Kekulés Träume: Eine andere Einführung in die Organische Chemie

282 Pages·2014·2.39 MB·German

by  Dieter Neubauer (auth.)

Kekulés Träume
Dieter Neubauer
Kekulés Träume
Eine andere Einführung
in die Organische Chemie
Dieter Neubauer
Wachenheim an der Weinstraße, Deutschland
ISBN 978-3-642-41709-2 ISBN 978-3-642-41710-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-41710-8
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Inhaltsübersicht
Unbekannte Wissenschaft...............................................................................1
Erster Ausflug: Ins Traumland Kekulés...........................................................7
Zweiter Ausflug: Zu Erdölfeldern und Raffinerien.......................................33
Dritter Ausflug: Dahin, wo sauer sein normal ist........................................63
Vierter Ausflug: Dahin, wo doppelt genäht nicht besser hält.................109
Fünfter Ausflug: Vom Kohlenbergwerk zum Lazarett.............................143
Sechster Ausflug: Zu einem Sonderling...................................................161
Siebenter Ausflug: Zu anderen Aromaten...............................................197
Achter Ausflug: In eine künstliche Welt...................................................209
Neunter Ausflug: Ins Grüne.....................................................................227
Safari: In das Land der Philosophen........................................................265
Ernstgemeintes zu den Versuchen...........................................................269
Sachverzeichnis............................................................................................273
Unbekannte Wissenschaft
Vor fast zweitausendfünfhundert Jahren stritten die griechischen Philoso-
phen über die Frage, ob es möglich sei, ein Stück Materie immer weiter, so-
zusagen unendlich oft zu zerteilen. Die meisten von ihnen antworteten mit
einem klaren Ja. Nur ein Mann namens Leukipp und sein genialer Schüler
Demokrit waren entgegengesetzter Ansicht. Sie nahmen an, irgendwann,
nach vielen Teilungsschnitten, müssten alle weiteren misslingen, weil sie auf
unteilbare „Atome“1 träfen. Von diesen Elementarteilchen, die sie sich un-
messbar klein vorstellten, sollte es unglaublich viele und verschiedene Sorten
geben. Die aber sollten unvergänglich, in rastlosem Wirbeln unterwegs sein
und sich untereinander mit Häkchen und Ösen zu immer neuen Kombina-
tionen verbinden. Ähnlich wie sich Hunderttausende von Wörtern aus zwei
Dutzend Buchstaben bilden lassen, sollten so die vielen verschiedenen Stoffe
und Dinge der belebten und unbelebten Natur entstehen und durch Tren-
nung der Atomgruppen, die man viele Jahrhunderte später „Moleküle“
nannte, auch wieder vergehen.
Die Idee war so ungewohnt, so genial, dass sie bei den meisten ihrer Zeit-
genossen keinen Beifall fand. Platon und Aristoteles, die maßgeblichen Phi-
losophen jenes Jahrhunderts, lehnten sie rundweg ab. Und obwohl drei Ge-
nerationen später der berühmte Epikur sich leidenschaftlich für die Atomlehre
einsetzte und der römische Dichter Lukrez, ein Zeitgenosse Ciceros und
Cäsars, sie in einem langen Lehrgedicht temperamentvoll verteidigte, geriet
sie dennoch fast in Vergessenheit.
Erst am Anfang des 19. Jahrhunderts gewann sie wieder an Boden. Flei-
ßige Chemiker hatten mit ihren Experimenten herausgefunden, dass sich die
Elemente2 immer in gleichbleibenden Gewichtsverhältnissen miteinander
verbinden. Um ein Beispiel zu nennen: 7 g Eisen reagieren stets mit 4 g
Schwefel – wenn man von diesem Gewichtsverhältnis abweicht, bleibt von
einem der beiden Reaktionspartner etwas übrig. Dies ließ sich am einfachs-
ten erklären, wenn man annahm, dass immer ein Eisenatom mit einem
Schwefelatom reagiert und ihre Atomgewichte sich wie 7:4 verhalten.
____________
1 „Atomos“ heißt im Griechischen „unteilbar“.
2 Elemente bestehen immer aus nur einer Sorte von Atomen. Das Element Schwefel enthält also
nur Schwefelatome, Eisen nur Eisenatome und so fort.
D. Neubauer, Kekulés Träume, DOI 10.1007/978-3-642-41710-8_1,
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2 Kekulés Träume
In den folgenden knapp 200 Jahren gelang es den Chemikern, nicht nur
die Gewichtsverhältnisse zwischen den Atomen der einzelnen Elemente auf-
zuklären, sondern auch ihren Durchmesser zu ermitteln, herauszufinden,
wie schnell sie in Gasen umherfliegen, wie sie sich in Flüssigkeiten beneh-
men und auf welchen Plätzen sie in den Kristallen der Feststoffe sitzen.
Mehr noch: Sie erkannten, mit wie vielen Bindearmen sie andere Atome an
deren Bindearmen festhalten, wie die Bindungen zu Stande kommen und
sogar, in welche räumliche Richtung diese rätselhaften Bindearme weisen!
Erforschung einer unsichtbaren Welt
Ohne jemals ein Atom oder ein Molekül gesehen zu haben, erkundeten sie
durch sinnreiche Versuche den atomaren Feinbau von mehreren Millionen
verschiedenen Verbindungen. Zur Bestätigung stellten sie im Labor die sel-
ben Verbindungen aus Atomen und Atomgruppen her. Sie waren deshalb
ihrer Sache völlig sicher, wenn sie zum Beispiel dem Farbstoff Kupfer-
Perchlor-Phthalocyanin die „Strukturformel“

Cl Cl
C C
Cl C C Cl
C C
C C
Cl N N Cl
N
Cl C C C C Cl
C C C C
N Cu N
C C C C
Cl C C C C Cl
N
Cl N N Cl
C C
C C
Cl C C Cl
C C
Cl Cl

zuschrieben. In ihr steht jeder Buchstabe C für ein Kohlenstoffatom, Cl für
ein Chloratom und N für ein Stickstoffatom. Das zentral gebundene Kup-
feratom wird durch die Buchstaben Cu dargestellt. Die Striche zwischen den
Buchstaben geben an, mit wie vielen Bindearmen die Atome aneinander
Unbekannte Wissenschaft 3
festhalten: Zwei Striche bedeuten eine „Doppelbindung“, ein Strich eine
„Einfachbindung“, eine gestrichelte Linie eine „Nebenvalenzbindung“.
Millionen Strukturformeln mit Atomanordnungen, die noch kein
Mensch gesehen hat! Dem misstrauischen Laien drängt sich unwiderstehlich
der Verdacht auf, dass das prächtige Lehrgebäude der Chemie auf tönernen
Füssen steht. Auch wenn ihm die Chemiker versichern, dass ihre Indizien-
beweise widerspruchsfrei sind, bewahrt er seine gesunde Skepsis, ähnlich wie
die Geschworenen bei einem Mordprozess ohne Augenzeugen.
Eine Fotografie als Beweis
Doch vor gut sechzig Jahren erfand der deutsche Physiker Erwin Müller das
Feldelektronenmikroskop. Mit ihm gelingt es, Moleküle so stark zu vergrö-
ßern, dass man einzelne Atome oder Atomgruppen schemenhaft auf einem
Bildschirm sichtbar machen und dort fotografieren kann. Eines der seither
fotografierten Moleküle war das Kupfer-Perchlor-Phthalocyanin. Die Auf-
nahme bestätigte in allen Einzelheiten die von den Chemikern vorhergesagte
Struktur! Unsere Abbildung 1 zeigt das Foto im Vergleich mit einer verein-
fachten Darstellung der Strukturformel.
Damit war auch für Skeptiker der Bauplan einer komplizierten Atomver-
bindung endgültig aufgeklärt: Den auf Indizien aufgebauten Strukturbeweis
der Chemiker bestätigten die Physiker mit einer Fotografie.

Abb. 1
4 Kekulés Träume
Das war ein ungeheurer Triumph des menschlichen Geistes, durchaus
vergleichbar mit der Erkundung des Universums durch die Astronomen
oder mit den Erkenntnissen der Physiker über die Welt der Quanten!
Chemie – ein Buch mit sieben Siegeln?
Aber die meisterhafte detektivische Leistung der modernen Chemiker blieb
ziemlich unbeachtet und unbekannt, während die sehr viel schwieriger zu
verstehenden Ergebnisse der Relativitätstheorie oder der Quantenmechanik
zu Recht bewundert und in Hunderten von populärwissenschaftlichen Schrif-
ten mehr oder minder erfolgreich erklärt wurden.
Im Gegenteil: Ein plötzlicher Paradigmenwechsel machte die Chemie
wegen ihrer Umweltprobleme zum ungeliebten Schmuddelkind unter den
Naturwissenschaften. Viele junge Menschen wählten sie als Unterrichtsfach
ab, anderen wurde sie nur noch als Sündenbock der Ökologie vorgestellt.
Zur Unwissenheit kam bald die Angst vor einer Wissenschaft, die „stinkt
und knallt“, stets als schwierig galt und den Ahnungslosen lebenslang ein
Buch mit sieben Siegeln bleibt.
So sind vielen Gebildeten selbst die einfachsten Erkenntnisse der Chemie
ziemlich unbekannt. Sie wissen nicht, dass wir alle aus Atomen bestehen,
dass wir mit jedem Atemzug Atome aufnehmen und andere abgeben, dass
die Atome unseres Körpers nach dem Tode erhalten bleiben, dass wir ohne
chemische Reaktionen nicht denken, sehen, riechen oder fühlen können,
dass unsere Nahrung durch chemische Reaktionen entsteht, durch chemi-
sche Reaktionen verdaut und durch chemische Reaktionen in körpereigene
Substanzen wie Knochen, Sehnen, Nerven und Muskeln verwandelt wird.
Oder dass selbst Feuer anzünden ohne chemische Reaktionen unmöglich ist.
Manche Gebildete geben gern zu, dass sie von Chemie nichts verstehen, ja,
einige sind sogar noch stolz darauf.
Dabei ist es weiß Gott nicht schwer, wenigstens einige Grundkenntnisse
in Chemie zu erwerben. Geradezu faszinierend aber ist es, die Gedanken-
gänge nachzuvollziehen, mit denen die Chemiker den atomaren Feinbau
von Stoffen erforschten, deren Moleküle sie nie gesehen hatten. Ihren kri-
minalistisch anmutenden Schlussfolgerungen werden wir immer wieder be-
gegnen, wenn wir auf den folgenden Seiten in die reizvollsten Gebiete unse-
rer Wissenschaft eindringen.
Der Leser braucht dafür keine besonderen Vorkenntnisse. Von unnöti-
gem Formelkram wird er verschont. Er muss auch nicht eine Unzahl schwer
auszusprechende Substanznamen auswendig lernen, weil sich das Buch je-
weils auf wenige typische, oft auch aus dem Alltag bekannte Verbindungen
Unbekannte Wissenschaft 5
konzentriert (das Kupfer-Perchlor-Phthalocyanin soll also eine Ausnahme
bleiben). Kleingedrucktes kann er übergehen, ohne den Faden zu verlieren.
Ein paar einfache und sicher durchzuführende Versuche sollen sein Ver-
ständnis fördern und das Gedächtnis stützen. So eignet sich das Buch für in-
teressierte Schüler, Studenten mit Nebenfach Chemie oder Laien, die im
Berufsleben plötzlich mit Chemie zu tun kriegen und gern mitreden möch-
ten; selbst Umweltschützern wird es eine anregende und abwechslungsreiche
Lektüre bieten und hier und da zeigen, dass ihr Anliegen nicht ohne, son-
dern nur mit der Chemie verwirklicht werden kann.
Ich wünsche mir, dass dabei ganz nebenher ein paar unbegründete Vor-
urteile gegen die Chemie, diese faszinierend schöne Unbekannte unter den
Wissenschaften, ins Wanken geraten. Noch wichtiger ist es mir allerdings,
einige wenig verbreitete Erkenntnisse zu vermitteln, ohne die das Verständnis
unserer Welt unvollkommen bleibt. Für Ratschläge und Anregungen, die
aufzeigen, wie dies noch besser gelingen könnte, bin ich jederzeit dankbar.