie die reflektierte Mikrowellenleistung. Auf dieser Basis regelt die Steuerelektronik die abgegebene Mikrowellenleistung in Echtzeit, sodass vorgegebene Temperatur- und Druckprofile exakt eingehalten werden können.

Technische Kenndaten: Temperatur, Druck, Leistung
Der Monowave-MWR von Anton Paar ist für Reaktionstemperaturen von bis zu 260 °C und Drücke von bis zu 20 bar ausgelegt. Die Magnetron-Ausgangsleistung beträgt maximal 850 Watt. Eine integrierte Magnetrühreinheit mit Drehzahlen von bis zu etwa 1200 Umdrehungen pro Minute sorgt für eine homogene Durchmischung des Reaktionsgemisches und damit für eine gleichmässige Temperaturverteilung.

Reaktionsgefässe und Volumina
Für die Synthesen stehen Reaktionsgefässe aus mikrowellentransparentem Borosilikatglas mit Nennvolumina von 10 und 30 ml zur Verfügung. Das maximale zulässige Füllvolumen beträgt aus Sicherheitsgründen etwa zwei Drittel des Nennvolumens, entsprechend rund 6.6 ml für 10-ml-Gefässe bzw. etwa 20 ml für 30-ml-Gefässe. Die Gefässe werden mit druckfesten Deckeln aus PEEK und teflonbeschichteten Dichtelementen verschlossen, die sowohl chemisch beständig als auch mikrowellentauglich sind.

Bedienung
Die Bedienung des Anton Paar Monowave-Systems ist weitgehend automatisiert und erfolgt über eine benutzerfreundliche Steueroberfläche. Integrierte Sensoren ermöglichen eine kontinuierliche Reaktionskontrolle über das Display, das die Reaktionsparameter Zeit, Temperatur, Druck und Leistung in Echtzeit anzeigt.  Vordefinierte Temperatur- und Drucklimits überwachen den Reaktionsverlauf und brechen die Reaktion beim Überschreiten der Grenzwerte automatisch ab, wodurch ein sicherer Betrieb gewährleistet ist.  

Hier die Kurzanleitung und ein Video aus dem Schülerlabor mobiLLab.

Technische Kenndaten: Temperatur, Druck, Leistung
Der Mikrowellensynthesereaktor von CEM Corporation ist für Reaktionstemperaturen von bis zu etwa 300 °C und Betriebsdrücke von bis zu 21 bar ausgelegt, wobei die zulässigen Grenzwerte vom verwendeten Reaktionsgefäss und dem jeweiligen Deckelsystem abhängen. In einem Single-Mode-Mikrowellenreaktionsraum erfolgt die Energieeinbringung direkt in das Reaktionsgemisch, wodurch eine schnelle, gezielte und reproduzierbare Erwärmung erreicht wird.

Reaktionsgefässe und -volumina
Für geschlossene und unter Druck durchgeführte Synthesen stehen mikrowellentransparente Reaktionsgefäße aus Borosilikatglas mit Nennvolumina von 10 ml und 35 ml zur Verfügung. Aus sicherheitstechnischen und regelungstechnischen Gründen beträgt das maximal zulässige Füllvolumen etwa zwei Drittel des Nennvolumens, entsprechend rund 7 ml für 10-ml-Gefäße bzw. etwa 25 ml für 35-ml-Gefäße. Die Gefässe werden mit druckfesten Deckeln aus PEEK und teflonbeschichteten Dichtelementen verschlossen, die sowohl chemisch beständig als auch mikrowellentauglich sind. 

Druckloser Betrieb und offene Reaktionsführung
Eine besondere Stärke des CEM Discover-Systems liegt in der Möglichkeit, neben geschlossenen Reaktionen auch vollständig drucklos zu arbeiten. Durch die grosszügig dimensionierte Single-Mode-Mikrowellenkammer können neben den standardisierten Druckgefässen auch offene Reaktionsansätze unter atmosphärischen Bedingungen gefahren werden. Hierzu lassen sich offene Glasgefässe wie Rundkolben mit Volumina von bis zu 100 bis 125 ml, direkt in der Mikrowellenkammer betreiben. 

Im drucklosen Betrieb können gängige Laboraufsätze wie Rückflusskühler, Tropftrichter oder Gasanschlüsse in gewohnter Weise eingesetzt werden. Dadurch lassen sich klassische Reaktionsbedingungen mit den Vorteilen der fokussierten Mikrowellenerwärmung kombinieren. Diese Flexibilität ermöglicht sowohl den didaktischen Einsatz als auch vergleichende Studien zwischen konventioneller und mikrowellenunterstützter Beheizung.

Bedienung
Die Bedienung des Systems ist weitgehend automatisiert und erfolgt – im Gegensatz zum Anton-Paar-Gerät – nicht über ein Touch Display, sondern über eine softwaregestützte Benutzeroberfläche. Über diese werden alle relevanten Reaktionsparameter wie Temperatur, Leistung, Zeit und gegebenenfalls Druck eingestellt, überwacht und protokolliert. Die Software erlaubt eine reproduzierbare Prozessführung und unterstützt damit sowohl routinemässige Synthesen als auch systematische Methodenentwicklungen.

Hier die Beschreibung.

Ziel der Arbeit
Ziel der Maturaarbeit (2024) von Sandro Schüssler von der Kantonsschule Alpenquai in Luzern war die Herstellung eines Parfums unter Verwendung des selbst synthetisierten Duftstoffs Verdural, (Z)-Hex-3-en-1-ylacetat, im Mikrowellensynthesereaktor. Verdural gehört zur Stoffklasse der Carbonsäureester, die sich gut durch Veresterungsreaktionen zwischen Alkoholen und Carbonsäuren beziehungsweise Säureanhydriden herstellen lassen.  

Ausgangsstoffe
Ein Ausgangstoff ist (Z)-Hex-3-en-1-ol. Dieses Molekül besitzt zwei funktionelle Gruppen: eine C=C-Doppelbindung sowie eine Alkoholgruppe. Es handelt sich damit um einen ungesättigten Alkohol, um ein Enol (En = Alken, ol = Alkohol). 

Der zweite Reaktionspartner ist Essigsäureanhydrid, das formal aus zwei kondensierten Essigsäuremolekülen besteht. Der Begriff Anhydrid beschreibt eine Säure, der Wasser entzogen wurde. Säureanhydride sind stark reaktiv und reagieren bei Kontakt mit Wasser unter Rückbildung der entsprechenden Säure.

Funktionelle Gruppen und die Reaktion
Die für die Reaktion relevante funktionelle Gruppe ist die Carbonylgruppe, wobei das Carbonylkohlenstoffatom das reaktive Zentrum darstellt. Die C=C-Doppelbindung des Alkohols bleibt bei dieser Reaktion nur Zuschauer, denn sie greift nicht in die Reaktion ein.

Es handelt sich um eine nukleophile Acylsubstitution: Die Alkoholgruppe addiert nukleophil an eine Carbonylgruppe des Säureanhydrids, wobei die zweite Acetylgruppe abgespalten wird.

Kurz gesagt liegt eine Veresterung vor. Bei Veresterungsreaktionen reagieren Alkohole mit Säuren oder Säureanhydriden zu Estern und Wasser.

Die OH-Gruppe des (Z)-Hex-3-en-1-ols wirkt als nukleophiles Teilchen, während im Essigsäureanhydrid zwei elektrophile Carbonylkohlenstoffe vorhanden sind. 

Durchführung
Für die Mikrowellensynthese von Verdural lag keine direkte Synthesevorschrift vor. In der Diplomarbeit von Ricarda Kristin Ringdörfer (Graz, 2025) ist jedoch die Mikrowellensynthese eines strukturell ähnlichen Carbonsäureesters, des Linalylacetats, beschrieben. Diese Reaktion diente als methodische Vorlage.

Sandro übertrug das beschriebene Verfahren auf den vorliegenden Fall, wobei er anstelle von Linalylalkohol (Z)-Hex-3-en-1-ol einsetzte. Um eine grössere Produktmenge zu erhalten, verdoppelte er die eingesetzten Mengen gegenüber der Originalvorschrift. Das Essisgsäureanhydrid wurde entsprechend den Angaben bei Ringdörfer in einem 35 %igen molaren Überschuss eingesetzt.

Konkret setzte Sandro 0.02 mol (Z)-Hex-3-en-1-ol mit 0.027 mol Essigsäureanhydrid um. Dies entspricht 2.36 ml des ungesättigten Alkohols und 2.55 mL Essigsäureanhydrid.   

Zusätzlich variierte Sandro die Katalysebedingungen. Neben der in der Originalvorschrift beschriebenen basenkalalysierten Veresterung mit Natriumacetat (0.002 mol) führte er die Reaktion auch säurekatalysiert mit  konzentrierter Schwefelsäure (0.002 mol) durch.

Die Estersynthesen erfolgten im Anton-Paar-Mikrowellenreaktor Monowave 200 bei 135 °C über eine Reaktionszeit von 30 Minuten.

Die Reaktion wurde ohne zusätzliches Lösungsmittel direkt im Essigsäureanhydrid durchgeführt. Sowohl das Säureanhydrid als auch (Z)-Hex-3-en-1-ol absorbieren Mikrowellenstrahlung gut, was eine effiziente Energieeinbringung und eine schnelle Erwärmung des Reaktionsgemisches ermöglicht.

Ergebnis
Sowohl bei der basen- als auch bei der säurekatalysierten Reaktion entstand ein wohlriechendes, flüssiges Produkt. Nach der Synthese reinigte Sandro die flüssigen Produkte und bestimmte Menge und Qualität.

Das Produkt der säurekatalysierten Reaktion wies eine braun-gelbe Färbung auf, die auch nach der Reinigung bestehen blieb und auf die Bildung von Nebenprodukten hindeutet. Die FTIR-Analytik sowie die Papierchromatographie bestätigten, dass die basenkatalysierte Reaktion das reinere Produkt lieferte. 

Weitere Informationen zur Analytik finden sich  im BLJ zur FTIR-Spektroskopie sowie in der Maturaarbeit von Sandro Schüssler.  

Der Blattduftstoff (Z)-Hex-3-en-1-ylacetat, auch Essigsäurehex-3-enylester oder «Leaf Alcohol Acetate» genannt, ist ein wichtiger Bestandteil pflanzlichen Duftstoffe. Bei Verletzungen schütten viele Pflanzen den Essigsäureester gemeinsam mit (Z)-Hex-3-en-1-ol aus. Die freigesetzten Substanzen wirken abschreckend auf Frassfeinde, meist Insekten, und besitzen zudem antimikrobielle Eigenschaften, die das Wachstum von Pilzen und Bakterien hemmen können. Darüber hinaus spielen sie eine wichtige Rolle in der chemischen Kommunikation von Pflanzen mit ihrer Umwelt. 

Der Duftstoff gehört zur Gruppe der grünen Blattduftstoffe (Green Leaf Volatiles, GLVs). Diese flüchtigen organischen Verbindungen werden von Pflanzen insbesondere bei mechanischen Verletzungen der Blätter freigesetzt und sind für den typischen «grünen», frischen Geruch von zerriebenen Pflanzen verantwortlich. 

Name, Formel, Eigenschaften

• IUPAC: (Z)-Hex-3-en-1-yl Ethanoat
  
• Chemische Formel: C₈H₁₄O₂
• Molmasse: 142.2 g/mol
• Strukturtyp: aliphatischer Carbonsäureester
• Siedepunkt: 172–174 °C
• Schmelzpunkt: ca. −70 °C
• Dichte: ca. 0.89 g/cm³ (bei 20 °C)
• Aussehen: farblose bis schwach gelbliche, klare Flüssigkeit
• Geruch: intensiv grün, frisch

Verwendung 
Essigsäurehex-3-enylester wird häufig in der Parfümindustrie sowie bei der Herstellung von Aromastoffen eingesetzt. Aufgrund seines frischen, leicht fruchtigen Geruchs ist er ein beliebter Bestandteil von Duftstoffen und kosmetischen Produkten. Darüber hinaus findet er auch Anwendung in der Lebensmittelindustrie, wo er Produkten eine fruchtige oder pflanzlich-frische Note verleiht. 

Sicherheit und Umwelt 
Essigsäurehex-3-enylester gilt in den üblichen Konzentrationen, wie sie in Kosmetika und Lebensmitteln verwendet werden, als unbedenklich. In höheren Konzentrationen kann der Stoff jedoch reizend wirken und sollte entsprechend vorsichtig gehandhabt werden. In der Umwelt wird der Ester relativ schnell abgebaut und stellt daher kein erhebliches ökologisches Risiko dar.

Fruchtester
Im Berzelius-Experimentiermodul stellen wir weitere Ester auf einfache und schnelle Weise her. Das Geruchsspektrum reicht dabei vom weniger angenehm riechenden Essigsäureethylester, der unter anderem als Lösungsmittel (z. B. in Nagellackentfernern) verwendet wird, bis hin zu intensiv fruchtig riechenden Estern, darunter:  

• Essigsäureamylester oder Essigsäurepentylester (Amylacetat): Duft nach reifen Bananen
• Essigsäureisopentylester (Isoamylacetat): intensiv bananenartig
• Geranylactetat (Essigsäureester des Geraniols): blumig, süss-fruchtig, häufig in Parfüms, Kosmetika und Aromen 
• Butylpropionat: Bestandteil von Rumaromen
• Buttersäuremethylester: Bestandteil von Ananasaromen
• Buttersäureethylester: Bestandteil von Pfirisicharomen
• Valeriansäuremethylester: Bestandteil von Apfelaromen.

Typische Fruchtaromen entstehen jedoch nicht durch einzelne Substanzen, sondern durch das Zusammenspiel vieler verschiedener Duftstoffe. Der Geruch eines reinen Esters wirkt daher häufig etwas künstlich oder unnatürlich. 

Die Beschreibung der entsprechenden Synthesen finden sich im Experimentiermodul Mikrowellensynthese.

Ziel der Arbeit
Ziel der Maturaarbeit von Timo Schweizer (Kantonsschule Reussbühl, 2021) war es, Paracetamol synthetisch herzustellen und dabei zwei Prozessführungen direkt miteinander zu vergleichen: zum einen die klassische Umsetzung im Dreihalskolben, zum anderen die mikrowellenunterstützte Synthese im Anton-Paar-Mikrowellensynthesereaktor Monowave 200 des Berzelius-Projekts.

Paracetamol ist ein Amid, genauer N-(4-Hydroxyphenyl)-acetamid (IUPAC-Name). Wie bereits bei der Verduralsynthese begegnet uns auch hier eine Acetylgruppe als zentrales strukturbildendes Element. Die Molekülstruktur gibt damit unmittelbar vor, welche Ausgangsstoffe für die Synthese eingesetzt werden müssen.

Ausgangsstoffe
Die Acetylgruppe bestimmt den ersten Ausgangsstoff: Essigsäureanhydrid, ein klassisches Acylierungsreagenz, dem wir bereits bei der Verduralsynthese begegnet sind. Es besitzt zwei reaktive Carbonylkohlenstoffatome und wirkt daher als stark elektrophiles Reagenz.

Der zweite Ausgangsstoff ist 4-Aminophenol, ein zweifach substituiertes Benzol. Neben dem aromatischen Ring trägt es eine Hydroxy- und ein Aminogruppe in para-Stellung, also einander gegenüberliegend (ortho = benachbart, meta = übernächste Stellung). Damit treffen zwei funktionell hochaktive Moleküle aufeinander: ein starkes Acylierungsmittel und ein bifunktionelles Nukleophil.   

Funktionelle Gruppen 
Essigsäureanhydrid stellt zwei Carbonylgruppen mit elektropositivem Kohlenstoff als reaktive Zentren bereit. Das 4-Aminophenol besitzt seinerseits zwei potenzielle Nukleophile: den Sauerstoff der OH-Gruppe und den Stickstoff der NH₂-Gruppe. Entscheident ist die unterschiedliche Nukleophilie dieser beiden Zentren.

Stickstoff (N) ist weniger elektronegativ als Sauerstoff (O) und stellt sein freies Elektronenpaar daher leichter für einen nukleophilen Angriff zur Verfügung. Zusätzlich ist beim Phenol das freie Elektronenpaar des Sauerstoffs in das aromatische π-System delokalisiert, was dessen Nukleophilie weiter herabsetzt.

Dieser mesomere Effekt ist zugleich der einzige direkte Einfluss des Benzolrings auf den Reaktionsmechanismus. Abgesehen davon bleibt der Aromat – zumindest auf den ersten Blick – Zuschauer. Oder doch nicht?   

Nukleophile Acylsubstitution oder elektrophile aromatische Substitution?
Formal betrachtet liegen mit para-Aminophenol und Essigsäureanhydrid ein aktivierter Aromat und ein elektrophiles Reagenz vor – eine Konstellation, wie sie auch bei elektrophilen aromatische Substitutionen auftritt. Sowohl die Amino- als auch die Hydroxygruppe aktivieren den Aromaten durch Elektronendonation, schieben also ihr freies Elektronenpaar in den Aromaten.

Trotzdem findet keine elektrophile aromatische Substitution statt. Stattdessen reagiert die Aminogruppe direkt mit dem Carbonylkohlenstoff des Säureanhydrids. Der Grund liegt in der Konkurrenz der Reaktionswege: Die Acylierung des Amins verläuft kinetisch deutlich günstiger, da sie ohne Aufhebung der Aromatizität erfolgt und eine geringere Aktivierungsenergie besitzt. Sobald das Amin acyliert ist, verliert der Aromat zudem einen wesentlichen Teil seiner Aktivierung, so dass eine elektrophile Substitution weiter unterdrückt wird.  

Reaktionstyp nukleophile Acylsubstitution
Die ablaufende Reaktion ist eine nukleophile Acylsubstitution nach dem Additions-Eliminierungs-Mechanismus. Der nukleophile Angriff der Aminogruppe führt zur Bildung eines Amids – Paracetamol. Chemisch handelt es sich um eine N-Acetylierung, die ein N-substituiertes Carbonsäureamid liefert. Genau dieser eine Schritt verwandelt ein reaktives potenziell toxisches Aminophenol in einen weltweit eingesetzten Arzneistoff.   

Durchführung
In der Diplomarbeit von Ricarda Kristin Ringdörfer ist die Paracetamolsynthese im Mikrowellensynthesereaktor detailliert beschrieben, einschliesslich der Optimierung des Stoffmengenverhältnisses der Reaktanten. Timo Schweizer folgte dieser Vorschrift.

In ein 10-mL-Reaktionsgefäss gab er 1.09 g 4-Aminophenol (10 mmol), 1.276 mL Essigsäureanhydrid (13.5 mmol) sowie 2 mL destilliertes Wasser. Die Synthese erfolgte im Anton-Paar-Mikrowellensynthesereaktor Monowave 200 bei 160 °C über eine Reaktionszeit von 5 Minuten. 

Wasser absorbiert Mikrowellenstrahlung aufgrund seines hohen dielektrischen Verlustfaktors besonders effizient und ermöglicht eine schnelle Erwärmung des Reaktionsgemisches. Auch das Essigsäureanhydrid trägt durch seine Mikrowellenabsorption zu den kurzen Reaktionszeiten bei.

Ergebnis
Alles weiteren Details zu Reaktionsverlauf, Aufarbeitung und Ausbeute des hergestellten Paracetamols sind in Timos Maturaarbeit dokumentiert. Informationen zur Qualitätskontrolle mittels FTIR-Spektroskopie finden sich im BLJ zur IR. 

In einem Interview mit Timo Schweizer erfahrt ihr mehr zur Paracetamolsynthese. Zudem gibt es noch hilfreiche Tipps rund um das Thema Maturaarbeiten.    

Paracetamol – Entdeckung, Wirkung und Bedeutung
Paracetamol ist keineswegs ein modernes Medikament. Bereits im Jahr 1878 synthetisierte der US-amerikanische Chemiker Harmon Northrop Morse (1848–1920) Paracetamol erstmals an der Johns Hopkins Universität in den USA. Die Verbindung entstand nicht zufällig, sondern im Rahmen systematischer Untersuchungen zu Anilid-Derivaten. Morse stellte Paracetamol durch Acetylierung von para-Aminophenol her – exakt derselbe Reaktionsschritt, den wir auch in dieser Arbeit durchgeführt haben.  

In den 1870er Jahren beschränkte sich die Bedeutung von Paracetamol noch auf den akademischen Bereich; eine medizinische Anwendung war zunächst nicht absehbar. 

Pharmakologische Wirkung erst spät erkannt
Die schmerzstillende Wirkung von Paracetamol wurde erst 15 Jahre später erkannt. Einen entscheidenden Beitrag leistete 1893 der deutsche Mediziner Joseph von Mering (1849–1908). Er zeigte, dass Paracetamol ein Hauptmetabolit von Acetanilid und Phenacetin im menschlichen Körper ist. Beide Substanzen waren bereits als Schmerzmittel im Einsatz, verursachten jedoch erheblich Nebenwirkungen, insbesondere Methämoglobinämie – eine Störung des Sauerstofftransports im Blut – sowie Nierenschäden.

Paracetamol erwies sich hingegen als wirksam und deutlich besser verträglich.  Die medizinische Etablierung erfolgte schliesslich in den 1940er- und 1950er-Jahren, als Paracetamol gezielt als Wirkstoff eingesetzt und industriell produziert wurde. Seine therapeutische Bedeutung ist damit kein Zufallsprodukt, sondern das Ergebnis systematischer pharmakologischer Metabolismus-forschung.

Name, Formel, Eigenschaften

• IUPAC-Name: N-(4-Hydroxyphenyl)acetamid)
• Summenformel: C₈H₉NO₂
• Molmasse: 151.16 g·mol⁻¹
• Strukturtyp: aromatisches Amid (Phenol + Acetamid)
• Aussehen: weisses bis schwach cremefarbenes, kristallines Pulver
• Schmelzpunkt: 169–171 °C
• Zersetzung: keine klare Siedetemperatur (zersetzt sich vor dem Sieden)
• Dichte (fest): ca. 1.29 g·cm⁻³
• pKₐ (phenolische OH-Gruppe): ca. 9.5

Einordnung: Chemie, Medizin und Verantwortung
An Kritikerinnen und Kritiker von Pharmazeutika: Ich gehe lieber zu meinem Zahnarzt als zu Demokrits oder Platons Zahnarzt. Damit möchte ich nicht sagen, dass ich der Einnahme von Pharmazeutika unkritisch gegenüberstehe. Auch ich selbst greife zu Paracetamol nur dann, wenn es wirklich nicht mehr anders geht.

Was ich damit sagen möchte, ist grundsätzlicher Natur. Die Chemie – und mit ihr die pharmazeutische Chemie – hat es geschafft, Schmerz und Leid der Menschen in einem bislang nie gekannten Ausmass zu reduzieren. Besonders deutlich zeigt sich dies an der weltweit drastisch gesunkenen Kindersterblichkeit. Medikamente sind kein Allheilmittel, aber sie stellen zweifelsohne einen enormen zivilisatorischen Fortschritt dar.

Ziel der Arbeit
Ziel der Arbeit von Nirma Mesterbasic von der Kantonalen Maturitätsschule für Erwachsene (KME) in Zürich war die Synthese von Acetylsalicylsäure, besser bekannt unter seinem Handelsnamen Aspirin, im Mikrowellensynthese-reaktor. Wie beim Verdural liegt mit Aspirin ein O-Acetylester vor, während es sich beim Paracetamol um einen N-Acetylester handelt. Die drei Synthesen unterscheiden sich somit nicht im Acylierungsreagenz, wohl aber in der funktionellen Gruppe, die acetyliert wird.

Ausgangsstoffe
Auch bei dieser Synthese kommt Essigsäureanhydrid als Acylierungsreagenz zum Einsatz. Es reagiert bei der Aspirinsynthese mit Salicylsäure, einer aromatischen Verbindung, die sowohl eine phenolische Hydroxygruppe als auch eine Carboxylgruppe trägt. Beide funktionellen Gruppen stehen in benachbarter ortho-Stellung zueinander.  

Die Reaktion
Wie bereits beim (Z)-Hex-3-en-1-ol fungiert auch bei der Salicylsäure die Hydroxygruppe als Nukleophil, die an einem der beiden elektrophilen Carbonylkohlenstoffatome des Essigsäureanhydrids angreift. Unter Abspaltung einer Acetylgruppe entsteht die Acetylsalicylsäure. Chemisch handelt es sich um eine nukleophile Acylsubstitution mit Bildung eines O-Acetylesters.  

Durchführung
Nirma gab in ein 10-mL-Mikrowellenvial mit Rührfisch 10 mmol Salicylsäure (1,38 g) und 12,6 mmol Essigsäureanhydrid (1,19 mL). Die Estersynthese erfolgte im Anton-Paar-Mikrowellenreaktor Monowave 200 bei 140 °C über eine Reaktionszeit von 3 Minuten. Das Reaktionsgemisch besitzt eine ausreichende Absorptionsfähigkeit für Mikrowellenstrahlung. Insbesondere Essigsäureanhydrid und die während der Reaktion entstehende Essigsäure nehmen Mikrowellenenergie auf und ermöglichen so eine schnelle Erwärmung des Reaktionsgemisches.

Nach Abschluss der Reaktion überführte Nirma das Reaktionsgemisch in einen 25-mL-Erlenmeyerkolben mit Eis und rührte es 30 Minuten. Den dabei entstehenden weissen Niederschlag filtrierte sie mithilfe eines Büchnertrichters ab und wusch ihn mit kaltem Wasser.

Ergebnis
Ausbeuten, Reinheit und das genaue experimentelle Vorgehen sind Nirmas Maturaarbeit zu entnehmen. 

 
 

Aspirin ist kein modernes Medikament. Es ist vielmehr die chemische Präzisierung eines jahrtausendealten Wissens. Lange bevor die Chemiker die Bindungsgrammatik des Kohlenstoffs verstanden, wusste die Menschheit, dass Weidenrinde Fieber senkt und Schmerzen lindert. In Mesopotamien, im alten Ägypten und später bei Hippokrates wurde sie als Arznei verwendet. Der Wirkstoff war vorhanden – nur unsichtbar, gebunden in Pflanzen, verborgen hinter Erfahrung und Tradition.

Salicin
Erst im 19. Jahrhundert begann die Chemie, dieses Wissen systematisch zu zerlegen. In den 1820er Jahren identifizierte man Salicin als wirksame Substanz der Weidenrinde. Daraus gewann man Salicylsäure zunächst aus Naturstoffen; erst einige Jahre später gelang mit der Kolbe-Schmitt-Reaktion im Jahr 1859/1860 ihre vollständige synthetische Herstellung. Doch Salicylsäure hatte einen entscheidenden Nachteil: Sie reizte den Magen massiv. Chemisch effektiv – physiologisch brutal.

Der entscheidende Schritt war daher nicht die Entdeckung einer neuen Wirkung, sondern eine gezielte chemische Modifikation. Durch die Acetylierung der phenolischen OH-Gruppe entstand Acetylsalicylsäure. Dieses Molekül war weniger aggressiv, besser verträglich – und dennoch wirksam.

Der französische Chemiker Charles Frédéric Gerhardt, dem wir bereits im Zusammenhang mit der Typentheorie begegnet sind, stellte diese Verbindung schon 1853 her, indem er die phenolische OH-Gruppe acetylierte, d. h. mit einem Essigsäurerest versah. Die Substanz geriet jedoch zunächst in Vergessenheit, da sie schwer zu reinigen war und sich technisch nicht zuverlässig herstellen liess. 

Hoffmanns Acetylierungen
Erst 1897 gelang es dem bei Bayer tätigen Chemiker Felix Hoffmann (1868–1946), Acetylsalicylsäure reproduzierbar und in reiner Form herzustellen. Bayer erkannte das medizinische und wirtschaftliche Potenzial und brachte das Präparat 1899 unter dem Namen Aspirin auf den Markt. Der Name ist ein Produkt chemischer Sprache: «A» für Acetyl, «spir» von Spiraea, einer salicylathaltigen Pflanze, und das damals modische «-in». Aspirin war von Beginn an mehr als ein Schmerzmittel. Tonnenweise produziert und millionenfach eingenommen, wurde es zu einem der ersten global verkauften Medikamente.

Hoffmann erzielte mit einer weiteren Acetylierung einen ebenso folgenreichen Erfolg. Er setzte Morphin mit Essigsäureanhydrid um und erhielt ein gut kristallisierendes Produkt mit ausgeprägter schmerz- und hustenstillender Wirkung. Es sollte auch die Morphiumsucht heilen. Sein Name: Heroin. 

Name, Formel, Eigenschaften
Name: Acetylsalicylsäure (ASS)
IUPAC-Name: 2-(Acetyloxy)benzoesäure
Summenformel: C₉H₈O₄
Molmasse: 180.16 g·mol⁻¹
Strukturtyp: aromatische Carbonsäure mit Esterfunktion (Benzoesäure + Acetylester)
Aussehen: weisser, kristalliner Feststoff
Schmelzpunkt: 135–136 °C
Zersetzung: beginnt beim Schmelzen; teilweise Hydrolyse unter Abspaltung von Essigsäure
Dichte (fest): ca. 1.40 g·cm⁻³
pKₐ (Carboxylgruppe): ca. 3.5   

Ziel der Arbeit
Emilia Skolik, Schülerin der Kantonsschule Zimmerberg, setzte sich in ihrer Maturaarbeit zum Ziel, die klassische Synthese des Antibiotikums Sulfathiazol mit einer mikrowellengestützten Synthese zu vergleichen. Im Fokus standen dabei die Kriterien Reaktionszeit, Ausbeute und Produktqualität.

Die Arbeit ist anspruchsvoll, da die Herstellung von Sulfathiazol eine Dreistufensynthese umfasst, was sowohl den experimentellen Aufwand als auch die Möglichkeit von Synthesefehlern deutlich erhöht. Zusätzlich bestand die Herausforderung darin, dass – im Gegensatz zu den Synthesen von Paracetamol und Aspirin – keine ausgearbeitete Synthesevorschrift für eine mikrowellengestützte Synthese von Sulfathiazol vorlag. Emilia und das Berzelius-Team mussten daher die optimalen Reaktionsbedingungen für die Mikrowellensynthese selbst herausfinden. 

Erschwerend kam hinzu, dass das in der klassischen Synthese eingesetzte Lösungsmittel Pyridin nur eine sehr schwache Absorptionsfähigkeit für Mikrowellenstrahlung besitzt, wodurch eine einfache Übertragung der klassischen Reaktionsbedingungen auf die Mikrowellensynthese nicht besonders erfolgsversprechend war. Der Einsatz mikrowellentauglicherer Lösungsmittel lag nahe.  

Ausgangsstoffe 
Emilia folgte in der klassischen Synthese einer Anleitung der Kantonschule Baden. Die Synthese startete beim Acetanilid, einem aromatischen Amid, das sich von Paracetamol lediglich durch das Fehlen einer phenolischen Hydroxygruppe unterscheidet. Im menschlichen Körper wird Acetanilid unter anderem zu Paracetamol metabolisiert, d. h. formal in para-Stellung hydroxyliert.

In der ersten Reaktionsstufe setzte Emilia Acetanilid mit Chlorsulfonsäure um. Dabei entstand durch elektrophile aromatische Substitution das para-Acetamidobenzolsulfonylchlorid (p-ABSC). In der zweiten Stufe reagierte das p-ABSC mit 2-Aminothiazol (2-AT) unter Bildung von N-Acetylsulfathiazol (N-AST). Im letzten Reaktionsschritt wurde N-AST zunächst basisch hydrolysiert und anschliessend durch Ansäuren in das Zielprodukt Sulfathiazol überführt. 

Erste Reaktionsstufe: Bildung von p-ABSC 
p-ABSC entsteht durch eine elektrophile aromatische Substitution am Acetanilid. Die Acetamidgruppe (–NHCOCH₃) aktiviert den aromatischen Ring über ihren +M-Effekt – sie schiebt ein freies Elektronenpaar in den Ring – und dirigiert die Substitution in ortho- und para-Position. Es bildet sich bevorzugt das para-substituierte Produkt, da diese Position sterisch (räumlich) weniger gehindert ist als die ortho-Position, bei der sich die Substituenten in unmittelbarer Nachbarschaft befinden. 

Als Reagenz dient Chlorsulfonsäure (ClSO₃H). Das Schwefelatom wirkt stark elektrophil, da die S=O- und S–Cl-Bindungen stark polarisiert sind. Der aromatische Ring mit seinem Elektronenüberschuss reagiert mit dem Elektrophil, wobei eine C–S-Bindung in para-Position zur Acetamidgruppe entsteht. Dabei verliert der Ring kurzzeitig seine Aromatizität und bildet einen σ-Komplex. Nach Abspaltung eines Protons wird die Aromatizität wiederhergestellt, und para-Acetamidobenzol-sulfonylchlorid entsteht.

Zweite Reaktionsstufe: Nukleophile Substitution mit 2-Aminothiazol
Das p-ABSC dient als Ausgangsprodukt der zweiten Reaktionsstufe. Die Sulfonylchlorid-Gruppe (–SO₂Cl) enthält ein stark elektrophiles Schwefelatom, das leicht von Nukleophilen angegriffen wird.

Das Zielmolekül Sulfathiazol enthält einen Thiazolring, einen fünfgliedrigen Heterozyklus, in dem Stickstoff und Schwefel über sp²-hybridisierte Kohlenstoffatome in den Ring eingebaut sind. Das eingesetzte 2-Aminothiazol liefert diesen Strukturbestandteil.

Die Aminogruppe des 2-Aminothiazols wirkt als Nukleophil und greift das Schwefelatom des Sulfonylchlorids an. Dabei entsteht kurzzeitig ein tetraedisches Zwischenprodukt. Zuletzt spaltet sich ein Chloridion ab, und es bildet sich N-Acetylsulfathiazol.

Dritte Reaktionsstufe: Abspaltung der Acetylgruppe
In der letzten Stufe wird die Acetylgruppe am Stickstoff entfernt. Dazu wird N-Acetylsulfathiazol mit Natronlauge erhitzt, wobei eine basische Hydrolyse der Acetamidgruppe erfolgt.

Nach anschliessender Neutralisation mit Salzsäure liegt das Zielprodukt Sulfathiazol in freier Form vor. 

Durchführen der mikrowellengestützten Synthese
Aufgrund der Komplexizität der Dreistufensynthese beschränkte sich Emilia bei der mikrowellengestützten Synthese auf die letzten beiden Syntheseschritte: die Umsetzung von handelsüblichem para-Acetamido-benzolsulfonylchlorid mit 2-Aminothiazol sowie die Abspaltung der Acetylgruppe  von der Aminofunktion.

In Vorversuchen testeten wir, ob Pyridin, ein im Vergleich wenig effizienter Mikrowellenabsorber, durch Acetonitril (CH₃–C≡N) ersetzt werden kann. Reaktionen bei Temperaturen zwischen 90 und 130 °C und Haltezeiten von 10 bis 30 Minuten führten jedoch nicht zur Bildung von N-Acetylsulfathiazol. Die ausgeprägte Schwarzfärbung der Reaktionsansätze deutete vielmehr auf Neben- bzw. Zersetzungsreaktionen hin. Aus Zeitgründen verfolgten wir eine weitere Optimierung dieses Ansatzes nicht und setzten Pyridin ein, wie auch bei der klassischen Synthese.

Während der mikrowellengestützten Umsetzung in Pyridin zeigte sich jedoch ein weiteres Problem: p-ABSC und 2-AT lösten sich im Reaktorgefäss nur mässig, so dass ein Grossteil der Substanzen als Feststoff im Pyridin vorlag. Auch nach der Reaktion war weiterhin ungelöstes Material im Reaktorgefäss vorhanden, vermutlich nicht vollständig gelöste Ausgangsstoffe. Zur Überprüfung dieser Vermutung stoppten wir die Mikrowellensynthese bereits nach fünf Minuten: Auch zu diesem Zeitpunkt waren die Ausgangsstoffe noch nicht komplett gelöst.

Eine vollständige Lösung der Ausgangsstoffe ist für Mikrowellensynthesen jedoch von entscheidender Bedeutung, da vor allem die gelöste Phase effektiv mit dem Mikrowellenfeld koppelt. Emilia umging dieses Problem, indem sie beide Ausgangsstoffe zunächst getrennt in Pyridin löste und die Lösungen erst anschliessend gemeinsam in das Reaktorgefäss überführte. Zusätzlich erhitzte sie das Reaktionsgemisch nicht direkt auf die Reaktionsendtemperatur, sondern erhöhte die Temperatur schrittweise über mehrere Temperaturrampen, was insgesamt zu einer Verlängerung der Reaktionszeit führte.

Rückblickend ist anzunehmen, dass auch die Umsetzung in Acetonitril unter vergleichbaren Bedingungen – getrenntes Vorlösen der Edukte und kontrollierte Temperaturführung – möglicherweise erfolgreich verlaufen wäre. Eine experimentelle Überprüfung dieser Hypothese erfolgte im Rahmen der Arbeit jedoch nicht.

Reaktionsbedingungen
Emilia löste 159 mg 2-Aminothiazol (1.59 mmol) in 1 mL Pyridin. In einem zweiten Reagenzglas löste sie 398 mg p-Acetamidobenzolsulfonylchlorid (1.70 mmol) ebenfalls in 1 mL Pyridin. Beide Lösungen gab sie zusammen mit einem Rührfisch in ein 10-mL-Reaktorgefäss.

Sie erhitzte das Reaktionsgemisch zunächst auf 30 °C und hielt diese Temperatur fünf Minuten konstant. Anschliessend erhöhte sie die Temperatur auf 60 °C für weitere fünf Minuten und schliesslich auf 90 °C für nochmals fünf Minuten. Die Reaktion lieferte ein braun-rotes Öl, das Emilia in 20 mL Eiswasser goss. Dabei fiel N-Acetylsulfathiazol als Feststoff aus (siehe Videoloop im Hintergrund). Emilia filtrierte das Produkt über einen Büchnertrichter, wusch den Niederschlag mit eiskaltem Wasser und trocknete ihn im Trockenschrank.  

Entfernen der N-Acetylgruppe
Zur Abspaltung der Acetylgruppe löste Emilia 100 mg des N-acetylsulfathiazols in 1 mL 10-%iger Natronlauge. Sie erhitzte das Reaktionsgemisch im Mikrowellenreaktor zunächst auf 50 °C für fünf Minuten und anschliessend auf 90 °C für 20 Minuten. Nach Abschluss der Reaktion neutralisierte sie das Gemisch mit konzentrierter Salzsäure auf pH 6 und gab anschliessend Natriumacetat zu, bis der pH-Wert 7 erreicht war. Abschliessend erhitzte sie das Gemisch für zehn Minuten auf 100 °C im Becherglas. Nach dem Abkühlen filtrierte Emilia das ausgefallene Sulfathiazol ab, wusch es mit Wasser und trocknete es.

Ergebnis
Die Identität des N-Acetylsulfathiazols und des Sulfathiazols bestätigte Emilia mittels Schmelzpunktanalyse sowie FTIR- und NMR-Spektroskopie. Auf dieser Grundlage erwiesen sich sowohl die klassische als auch die mikrowellenunterstützte Synthese als erfolgreich; Ausbeute und Qualität der jeweiligen Produkte unterschieden sich kaum. Die Mikrowellensynthese überzeugte durch einen deutlich geringeren Arbeits- und Zeitaufwand; zudem wies das Produkt der Mikrowellensynthese eine geringere Färbung auf. MWR-Synthesen eignen sich daher besonders für die Entwicklung und Optimierung neuer Synthesewege. Die entsprechenden Spektren und zahlreiche weitere Details sind der hervorragenden Maturaarbeit von Emilia zu entnehmen.  

Antibiotika als Wendepunkt der Medizin
Antibiotika zählen zu den folgenreichsten Errungenschaften der modernen Chemie und Medizin. Sie ermöglichten erstmals eine gezielte Bekämpfung bakterieller Infektionen und veränderten die medizinische Praxis grundlegend. Während frühe Behandlungen oft unspezifisch oder rein symptomatisch waren, erlaubten Antibiotika einen direkten Eingriff in den Stoffwechsel von Mikroorganismen.

Sulfonamide – die ersten synthetischen Chemotherapeutika
Die Sulfonamide markieren dabei einen historischen Wendepunkt. Sie waren die ersten systemisch wirksamen, vollständig synthetisch hergestellten antibakteriellen Wirkstoffe. Ihre Wirkung ist bakteriostatisch: Sie hemmen die Folsäuresynthese in Bakterien, indem sie als strukturelle Analoga der para-Aminobenzoesäure in den entsprechenden Stoffwechselweg eingreifen. Dadurch wird die DNA-Synthese gehemmt und das bakterielle Wachstum gestoppt.

Sulfathiazol als Beispiel eines frühen Antibiotikums
Sulfathiazol gehört zu den frühen Vertretern dieser Stoffklasse. Die Kombination eines aromatischen Sulfonamids mit einem heterozyklischen Ringsystem verleiht dem Molekül sowohl ausreichende Stabilität als auch biologische Wirksamkeit. Chemisch zeigt Sulfathiazol exemplarisch, wie gezielte strukturelle Modifikationen die pharmakologischen Eigenschaften eines Moleküls beeinflussen können. Historisch steht es für den Übergang von zufällig entdeckten Wirkstoffen hin zu rational entworfenen Arzneimitteln.

Anwendung, Grenzen und Bedeutung
Auch heute werden Sulfonamide noch eingesetzt, häufig in Kombination mit anderen Wirkstoffen, um ihre Wirksamkeit zu erhöhen und Resistenzbildungen zu reduzieren. Gleichzeitig machen Nebenwirkungen wie Haut- oder allergische Reaktionen deutlich, dass medizinische Wirksamkeit stets mit chemischer Eingriffstiefe und biologischen Grenzen verbunden ist. Mit der Einführung moderner Antibiotika verloren viele klassische Sulfonamide zwar an Bedeutung, ihr konzeptioneller Beitrag bleibt jedoch zentral. Sie demonstrieren, dass medizinische Wirkung nicht zwingend aus der Natur stammen muss, sondern das Ergebnis bewusster chemischer Gestaltung sein kann. Sulfathiazol steht damit exemplarisch für eine Phase, in der Chemie begann, gezielt in biologische Ordnungssysteme einzugreifen.


Name, Formel, Eigenschaften

• IUPAC-Name: 4-Amino-N-(1,3-thiazol-2-yl)benzensulfonamid
• Summenformel: C₉H₉N₃O₂S₂
• Molmasse: 255.32 g·mol⁻¹
• Strukturtyp: aromatisches Sulfonamid mit Heterozyklus
• (p-Aminobenzolsulfonamid + Thiazolring)
• Aussehen: weisser bis leicht gelblicher, kristalliner Feststoff
• Schmelzpunkt: ca. 200–204 °C
• Zersetzung: zersetzt sich bei höheren Temperaturen; kein sauberes Schmelzen bei starker Erhitzung
• Dichte (fest): ca. 1.5 g·cm⁻³ (literaturabhängig, selten exakt angegeben)
• pKₐ: Sulfonamid-NH: ca. 7.4, Anilinium-NH₂ (protoniert): ca. 2

Neben den hier beschriebenen organischen Synthesen in Lösung (Ester, Amide etc.) können wir in den MWR metallorganische Reaktionen, Redoxreaktionen, Monomersynthesen, Polymersisationen und vieles mehr durchführen. Nachfolgend sind einige Beispiele aufgeführt, die sich hervorragend für Maturaarbeiten eigen. 

Weitere Antibiotika
p-Acetamidobenzylsulfonylchlorid ist ein häufig eingesetztes Zwischen- bzw. Aufgangsprodukt in der Synthese von Sulfonamiden. Die Umsetzung mit Ammoniak führt zu Sulfanilamid, die mit 2-Aminopyridin zu Sulfapyridin, alles bekannte Antibiotika. Um viele weitere Sulfa-Pharmazeutika geht es in dem sehr lesenswerten CHIMIA-Artikel Sulfa-drugs as Topic for Secondary School Chemistry – Effects, Side Effects and Structural Causes von Roger Deuber, Urs Leisinger und Amadeus Bärtsch.

Amide/Acrylamide (z. B. Acrylamid-Synthesen)
Diese Verbindungen sind sowohl chemisch interessant (funktionelle Monomere) als auch industriell relevant (Vorstufen für Polymere). Acrylamide lassen sich in den MWR unter Mikrowellenbestrahlung in wenigen Minuten mit sehr hohen Ausbeuten herstellen – Reaktionszeiten, die konventionell oft mehrere Stunden betragen. Ursache ist die effiziente Energieaufnahme polarer Zwischenstufen und die schnelle Erwärmung des Reaktionssystems. Interessant für den Unterricht ist hier, dass sich klassische Kondensationsreaktionen (Säure + Amin) mit modernen Fragestellungen verbinden lassen: Reaktionskinetik, Energieeintrag, Selektivität und Nebenproduktvermeidung. Gleichzeitig schlagen die Acrylamide die Brücke von der Molekülchemie zur Materialchemie.

In-situ-Transferhydrierung (ohne Wasserstoffgas)
Hydrierungen – eine zentrale Reaktionsklasse der organischen Chemie – können sehr effizient mikrowellengestützt durchgeführt werden. Besonders interessant ist dabei die in-situ-Erzeugung von Wasserstoff: Statt mit Wasserstoffgas zu arbeiten, wird der benötigte Wasserstoff direkt im Reaktionsgemisch aus einfachen Verbindungen (z. B. Cyclohexen, Ameisensäure, Formiate) freigesetzt und sofort umgesetzt. Durch die Mikrowellenheizung laufen diese Reaktionen deutlich schneller, oft unter milderen Bedingungen und mit hohen Umsätzen ab. Gleichzeitig entfällt der Umgang mit Druckgasen, was die Methode sicher, schultauglich und experimentell elegant macht. Es lassen sich nicht nur C=C-Doppelbindungen hydrieren, sondern auch funktionelle Gruppen selektiv reduzieren.

Polymersynthesen (ringöffnend, radikalisch, enzymatisch)
Mikrowellenstrahlung beschleunigt nicht nur niedermolekulare Reaktionen, sondern lässt auch Polymerisationen deutlich effizienter ablaufen. Möglich sind u. a.:

• kationische ringöffnende Polymerisationen (z. B. von Oxazolinen),
• radikalische Polymerisationen,
• sowie enzymatisch katalysierte ringöffnende Polymerisationen (z. B. ε-Caprolacton).

Die Ergebnisse aus Helmut Ritters GIT-Artikel zu Mikrowellensynthesen zeigen verkürzte Reaktionszeiten, höhere Umsätze und oft eine bessere Kontrolle über die Polymerstruktur. Besonders bemerkenswert ist, dass auch grüne Ansätze diskutiert werden: enzymatische Polymerisationen ohne toxische Metallkatalysatoren, bei denen Mikrowellen den Energieeintrag gezielt liefern.  

Weitere Ideen? Die Synthesechemiker im Berzelius-Projekt helfen und beraten gerne. 

Aldersey-Williams Hugh, Das wilde Leben der Elemente Eine Kulturgeschichte der Chemie, 2011. Carl Hanser Verlag, DTV, München.

Dunsch, Lothar, Jöns Jacob Berzelius, 1986, Biographien hervorragender Wissenschaftler, Techniker und Mediziner, 85, 136 Seiten.

Gabriel, Markus, Der Mensch als Tier: Warum wir trotzdem nicht in die Natur passen, 2023, Ullstein Buchverlage GmbH, 352 Seiten. 

Hoffmann, Roald, Sein und Schein Reflexionen über die Chemie, 1995, Wiley-VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim. 

Kaufmann, Heinz, Grundlagen der organischen Chemie, 1985, 7. Auflage, Birkhäuser Basel.

Neubauer, Dieter,  Kekulés Träume Eine andere Einführung in die Organische Chemie, 2014. Springer -Verlag Berlin Heidelberg.

Priesner, Claus, Chemie Eine illustrierte Geschichte, 2015, Theiss Verlag, Wissenschaftliche Buchgesellschaft, WBG, Darmstadt. 

Russell, Bertrand, Philosophie des Abendlandes, 2012, Nikol Verlag. 

Russel, Bertrand, Denker des Abendlandes, 2012, Anaconda Verlag GmbH, 858 Seiten.

Sacks, Oliver, Onkel Wolfram Erinnerungen, 2002, 1. Auflage, Rowohlt Verlag GmbH, Reinbeck bei Hamburg.

Schwedt, Georg, Chemie und Literatur ein ungewöhnlicher Flirt, 2009, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. 

Strube, Wilhelm, Geschichte der Chemie Band 1 und 2, 1999, 1. Auflage, Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart.   

Friedel-Crafts-Synthese 
Im Jahr 1877 entwickelten der französische Chemiker Charles Friedel (1832–1899) und sein US-amerikanischer Freund James Mason Crafts (1839–1917) Reaktionen, mit denen sich aromatische Ringe wie Benzol gezielt mit aliphatischen Gruppen verknüpfen lassen – die bis heute berühmte Friedel-Crafts-Synthese.  

Funktionsgruppen verschieben, einführen, austauschen
Organische Moleküle werden wesentlich durch ihre Funktionsgruppen charakterisiert – etwa Alkohol-, Carboxyl-, Ester- oder Amingruppen. Viele klassische Synthesen der organischen Chemie sind darauf ausgerichtet, diese Funktionsgruppen gezielt zu verändern, einzuführen oder ineinander umzuwandeln: Ein Alkohol und eine Säure werden zu einem Ester verknüpft, eine Seitenkette wird an ein Kohlenstoffgerüst angehängt oder eine besonders reaktive Gruppe eingeführt.

Kondensation: Bausteine zu grösseren Einheiten verbinden
Bei Kondensationsreaktionen verbinden sich zwei Moleküle unter Abspaltung eines kleinen Moleküls, meist Wasser. Entscheidend ist, dass dabei neue Bindungen entstehen,  häufig C–C-Bindungen, und aus einfachen Bausteinen komplexere Strukturen aufgebaut werden. Viele Natur- und Farb-, aber auch Arzneistoffe wurden auf diese Weise synthetisierbar.

Oxidationen am C-C-Gerüst
Reaktionen wie die Kondensation, die Wurtz-, Fittig- oder Friedel-Crafts-Synthese nehmen wir meist nicht als Oxidationen wahr. Es geht bei Redoxreaktionen nicht immer um den Einbau von Sauerstoff. Bei den beschriebenen Reaktionen handelt es sich um Redoxreaktionen am Kohlenstoffgerüst. Beim Knüpfen neuer C–C-Bindungen ändern sich die Oxidationszustände der beteiligten Kohlenstoffatome, während Metalle oder Katalysatoren als Elektronenakzeptoren dienen. Damit greift das Redoxkonzept nicht nur bei Funktionsgruppen, sondern auch beim gezielten Aufbau von Kohlenstoffgerüsten. Im Hauptstrang sehen wir, wie sich das Konzept der Elektrophile und Nukleophile auch aus dem Blickwinkel der Redoxreaktionen betrachten lässt.     

Vanillin, Saccharin und Indigo
Der deutsche Chemiker Ferdinand Tiemann (1848–1899) synthetisierte 1874 das Vanillin, den charakteristischen Aromastoff der Vanilleschote.
1879 folgte die Entdeckung und Synthese des Saccharins, eines intensiven Süssstoffs. Zwischen 1866 und 1883 klärte der deutsche Chemiker und Kekulé-Schüler Adolf Baeyer (1835–1917) die Konstitution des Indigos auf und entwickelte eine technisch nutzbare Synthese. Gerade das Indigomolekül steht für die Vielseitigkeit des Kohlenstoffs. In ihm alleine kommen C-C-Einfach-, C=C-Doppel-, C-N-C- und C=O-Doppelbindungen sowie Fünfringe mit N-Heteroatom und ankondensierte Sechsringe aus lauter Kohlenstoffatomen vor. Eine schwer zu überschätzende Leistung von Baeyer, der dafür im Jahr 1905 den Nobelpreis für Chemie erhielt. Die Indigosynthese war eine Initialzündung. Naturfarbstoffe, Aromen und Heilpflanzen wurden zunehmend nicht mehr nur beschrieben, sondern als klar definierte Zielmoleküle verstanden, deren Aufbau sich schrittweise planen, im Labor realisieren und schliesslich industriell umsetzen liess. 

Von Einzelreaktionen zur Reaktionsgrammatik
Diese Beispiele liessen sich fast endlos fortsetzen. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts waren bereits unzählige organische Verbindungen bekannt und synthetisch zugänglich. Betrachtet man diese Entwicklung im Rückblick, ist sie umso beeindruckender, wenn man bedenkt, dass bis in die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts noch heftig darüber gestritten wurde, was Atome und Moleküle überhaupt sind.

Während Kekulé, Couper und andere Strukturformeln entschlüsselten und Bindungsregeln aufstellten, entwickelten Wurtz, Fittig, Kolbe, Friedel, Crafts, Baeyer und viele andere die passende Praxis dazu, also Reaktionen, mit denen sich diese Regeln im Experiment umsetzen liessen.

Grundprinzipien der C-C-Bindungsknüpfungen
Hinter den vielen Namen und Jahreszahlen stehen einige wenige Grundprinzipien organischer Reaktionen – das gezielte Knüpfen von C–C-Bindungen, das Verbinden kleiner Bausteine durch Kondensation, das Einführen bzw. Umwandeln von Funktionsgruppen über reaktive Zwischenstufen. Im Haupterzählstrang zeigen wir anhand ausgewählter Beispiele, wie sich diese Prinzipien bis in moderne Synthesen hinein verfolgen lassen. Am eindrücklichsten, wenn ihr diese Reaktionen selbst durchführt, klassisch und/oder im Berzelius-Mikrowellenreaktor.  

Die Erde, so Anaximanders Vorstellung, ruhe nicht auf Stützen, sondern schwebe frei im Raum – gehalten durch das Gleichgewicht der Kräfte. Eine revolutionäre Idee, die auf ein universelles Prinzip statt auf Mythologie setzte. Damit war Anaximander ein Proto-Rationalist, fast ein Jahrhundert bevor Parmenides Denken und Wahrnehmung voneinander trennte. Ca. 150 Jahre später griff der Philosoph Philolaos (470–399 v. d. Z.), ein Zeitgenosse von Sokrates, diesen Mut zum Prinzip auf und ging noch weiter. Er setzte die Erde in Bewegung, – gegen den Augenschein, gegen die Sinneserfahrungen. 

Wie der österreichische Wissenschaftsphilosoph Paul Feyerabend (1924–1994) spöttisch schreibt, war Philolaos kein exakter Mathematiker, sondern eher ein «unmathematischer Wirrkopf». Doch gerade deshalb hatte er den Mut, sich über das Offensichtliche hinwegzusetzen und eine radikal neue Ordnung des Himmels zu denken. «Wirrköpfe und oberflächliche Denker», schreibt Feyerabend in Wider den Methodenzwang, «schreiten voran, während tiefe Denker in die dunkleren Regionen des Status quo hinabsteigen.»

Was uns Anaximander und Philolaos zeigen: Der Fortschritt beginnt oft dort, wo jemand bereit ist, den Augenschein zu hinterfragen – und das Denken frei schweben zu lassen.  Diese Gedanken blieben jahrhundertelang isoliert oder wurden als Kuriositäten abgetan – bis Denker der Renaissance wie Nikolaus von Kues (1401–1464), Giordano Bruno (1548–1600),  Johannes Kepler (1571–1630) und Galileo Galilei (1564–1642) sie wiederentdeckten. Zu diesen Herrn kommen wir später. 

Zum anderen führte die phytagoreische Mathematik zu einem weiteren Aspekt, der später von Platon aufgegriffen und perfektioniert wurde: die Ideenlehre oder das Universalienproblem. Der Satz des Pythagoras trifft eine Aussage über rechtwinklige Dreiecke. Nicht über ein konkretes rechtwinkliges Dreieck, sondern über alle rechtwinklige Dreiecke im Universum. Es geht also nicht um ein vor dem Auge gezeichnetes Dreieck, sondern um ein Dreieck, dass das inneren Auge sieht; es geht nicht um das sinnlich Erfühlbare, sondern um das geistig Erfassbare ausserhalb von Raum und Zeit. Von hier ist es nur noch ein Gedankenschritt zur Auffassung, dass nur das «Intelligible», das was nur mit dem Verstand zu fassen ist, wirklich, vollkommen und ewig ist, während das Wahrnehmbare nur Schein, wertlos und vergänglich wäre. Der Philosoph Parmenides greift diese Idee später wieder auf, wenn er die sinnliche Wahrnehmung der Bewegung leugnet und behauptet, es gäbe keine Bewegung.  Skeptiker und Sophisten hingegen betonten, dass der sinnliche Schein selbst eine Form der Realität sei, während der deutsche Philosoph Nietzsche (1844–1900) in radikaler Umkehrung behauptete, dass es keine «wahre» Realität jenseits der Erscheinungen gebe – der Schein sei das einzige Sein. Dieses Thema ist bis heute allgegenwärtig. Mehr zu Sein und Schein und zur Subjektivität unserer Wahrnehmung gibt es im Laborjournal zur Photometrie.

Zurück zur Ideenlehre: Die Idee oder die Form von etwas ist so eine Art Urbild, eine allgemeingültige, logisch-formale Antwort auf die Frage, was etwas ist. Platons Ideenlehre ist hier schon in mehr als groben Zügen zu erkennen. Wie Bertrand Rusell in seiner Philosophie des Abendlandes schreibt, erweist sich der Platonismus bei entsprechender Analyse als Pythagorismus. Mehr zu Platons Ideenlehre in diesem Video.

In Josteins Gaarders grossartigem Roman Sofies Welt erhält die fünfzehnjähige Sophie mysteriöse Briefe mit Fragen wie «Wer bist du?» oder «Woher kommt die Welt?». Direkt zu Anfang  – wo auch sonst? – im Kapitel über die Naturphilosophen finden wir auch die Frage, die uns in diesem Laborjournal umtreibt:
 
«Gibt es einen Urstoff, aus dem alles gemacht ist?»

Nachdem Sofie in weiteren Briefen die Grundideen von Thales, Anaximander, Anaximenes, Parmenides, Heraklit sowie Empedokles und Anaxagoras kennenlernt, wird sie in einem weiteren Brief mit der Frage konfrontiert, warum Legosteine das genialste Spielzeug der Welt seien. Sie kramt ihre seit Ewigkeiten nicht mehr benutzten Legos hervor und fängt an damit zu bauen. Dabei denkt sie:

«Mit Legosteinen zu bauen ist leicht, dachte sie. Obwohl sie von unterschiedlicher Größe und Form sind, können alle Legosteine mit anderen zusammengesetzt werden. Außerdem sind sie nicht kaputtzukriegen.»

Aus den Briefen erfährt sie, dass Legosteine so ungefähr alle Eigenschaften haben, die Demokrit den Atomen zugeschrieben hat.

In der auf dem Buch basierenden Graphic Novel erscheint Sophie ein aus Lego bestehender, sprechender Demokrit, der ihr seinen Atomismus (auch als Materialismus bezeichnet) erklärt. Demokrit entwickelte seine Atomtheorie vor weit mehr als Zweitausend Jahren. Kein Zufall, sondern ein rein dialektischer Prozess, ohne dass ihm irgendwelche Hightech-Geräte zur Verfügung standen.  

Dante Alighieris Göttliche Komödie (La Divina Comedia) ist ein einzigartiges Epos der Weltliteratur an der Grenze zwischen Mittelalter und Neuzeit. Wir treffen hier auf bekannte Akteure aus der Suche nach der Ordnung der Welt. Doch erst einmal, worum geht es hier? Dante beschreibt wie er im Finstern des Waldes – er hat keinerlei Ahnung, wie er dorthin kam – von drei wilden Tieren, Panther, Löwe und Wölfin – Sinnbilder für Fleischeslust, Hochmut und Habgier – vom Weg ins Jenseits abgedrängt wurde. Für die Reise durch Hölle und Purgatorium schickt ihm die Jungfrau Maria einen Helfer, den römischen Dichter Vergil. Ins Paradies führt ihn schliesslich seine Jugendliebe Beatrice. Auf eindrückliche Weise lässt Dante, der das gesamte Wissen seiner Zeit vereinigte, uns an den Anschauungen der Naturwissenschaften um das Jahr 1300, als es die Chemie noch gar nicht gab, teilhaben.

Die Hölle ist ein Kosmos menschlicher Verfehlungen. Sie besteht aus neun Kreisen, die sich mit zunehmender Schlechtigkeit trichterförmig in Richtung Erdmittelpunkt, wo Satan gefangen gehalten wird, verjüngen.
Die neun Kreise bestehen aus:

• Vorhölle,
  
• Lust,
  
• Völlerei,
  
• Gier,
  
• Zorn,
  
• Häresie,
  
• Gewalt,
  
• Betrug,
  
• Verrat

Im vierten Gesang des Teils «Die Hölle» durchschreiten Dante und Vergil den ersten Höllenkreis, die Vorhölle, den Aufenthaltsort der Ungetauften und Ungläubigen. Hier im Limbo, einer mangelhaften Version des Himmels, wohnt auch Vergil. In diesem Höllenkreis lässt Dante eine Schar antiker Gestalten auftreten: Dichter, Gestalten aus Politik und antiker Mythologie sowie unsere griechischen, nach dem Urstoff suchenden Naturphilosophen Heraklit, Demokrit, Anaxagoras, Empedokles und allem voran auch den Meister und die unbestrittene Autorität des Mittelalters Aristoteles mit Platon und Sokrates im Schlepptau. 

Im dritten Kreis dann erfahren wir auch von den damals bekannten wichtigsten Metallen, Gold, Silber und Kupfer. 

Die Alchemisten Griffolino von Arrezo und Capocchio hat`s ganz übel erwischt; sie trifft Dante im achten Höllenkreis, wo letzterer sagt: «Ich hab gefälscht mit Alchimie Metalle.»

Hier gibt es eine Zusammenfassung von Dantes und Vergils Reise durch die Hölle, Dantes Inferno

Humphrey Davy war unnachahmlich in Stil und Sprache. Mary Shelley besuchte mit ihrem späteren Ehemann Percy Bysshe (P.B.) Shelley Davys Vorlesungen in der Royal Institution in London. P. B. Shelley war hin und weg von Davy, und auch Mary konnte sich seiner Faszination nicht entziehen. Die Ähnlichkeiten zwischen Davy und dem fiktionalen Dr. Waldmann in ihrem späteren Roman Frankenstein oder der moderne Prometheus sind alles andere als zufällig. Dr. Waldman ist Professor für Chemie an der Universität Ingolstadt. Er ist auch Mentor von Victor Frankenstein, dem Schöpfer des Unholds. Auch der Wissenschaftler Faust, der in diesem Laborjournal vorkommt, studierte in Ingolstadt. Auch kein Zufall.

Grauenvoll, unmoralisch, gottlos, so urteilten viele Kritiker am Anfang über Shelleys Frankenstein. Der Mensch, der keinen Gott mehr hat, spielt selber Gott und schafft Leben. An der Verantwortung, die daraus erwächst, zerbricht er. Er und das Leben können diesem Leben nichts bieten.

Mary Shelley gilt als einer der grössten Autorinnen der Science-Fiction-Literatur. Die grosse Neuerung des 19. Jahrhunderts ist im Roman allgegenwärtig: die des Galvanismus. Der Protagonist Frankenstein erkennt in der Elektrizität letztendlich das Prinzip des Lebens. Denn, wie Galvani bereits bei Fröschen zeigte, kann man mit der Elektrizität sogar bei Toten Muskeln in Bewegung bringen. Das Interessante ist jedoch nicht nur die technische Möglichkeit, sondern die Frage, wie sich unser Zusammenleben ändert, wenn fundamentale Neuerungen über die Gesellschaft hereinbrechen. Science Fiction ist somit, wie der Literaturwissenschaftler Philipp Theisohn der Universität Zürich schreibt, immer auch eine Gesellschaftsgattung.  Die Ächtung von Mary Shelleys Frankenstein hielt nicht lange an. In den Zwanzigern wurde das Werk zunehmend auf Theaterbühnen in Europas Hauptstädten aufgeführt.  

Anfang des 19. Jahrhunderts bildeten die literarische und die wissenschaftliche Kultur noch eine Einheit. Das sehen wir auch im Laborjournal zur Röntgenfluoreszenzanalytik. Wie Mary Shelley nutzt auch H.G. Wells in seinem Roman Der Unsichtbare und Thomas Mann im Zauberberg die aktuellen naturwissenschaftlichen Neuerungen. Bei ihnen war es nicht die Elektrizität, sondern die Röntgenstrahlen, die sie inspirierte.

Das Urbild des literarischen Faust taucht bereits im Mittelalter auf. Doktor Jörg Faustus. Ein Mann, der ca. zwischen 1485 und 1540 in der Region um Heidelberg  gelebt hat und als Magier und Abenteurer mit allen Elementen spekulierte, einen Pakt mit dem Teufel einging und nach einem wüsten Leben zur Hölle fuhr (Umformulieren: Vorwort W. Heilmann zum Faust Teil 1..


Die Arbeit an dem Faustdrama hat Goethe ca. 60. Jahre beschäftigt.

Jetzt betrachten wir den Schwarzschild-Radius RsR_\mathrm{s}Rs​. Das ist (vereinfacht gesagt) der Radius der Ereignishorizont-Grenze eines nicht rotierenden, ungeladenen Schwarzen Lochs mit Masse MMM. Jenseits dieser Grenze kann selbst Licht nicht mehr entkommen (Fluchtgeschwindigkeit ≥c\ge c≥c).

Dann kam der nächste Deutsche: Georg Ernst Stahl (1660–1734) Naturphilosoph, Arzt und Chemiater. Anders als Stahl kein barocker Selfmade-Alchemist, sondern ein systematisch denkender Akademiker. Sein Leben verlief in ruhigeren Bahnen, doch sein Ziel war nicht weniger ambitioniert: Er wollte sein eigenes naturphilosophisches System entwerfen. Als «guter» Deutscher  jener Zeit stand er natürlich in Opposition zu René Descartes mechanistischer Weltsicht, insbesondere in Bezug auf lebendige Prozesse. Für Stahl existierte eine strikte Trennung zwischen belebter und unbelebter Materie. Er glaubte an eine dem Leben innewohnende Lebenskraft, die «vis vitalis».

Gleichzeitig distanzierte sich der Vitalist Stahl von der Alchemie, die noch von einer grundsätzlichen Einheit und Belebtheit der Materie ausging. Sein Denken war ein Schritt in Richtung moderner Chemie – wenn auch noch mit einem Bein in der Naturphilosophie. Es sollte dann wieder ein Franzose sein – der Revolutionär Antoine Lavoisier –, der dem Phlogiston knapp hundert Jahre später den Kopf abschlug. Mehr dazu im Haupterzählstrang.

Stahl widmete sich besonders der Verbrennung. Er unterschied erstmals systematisch brennbare von nicht brennbaren Stoffen. In einem für seine Zeit bemerkenswerten Vergleich stellte er die Verbrennung eines toten Körpers der Wärmeproduktion bei lebendigen Säugetieren gegenüber – ein erster Schritt zur Idee des Energiestoffwechsels.

Beim Verbrennen von Holz, Kohle oder Papier blieb stets ein Rückstand zurück, der leichter war als das Ausgangsprodukt. Daraus schloss  Stahl, dass eine unsichtbare Substanz  – das Phlogiston – während des Verbrennungsvorgangs entweichen müsse. Diese Substanz sei zwar nicht unsichtbar, müsse aber ein Gewicht haben, da sie offenbar Masse aus dem Ursprungsmaterial mit sich nahm. Und weil dieses Phänomen bei fast jeder Verbrennung auftrat, nahm Stahl an, es handle sich stets um dieselbe Substanz.

Stahl knüpfte an Bechers Prinzipienlehre an und interpretierte dessen terra pinguis als Phlogiston –  jenes hypothetische Prinzip des Brennbaren. Um seine Theorie zu stützen, führte er Experimente durch: 

• Wenn man Eisenpulver verbrennt, so Stahl, verliert es sein Phlogiston und wird zu Rost.
• Umgekehrt lässt sich Rost (Eisenoxid) mit Holzkohle wieder in metallisches Eisen zurückverwandeln –  weil die Holzkohle Phlogiston «liefert». 
• Verbrennt man Schwefel, so entzieht man ihm Phlogiston, wodurch sich Schwefelsäure bildet  –  für Stahl ein «einfacher Körper». 

Stahl erkannte, dass viel chemische Reaktionen reversibel sind – und das Verbrennung, Rosten und sogar Atmung auf denselben Reaktionstyp zurückgehen.  Eine großartige Erkenntnis: Hier taucht erstmals die Ahnung einer gemeinsamen chemischen Grundlage aller Energieprozesse auf – auch wenn das Phlogiston ein Irrtum bleiben sollte.

• Kein einheitliches Paradigma: Viele konkurrierende Theorien (Urstoff, Zahlen als Prinzip, vier Elemente, Atomismus).
• Keine «normale Wissenschaft», sondern pluralistische Spekulation.
• Diese Phase dauert sehr lange – über zwei Jahrtausende.
• Kuhn-Begriff: Vorparadigmatische Wissenschaft.

• Ab Antike und im Mittelalter lange Zeit vorherrschend.
• Integration in Philosophie, Medizin, Theologie.
• Elemente als qualitative Prinzipien, nicht messbar oder unterscheidbar durch Gewicht.
• Anomalien (Beobachtungen, die nicht ins Weltbild passen) werden ignoriert oder mythologisch gedeutet.

• Demokrit, Epikur, später Lukrez – frühe Form des Atom-Paradigmas.
• Wird als «moralisch gefährlich» unterdrückt – passt nicht in die theologisch-philosophische Weltsicht.
• Wissenschaftlicher Dissens ohne Folgen: Paradigma bleibt dominant.
• Kuhn: Wissenschaft ist auch ein sozialer Prozess – Legitimität entscheidet über Erfolg von Ideen.

• Mit der Renaissance und der Chemie der Aufklärung setzt sich die Idee durch, Stoffe durch Experimente und Messungen zu unterscheiden.
• Alchemie wird zunehmend von Chemie abgelöst.
• Neue Messinstrumente (Waagen, Reagenzgläser, Laborpraktiken) führen zu neuen Beobachtungen → Anomalien im alten Paradigma häufen sich.

• Uneinheitliche Begriffe: Was ist ein «Element» , «Atom», «Molekül»?
• Neue Entdeckungen (z. B. Gase, Metalle) passen nicht in das alte Schema.
• Zahl der bekannten Stoffe wächst → alte Modelle geraten ins Wanken.
• Chemiker beginnen, systematisch nach Ordnung zu suchen.
• Anomalien häufen sich, Krise des alten Paradigmas.

• Internationale Einigung auf Terminologie (z. B. Atommassen, Formelschreibweise).
• Wichtiger «präparadigmatischer Meilenstein»: Legt das Fundament für «normale Wissenschaft» .
• Cannizzaros Schrift verteilt in letzter Minute: Eine Art Paradigmenmanifest.

• Mendelejew, Meyer, Chancourtois ...  entwickeln unabhängig voneinander eine neue Ordnung der Elemente.
• Neue Leitidee: Periodizität physikalischer und chemischer Eigenschaften.
• Neues Paradigma: Elemente gehorchen bestimmten periodischen Gesetzen – Systematik statt blosser Aufzählung.
• Kuhn: Ein neues Weltbild etabliert sich – es erklärt mehr, ist produktiver, gewinnt Anhänger.

• Forschung im Rahmen des neuen Modells: Vorhersage neuer Elemente, Erklärung von Reaktivität, Atomstrukturen.
• Bis ca. 1910: Relativ ruhige Phase wissenschaftlicher Forschung im Sinne Kuhns.
• Wissenschaft als Puzzle-Lösen innerhalb des neuen Weltbildes.

• Rutherford, Bohr und später Schrödinger und Heisenberg verändern das Verständnis von Atomen radikal.
• Die alte Vorstellung eines Atoms als festem «Baustein» wird durch Quantenmechanik ersetzt.
• Neues Paradigma: Elektronenwolken, Wahrscheinlichkeiten statt Bahnen.
• Das Periodensystem erhält eine neue theoretische Tiefendimension – von der Chemie zur Physik. Ganz wichtig: Es bleibt nicht nur bestehen, sondern erhält quantenmechanische Unterstützung. 

• Die heutige chemische Ordnung wirkt stabil, doch Kuhns Modell erinnert uns daran: Auch sie kann durch neue Anomalien ins Wanken geraten.
• Beispiel: Transurane, Quarks, dunkle Materie – vielleicht nur Vorboten eines kommenden Paradigmenwechsels?

Feyerabend hätte hier sicherlich eingeworfen, dass die Wissenschaftsentwicklung auch durch Aussenseiter, Zufälle, Andersdenker und kreative Regelverstöße vorangetrieben wird – Mendelejew war in gewisser Weise beides: innerhalb des Systems, aber auch Revolutionär. Gleiches gilt auch für Anaximander, Philolaos und zu seiner Zeit Demokrit. 

Wasserstoff ~92 %, Helium ~8 %

Alle übrigen Elemente zusammen ~0,1 % (≈ 1 pro 1 000 Atome)

Stickstoff 78,08 %, Sauerstoff 20,95 %, Argon 0,93 %, CO₂ ~0,04 %