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diff --git a/75670-0.txt b/75670-0.txt new file mode 100644 index 0000000..28bc0a1 --- /dev/null +++ b/75670-0.txt @@ -0,0 +1,5402 @@ + +*** START OF THE PROJECT GUTENBERG EBOOK 75670 *** + + + #################################################################### + + Anmerkungen zur Transkription + + Der vorliegende Text wurde anhand der Buchausgabe so weit wie + möglich originalgetreu wiedergegeben. Typographische Fehler wurden + stillschweigend korrigiert. Ungewöhnliche und heute nicht mehr + verwendete Schreibweisen bleiben gegenüber dem Original unverändert; + fremdsprachliche Ausdrücke wurden nicht korrigiert. + + Besondere Schriftschnitte werden im vorliegenden Text mit Hilfe der + folgenden Symbole gekennzeichnet: + + fett: =Gleichheitszeichen= + gesperrt: +Pluszeichen+ + Antiqua: ~Tilden~ + + #################################################################### + + + + + Chemische + Unterhaltungen + + Von + + Ludwig Wunder + + in Sendelbach bei Lohr a. M. + + Mit 52 Abbildungen + + Verlag Peter J. Oestergaard + + Berlin-Schöneberg + + + + + +Alle Rechte+, insbesondere das Recht der + Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. + + == Nachdruck wird gerichtlich verfolgt. == + + ~Copyright by + Peter J. Oestergaard Verlag, + Berlin-Schöneberg.~ + + + 8955. Berliner Buch- und Kunstdruckerei, G. m. b. H., + Berlin W. 35–Zossen. + + + + +Inhalt. + + + 1. Wie man chemische Kenntnisse erwirbt (ein Brief) 7 + + 2. Was ein Chemiker sich unter einer Verbrennung vorstellt 10 + + 3. Über die Unterschiede zwischen chemischen und physikalischen + Vorgängen (ein Brief) 22 + + 4. Atom und Molekül (ein Gespräch) 28 + + 5. Die Wärmeänderung bei chemischen Vorgängen 39 + + 6. Säuren, Basen und Salze (ein Gespräch) 48 + + 7. Die Salpetersäure und was man daraus macht 58 + + 8. Kohlehydrate und Alkohol 68 + + 9. Brennstoffe 84 + + 10. Fette, Öle, Seifen und Kitte 111 + + 11. Die größte chemische Fabrik der Welt (ein Gespräch) 123 + + 12. Das periodische System der Elemente (ein Gespräch) 144 + + + + +Vorwort. + + +Dieses Buch bedarf einer kurzen Erläuterung; nicht sowohl wegen seines +Inhalts (von dem ich mit der Eitelkeit des Verfassers hoffe, daß er +für sich selbst spricht), als vielmehr wegen seiner Darstellung. Denn +ich habe in zwei Kapiteln die Briefform und in vier Kapiteln die +noch subjektivere Form des Zwiegesprächs angewendet, und dies gerade +bei solchen Stoffen, die unzweifelhaft schwieriger zu erklären sind +als der übrige Inhalt. Ich hoffe nicht, daß mir jemand daraus den +Vorwurf schmiedet, ich wolle den Ernst der Wissenschaft durch eine +theatermäßige Spielerei profanieren; aber vielleicht ist es doch gut, +die Gründe zu nennen, warum ich diese uralte, von den griechischen +Philosophen geübte, von unseren eigenen Vorfahren bis vor 100 Jahren +viel gepflegte Darstellungsform wieder aufgreife. Wer immer sich mit +der Kunst der volkstümlichen Darstellung befaßt hat, der wird zugeben +müssen, daß das eigentliche Wesen alles Erklärens darin beruht, daß +man die +Gegensätze+ betont und heraushebt; gerade, wie man eine +mathematische Formel oft dadurch am besten begreift, daß man für die +veränderliche Größe die gegensätzlichen Grenzwerte Null und Unendlich +einsetzt. Für die Betonung der Gegensätze eignet sich nun nach +meinen Erfahrungen die Form des Zwiegesprächs ganz außerordentlich; +sie schneidet mit Messerschärfe die Gegensätze heraus und rundet +so überraschend schnell alle Begriffe, auch solche, über die man +sonst wohl lange vergeblich reden könnte. Freilich ist es nicht +immer leicht, Klippen zu vermeiden, die den Fragensteller als bloßen +Statisten erscheinen lassen könnten, oder die darin bestehen, daß der +Fragende alle Schwierigkeiten des Stoffes geschickt umgeht, und so zwar +leichte, aber den Leser wenig befriedigende Antworten erhält. Der Leser +wird zweifellos selbst am besten beurteilen können, wieweit es mir +gelungen ist, diese Fehler zu vermeiden. + + +Sendelbach bei Lohr a. M.+ + + =L. Wunder.= + + + + +1. Wie man chemische Kenntnisse erwirbt. + +(Ein Brief.) + + + Lieber Freund! + +Sie fragen mich, ob ein Laie, der noch niemals in Chemie unterrichtet +worden ist, imstande sei, sich durch eigene Belehrung eine richtige +Vorstellung von chemischen Vorgängen zu machen. Diese Frage darf +ich getrost bejahen. Freilich handelt es sich bei der Belehrung +in chemischen Fragen um wesentlich andere Methoden als etwa beim +Selbststudium der Geschichte. Denn Geschichte kann man zur Not allein +aus Büchern und mit Büchern lernen. Soll ich Ihnen klarmachen, warum +diese Methode für das Studium der Chemie unbrauchbar ist, so möchte +ich die Chemie mit einer modernen Fremdsprache, etwa Französisch oder +Englisch, vergleichen. Wenn Sie versuchen wollten, diese Sprachen ++allein+ aus Lehrbüchern zu lernen, ohne jemals sich von einem Kundigen +die Laute, Wörter und Sätze vorsprechen zu lassen und Ihr Ohr am +lebendigen Klang der Sprache zu üben, so werden Sie mir zugeben, +daß Ihre erste Unterhaltung in dieser Sprache mit einem wirklichen +Beherrscher derselben recht merkwürdig klingen müßte. +Man muß also mit +dem Ohr Erfahrungen sammeln, um mit dem Verstand Sprachen lernen zu +können.+ In einer ganz ähnlichen Lage befinden Sie sich, wenn Sie die +Sprache der Chemie lernen wollen: da müssen Sie die chemischen Vorgänge +aus zahlreichen Experimenten zu sich reden lassen, um gleichsam Ihr +Ohr an den Ton der chemischen Sprache zu gewöhnen, um eine Vorstellung +davon zu bekommen, was im Bereich der Chemie möglich ist und was +unmöglich ist. Das Experiment ist nicht bloß in der Chemie, sondern +in allen Naturwissenschaften die Grundlage alles Lernens und die +letzte, ja die einzige +maßgebende+ Instanz für die Beantwortung aller +Fragen. In unseren Schulen wird das noch viel zu wenig beachtet. Dort +herrscht leider auch bei zahllosen Lehrern noch der Irrglaube, als ob +man chemische Tatsachen aus Büchern lernen könne, aus Büchern, die uns +doch im besten Fall nur zum Studium der Natur +anregen+ können. Hätten +diese Lehrer eine Ahnung davon, welch entsetzliche Vergewaltigung ihre +unnatürliche Lehrmethode für den Geist der Schüler bedeutet, so müßte +sich ihr Verantwortungsgefühl dagegen aufbäumen. Aber selbst wenn ihnen +diese Ahnung aufdämmern möchte, stehen ihnen noch hundert Ausflüchte +offen: die uralte scholastische Überlieferung, der Mangel an Zeit, an +Geld und Laboratoriumseinrichtungen, Arbeitsüberhäufung, ungenügende +Entschädigung für Vorbereitungsarbeit, Disziplinschwierigkeiten im +Laboratoriumsunterricht, die Gefahren und die gesetzliche Haftpflicht +des Lehrers für Unfälle usw. -- Da wird wohl noch eine lange Zeit +vergehen, bis die Laboratorien unserer Schulen aus dem Stadium +des „Renommierlaboratoriums“ in das der wirklichen Arbeitsstätte +übergetreten sein werden. Und doch müssen wir unerbittlich an der +Erkenntnis festhalten, daß es kein wirkliches Lernen der chemischen +Sprache gibt, außer in jenem Zwiegespräch mit der Natur, welches +durch die +eigene+ Experimentiertätigkeit des Lernenden geführt +wird. Es genügt auch nicht, daß der Lernende bloß den Experimenten +des Lehrers zusieht; er muß selbst nach eigenem Ermessen Fragen an +die Natur stellen können. Denn die Experimentalvorträge des Lehrers +sind recht häufig nichts anderes als eine ~pia fraus~, ein frommer +Betrug gegen den Schüler, der dem Lehrer meistens gar nicht voll zum +Bewußtsein kommt. Denn der Lehrer wird aus naheliegenden Gründen +stets solche Versuche auswählen, welche für die von ihm vorgetragenen +Behauptungen sprechen; er wird Versuche, welche dagegen sprechen, +nicht machen, vielleicht in der redlichen Absicht, den Schüler nicht +durch Widersprüche zu verwirren. So dient er wohl der Klarheit, aber +gewiß nicht der Wahrheit. Drei Viertel aller Experimentalvorträge +unserer naturwissenschaftlichen Hoch- und Mittelschullehrer sind mit +diesem Fehler behaftet und zwingen unter dem Scheine der Objektivität +das Gehirn des Schülers in ausgefahrene Geleise. Es gibt nur ein +einziges wirksames Mittel gegen solche Selbsttäuschung: das ist die ++eigene+ Experimentiertätigkeit des Schülers, und zwar nicht jene +„planvoll durch den Lehrer geleitete“ unserer an unfreiwilliger Komik +so überreichen Schullehrpläne und Ministerialverordnungen, sondern die +aus eigenem Denken hervorgegangene, vielleicht gerade durch die Lust +am Widerspruch, durch den Zweifel an den einseitigen Ausführungen des +Lehrers angeregte. In der Schule der Zukunft wird für diese eigene +Versuchstätigkeit des Schülers unbeschränkte Zeit, unbeschränkte +Gelegenheit und -- unbeschränkte Lust vorhanden sein. Dann wird auch +kein Experimentalvortrag des Lehrers, sei er noch so einseitig und +unwahr, Schaden anstiften können. + +Sie aber, lieber Freund, möchte ich mit diesen Worten angeregt haben, +auch +meine+ folgenden Belehrungen und Behauptungen als einen Anreiz +zum +Zweifel+ auf sich wirken zu lassen, der in Wahrheit der Vater +aller Erkenntnis ist. Ich werde es mir zur Aufgabe machen, Ihren +Zweifel förmlich herauszufordern. Ich werde Ihren Zweifel als den +Stempel Ihres Geistes achten und ehren und werde Ihnen im Gefühl dieser +Achtung nach meinen Kräften helfen, die Natur selbst zu befragen. + + Ihr getreuer + + L. W. + + + + +2. Was ein Chemiker sich unter einer Verbrennung vorstellt. + + +Die Verbrennung gilt dem Laien als das sicherste Mittel, um einen +Gegenstand unwiderbringlich zu vernichten. Aber auch der Chemiker wird, +wenn er unliebsame Briefe vernichten will, zum Feuer greifen, und es +wird ihm auch nicht gelingen, die jammernde Hausfrau zu überzeugen, +daß ein in die Tischdecke gebranntes Loch nur auf einer Täuschung +beruhe. Holz und Kohle im Ofen verbrennen auf Nimmerwiederkehr, die +brennende Kerze scheint wahrhaft spurlos zu verschwinden. Selbst die +katholische Kirche, die doch den Glauben an unser Fortleben nach dem +Tode unerschütterlich festhält, wußte in der Inquisitionszeit kein +besseres Mittel zur vollständigen Vernichtung der Ketzer als den +Feuertod. -- Angesichts solcher Tatsachen ist es keine leichte Aufgabe, +nachzuweisen, daß die Substanz keines einzigen verbrannten Gegenstands +von der Erde verschwunden ist, daß kein Brief, kein Holzscheit, keine +Kohle noch Kerze, kein ketzerischer Leib durch das Verbrennen auch nur +um ein Milligramm leichter geworden ist, daß alle seit Urzeiten auf +Erden verbrannten Dinge noch mit ihrem vollen Gewicht und ihren ganzen +Bestandteilen auf Erden vorhanden sind. + +Die Geschichte des Begriffs „Verbrennung“ ist nämlich geradezu ein +Schulbeispiel für die Richtigkeit des Satzes, daß der Schein trügt. +Wenn man das gerade Gegenteil von derjenigen Auffassung glaubt, die +einem zunächst als die richtige erscheint, so kommt man auf diesem +Gebiet in den meisten Fällen der Wahrheit am nächsten. Denn wenn z. +B. ein Stück Schwefel verbrennt, so sieht es aus, als ob seine Masse +beim Brennen leichter würde, und wird doch schwerer; die schöne blaue +Flamme scheint anzudeuten, daß ein Stoff aus dem Schwefel entweicht --, +aber in Wirklichkeit ist sie ein Zeichen der Verbindung des Sauerstoffs +mit dem Schwefel, also kein Symbol des Abgangs, sondern vielmehr ein +Symbol des Zugangs eines Stoffes zum Schwefel; beim Brennen sieht es +aus, als ob der Schwefel auf Nimmerwiedersehen verschwände, aber die +Wahrheit ist, daß man ihn aus dem gasförmigen Verbrennungsprodukt +leicht wieder abscheiden kann. Also jede unserer ersten Vermutungen +erweist sich bei genauerer Prüfung als trügerischer Schein. + +Ich will nun eine Reihe von Versuchen beschreiben, welche jedermann +in den Stand setzen, sich von der Richtigkeit meiner Behauptungen zu +überzeugen. + +Zunächst ist nachzuweisen, daß jeder brennbare Körper beim Verbrennen +nicht an Gewicht verliert, sondern im Gegenteil zunimmt. Dieser +Nachweis ist am leichtesten, wenn +sämtliche+ Verbrennungsprodukte +des Körpers +fest+ sind, wenn er sich also ausschließlich in +Asche+ +verwandelt. Diese Eigenschaft besitzen die verbrennbaren Metalle, z. +B. Eisen, Magnesium, Blei, Zinn. Nun brennen solche Metalle natürlich +nicht so leicht, wie etwa Holz oder Kohle, und man muß sie daher +in eine lockere Form bringen, am besten in Pulverform, um sie gut +brennbar zu machen. Sehr gut eignet sich für unseren ersten Versuch +das pulverförmige Magnesiummetall, welches in jeder Drogerie billig zu +kaufen ist. Wir legen auf eine Tafelwage oder Briefwage, welche noch +ein halbes Gramm Belastung deutlich durch einen Ausschlag erkennen +läßt, ein Stückchen Ziegel oder Dachschiefer und schütten darauf etwa +10 Gramm Magnesiumpulver, so daß es einen kleinen Berg bildet. Dann +stellen wir die Wage, falls es eine Tafelwage ist, durch Belastung der +anderen Schale genau ins Gleichgewicht und zünden sodann mit einem +Streichholz den Gipfel unseres Magnesiumberges an. Der ganze Berg +gerät in kurzer Zeit in schöne Rotglut, und durch die Hitze wird ein +aufsteigender Luftstrom erzeugt, welcher zunächst die Wagschale mit +emporreißt, so daß es aussieht, als ob das Magnesium beim Verbrennen +leichter würde. Dieser Eindruck wird noch dadurch verstärkt, daß +ein kleiner Teil der weißen Asche als Rauch emporgewirbelt wird und +daß die übrige Asche merklich zusammensinkt und einen geringeren +Raum einzunehmen scheint, als vorher das Metallpulver einnahm. Aber +trotz dieser Verluste und Sinnestäuschungen erkennt man bereits nach +wenigen Minuten, daß die Wagschale mit der Asche tiefer und tiefer +herabsinkt und offensichtlich schwerer wird, als sie zuerst war. Die +Gewichtszunahme wächst noch mehr, wenn man mit Hilfe einer Stricknadel +den glühenden Berg vorsichtig auseinanderbreitet, so daß auch sein +Inneres verbrennen kann. + +Auch mit pulverförmigem +Eisen+, welches in den Apotheken und Drogerien +unter der lateinischen Bezeichnung ~Ferrum limatum~ zu kaufen ist, +läßt sich der Versuch unter gewissen Bedingungen leicht anstellen. +Diese Bedingungen bestehen darin, daß man das Eisenpulver mittels eines ++Magneten+ an einer Wage aufhängt. Man benutzt dazu einen sogenannten +Hufeisenmagneten, den man, gewöhnlich ziegelrot lackiert, bei jedem +Optiker bekommt, und taucht seine Pole in das Eisenpulver, welches +in dicken Büscheln daran hängen bleiben muß. Dann befestigt man den +Magneten vorsichtig so an einer Schale einer Hornschalenwage oder +anderen Balkenwage, daß der „Bart von Eisen“ nirgends anstößt, sondern +allseitig frei hängt. Nun wird die Wage in genaues Gleichgewicht +gebracht. Dann hält man eine Flamme, am besten eine Spiritusflamme +oder einen Bunsenbrenner, unter den Eisenbart. Er entzündet sich und +verglimmt langsam, während zugleich der Wagenarm sich senkt, an dem er +befestigt ist. + +[Illustration: Abb. 1. Gewinnung von Bleioxyd durch Veraschen von Blei.] + +Auch Blei und Zinn werden bedeutend schwerer, wenn man sie durch +Erhitzen an der Luft in Asche verwandelt. Man füllt zu diesem Zweck +einen kleinen Porzellantiegel, welchen man in der Regel beim Optiker +kaufen kann, zu dreiviertel mit zusammengeknülltem Stanniol oder +kleingehacktem Blei und wägt ihn auf einer Hornschalenwage oder guten +Briefwage. Hornschalenwagen wägen mit einer Genauigkeit bis zu ¹⁄₁₀₀ +Gramm. Dann erhitzt man den Tiegel auf einem passenden Gestell in ++schräger+ Lage, wie Abb. 1 zeigt. Die Schrägstellung des Tiegels ist +notwendig, damit die Luft gut über das schmelzende Metall streichen +kann. Zum Erhitzen muß man eine rußfreie und heiße Flamme haben, +also entweder einen Bunsenbrenner oder eine Benzingebläselampe. Das +geschmolzene Metall wird mit einer Stricknadel fleißig umgerührt. Nach +20–30 Minuten ist es größtenteils in Asche verwandelt, die sich beim +Wägen (nach dem Erkalten) als bedeutend schwerer erweist. + +Niemand wird zweifeln, daß es sich in allen diesen Fällen um echte +Verbrennungen handelt, wenn auch eine eigentliche Flamme nicht +sichtbar wird. Die „Flamme“ entsteht nämlich nur dann, wenn der +Brennstoff durch die Hitze oder durch andere Umstände wenigstens +teilweise in Dampf verwandelt wird. Da nun Metalle, wie Eisen und +Blei, nicht leicht verdampfen, so brennen sie auch nicht leicht mit +Flamme. Schwefel dagegen oder Phosphor, welche leicht verdampfen, oder +auch Wachs, Petroleum, Paraffin usw., bilden beim Brennen Flammen. +Das Magnesiummetall nimmt eine Mittelstellung ein, da es in heller +Glühhitze ebenfalls verdampft: zündet man einen Streifen Magnesiumband +an, so kann man deutlich eine lodernde, blendend weiße Flamme +beobachten. +Jede „Flamme“ ist ein brennender Dampf.+ + +[Illustration: Abb. 2. Gewichtszunahme bei der Verbrennung einer Kerze.] + +Ein Stoff, der mit Flamme brennt, scheint nun merkwürdigerweise beim +Brennen stets leichter zu werden. In Wahrheit wird er aber doch nicht +leichter, sondern gleichfalls schwerer. Aber sein Verbrennungsprodukt, +seine „Asche“, ist eben meistens gasförmig und entweicht unsichtbar +in die Luft. Was wir aber nicht sehen, das glaubt bekanntlich unser +Herz nicht gern, und so sträuben wir uns gegen die Annahme, daß +eine Kerze beim Brennen schwerer wird, weil wir die gasförmige, +unsichtbare „Asche“ der Kerze nicht beobachten können. Nun ist es +aber gar nicht schwer, diesen Zweifel zu entkräften. Die gasförmigen +Verbrennungsprodukte der Kerze haben nämlich die Eigenschaft, von +festem +Ätznatron+ (auch „Laugenstein“ oder „scharfe Soda“, „kaustische +Soda“ genannt) aufgeschluckt und festgehalten zu werden. Wenn man +daher über einer brennenden Kerze einen Lampenzylinder befestigt, +dessen Höhlung mit Stücken von festem Ätznatron gefüllt ist, so hält +dieser alle Verbrennungsprodukte der Kerze fest. Nun kann man mit +einer Wage leicht feststellen, ob Kerze und Lampenzylinder zusammen +beim Verbrennen der Kerze leichter werden oder schwerer. Der Versuch +ergibt das letztere. Man muß dabei, wie Abb. 2 zeigt, einen gewissen +Kunstgriff anwenden. Das feste Ätznatron hat nämlich die Eigenschaft, +an der Luft ganz von selbst schwerer zu werden, weil es die in der +Luft stets vorhandene Feuchtigkeit begierig anzieht. Würden wir also +auf die eine Wagschale die Kerze und den Zylinder voll Ätznatron, +auf die andere aber nur die Tariergewichte setzen, so könnte man mit +Recht gegen das Versuchsergebnis einwenden, daß das Ätznatron durch +heftige Anziehung der Luftfeuchtigkeit schwerer geworden sei. Dieser +Einwand wird dadurch entkräftet, daß man auch auf die andere Wagschale +einen ebensogroßen Zylinder voll Ätznatron bringt. Nun zeigt sich, +daß trotzdem die Wagschale mit der brennenden Kerze schwerer wird. +Gegen diesen Befund kann auch der scharfsinnigste Kritiker nichts +einwenden: +die Gewichtsabnahme der brennenden Kerze ist nur eine +Sinnestäuschung+. Auch die mit Flamme brennenden Körper werden beim +Brennen nicht leichter, sondern schwerer. + +Also sind die Holzscheite und Steinkohlen, welche wir und unsere +Vorfahren in den Öfen verbrannt haben, und die Leiber der armen Ketzer +und Hexen, welche die Inquisition durch den Flammentod zu vernichten +glaubte, in Wahrheit nicht verschwunden, sondern sie schweben noch als +unsichtbare Gase in der Luft -- wenn diese Gase nicht im Haushalt der +Natur eine andere Verwendung gefunden haben. Darüber werden wir noch +Näheres hören. + +Stellen wir als vorläufiges Ergebnis unserer Untersuchungen fest: +es +gibt keinen einzigen brennbaren Körper, der nicht bei der Verbrennung +an Gewicht zunimmt+. + +Die Gewichtszunahme ist nur dadurch erklärbar, daß der brennende Stoff +während der Verbrennung einen anderen Stoff an sich zieht. Dieser +andere Stoff kann nur in der Luft enthalten sein: es ist bekanntlich +das +Sauerstoffgas+, welches ziemlich genau den fünften Teil der +Luft ausmacht. Aus diesem Grund vermag kein Körper, der in der Luft +brennbar ist, im luftleeren Raum oder in einer Luft zu brennen, +aus welcher man das Sauerstoffgas entfernt hat. Aus diesem Grund +verlöschen auch brennende Körper nach einiger Zeit, wenn man sie in +einem abgeschlossenen Luftraum hat brennen lassen: z. B. verlischt +eine kleine Kerze sehr bald, wenn man sie mit Hilfe eines Drahtes in +eine leere Flasche versenkt, weil das in der Flaschenluft enthaltene +Sauerstoffgas sich bald mit der Kerze chemisch verbunden hat. Taucht +man einen brennenden Streifen Magnesiummetall in eine leere Weinflasche +und stöpselt man sie sofort, gleichzeitig, fest zu, so ist es nicht +schwer nachzuweisen, daß das Magnesium beim Brennen einen Teil der +Luft in sich aufgenommen hat: wenn man nämlich nach 10 Minuten die +Flasche mit der fest verschlossenen Mündung unter Wasser taucht und nun +entkorkt, so strömt Wasser hinein. Also ist beim Brennen des Magnesiums +soviel Luft verbraucht worden, als nun durch Wasser ersetzt wurde. +Diese Luft, oder vielmehr dieser Luftbestandteil, der Sauerstoff, ist +es, welcher die Gewichtszunahme brennender Stoffe verursacht. + +Eine derartige Behauptung bleibt unverständlich für jeden Menschen, +der über die Natur der Gase noch keine Erfahrungen gesammelt hat. +Denn er kann sich nicht vorstellen, daß Luft ein Gewicht haben soll, +oder wenn er es für möglich hält, so glaubt er, daß dieses Gewicht +viel zu gering sei, um mit der gewöhnlichen Wage meßbar zu sein. +Nimmt doch eine brennende Kerze weit mehr an Gewicht zu (wenn man die +Verbrennungsprodukte wiegt), als ihr eigenes Gewicht beträgt. Und hätte +die Luft wirklich ein Gewicht, so müßte sie doch zu Boden sinken. +Ferner müßte sie auf die Wagschalen, auf den Tisch, ja, auf unseren +eigenen Körper einen Druck ausüben. + +Es ist nicht schwer, diese Einwände zu entkräften. Daß die Luft trotz +ihres Gewichtes nicht zu Boden sinkt, ist auf denselben Zusammenhang +zurückzuführen, durch welchen ein Fisch im Wasser nicht zu Boden sinkt, +obgleich er doch sicherlich ein recht wahrnehmbares Gewicht besitzt. +Daß sie auf die Wagschalen, auf den Tisch, auf unseren Körper drückt, +entgeht der gewöhnlichen Beobachtung aus einem ähnlichen Grund: denn +wenn man eine Wage in eine Kufe voll Wasser stellt, so zeigt sie auch +keinen Ausschlag an, obwohl das Wasser auf die Wagschalen drückt. Es +drückt eben in diesem Fall nicht bloß auf beide Wagschalen gleichstark, +sondern es drückt auch von unten und von den Seiten gegen die Schalen. +So spüren wir auch von dem gewaltigen Druck der Luft auf unseren Körper +nichts, weil die Luft durch Mund und Nase in unsere Lungen und in unser +Blut gelangt und von hier aus dem Druck auf die äußere Körperfläche +das Gleichgewicht hält. Unsere sämtlichen Körpergewebe sind sozusagen +mit Preßluft gesättigt und infiltriert; bringt man eine Schale voll +frisches Blut in einen luftleeren Raum, so schäumt und moussiert es wie +eine entkorkte Brauselimonadenflasche, weil die eingepreßte Luft durch +keinen Gegendruck in der Flüssigkeit mehr festgehalten wird. Denn der +Druck der Luft ist in der Nähe des Erdbodens (in hohen Luftschichten +ist er viel geringer) gewaltig stark: er beträgt etwa 1 Kilogramm auf +jeden Quadratzentimeter. Auf die Oberfläche des menschlichen Körpers +ausgerechnet, macht dies für einen Erwachsenen von 1½–2 Quadratmeter +Hautoberfläche wohl einen Druck von 15000 bis 20000 Kilogramm, also +von 300 bis 400 Zentnern, aus. Es sieht fast merkwürdig aus, daß +wir unter dieser entsetzlichen Last nicht zusammenbrechen. Folgende +Tatsache wird uns das Verständnis erleichtern: Die Chemiker benutzen +zum Erhitzen ihrer Flüssigkeiten sehr dünnwandige Glaskolben mit ebenem +Boden, sogenannte Kochflaschen. Stellt man eine solche Kochflasche +in ein großes Druckgefäß und läßt man nun in dieses Druckgefäß +komprimierte Luft oder verdichtetes Kohlensäuregas einströmen, so +platzt die Kochflasche nicht, trotz ihrer dünnen Wandung, auch wenn man +den Druck der Preßluft auf 200 Atmosphären steigert. Denn der Druck +wirkt ebensostark auf die Innenseite, wie auf die Außenfläche der +Kochflasche. Schließt man sie jedoch vorher luftdicht zu, so wird sie +durch den Außendruck zusammengepreßt. + +Aus diesen und vielen anderen Versuchen geht eindeutig hervor, daß die +Luft einen Druck ausübt, und dieser Druck kann nur von ihrem Gewicht +herrühren. Tatsächlich besitzt die Luft ein recht wahrnehmbares +Gewicht, welches für den Liter 1¼ Gramm beträgt. Man kann es leicht +mit Hilfe einer alten, ausgedienten Glühlampe nachweisen. Da diese +Lampen luftleer gepumpt sind, so müssen sie, wenn man durch Abbrechen +der Spitze Luft hineindringen läßt, schwerer werden um das Gewicht der +eingedrungenen Luft. Man wäge also eine möglichst große, unversehrte +Glühlampe ab oder tariere sie auf einer Hornschalenwage, breche dann +die Spitze, nachdem man sie mit einer kleinen Dreikantfeile angefeilt +hat, ab, und wäge nun die Glühlampe samt der abgebrochenen Spitze +wieder. Sie ist sehr merkbar (um 0,2–0,3 Gramm für die 16kerzige Lampe +gewöhnlicher Größe) schwerer geworden. + +Somit kann es nicht mehr zweifelhaft sein, daß die Gewichtszunahme +brennender Stoffe durch das Hinzutreten einer bestimmten Menge Luft +erfolgt. Demnach muß also in dem Verbrennungsprodukt einesteils der +Brennstoff, andernteils die hinzugetretene Luft enthalten sein. +Durch geeignete Mittel muß es also gelingen, aus der „Asche“ beide +Bestandteile wieder abzuscheiden. Es muß möglich sein, die matte, +graugelbe Bleiasche wieder in glänzendes metallisches Blei zu +verwandeln, indem man den Sauerstoff herauslockt. Aus der weißgrauen, +glanzlosen Zinnasche muß sich Zinnmetall, aus dem unsichtbar +gasförmigen Kohlensäuregas schwarze Kohle wiedergewinnen lassen. +Freilich hängt der Luftsauerstoff so fest an den Metallen und an der +Kohle, daß die Trennung einige Schwierigkeiten macht. Nur die Aschen +des Quecksilbers und der edlen Metalle zerfallen schon beim bloßen +Erhitzen in Metall und Sauerstoffgas. Aber wir können uns diese Aschen +nicht selbst herstellen, haben daher auch an ihrer Zerlegung kein +rechtes Interesse. Wollen wir aber die Aschen unedler Metalle zerlegen, +so müssen wir nicht bloß Hitze anwenden, sondern auch dem Sauerstoff +sozusagen einen Ersatz anbieten für das Metall, das er freigeben soll. +Ein solcher Ersatz ist z. B. gepulverte Holzkohle. Wir mischen unsere +Bleiasche mit Holzkohlenpulver, füllen das Gemisch in einen Tiegel, +decken ihn mit einem Blech oder Scherben zu und erhitzen ihn über dem +Bunsenbrenner oder am Herdfeuer auf Rotglut: nach dem Erkalten finden +wir am Grund des Tiegels schön glänzendes, metallisches Blei. Wie der +Vogel Phönix ist es aus der Asche neu erstanden. (Mit Zinnasche ist +dieser Versuch viel schwieriger, da das Zinn den Sauerstoff fester hält +als Blei.) + +Ebenso können wir leicht aus dem unsichtbaren, gasförmigen +Verbrennungsprodukt der Kohle, dem Kohlensäuregas, wieder schwarze +Kohle abscheiden, wenn wir dem Sauerstoff als Ersatz für die +freizugebende Kohle das Metall Magnesium anbieten. Wir benutzen dazu +die Versuchsanordnung der Abbildung 3. Das Magnesiumpulver wird in eine +sogenannte Kugelröhre aus schwer schmelzbarem Glas gefüllt (man bekommt +sie in den Geschäften für chemische Apparate oder bei Optikern) und +von außen durch eine Flamme erhitzt, nachdem man begonnen hat, durch +die Röhre einen Strom von Kohlensäuregas zu leiten. Zwischen den rot +erglühenden Metallspänen scheidet sich eine Menge schwarzer Kohle ab. + +[Illustration: Abb. 3. Zurückgewinnung der Kohle aus dem Kohlendioxyd +durch glühendes Magnesiummetall.] + +In der Natur kommt eine große Anzahl von Erzen vor, welche ihrer +Zusammensetzung nach nichts anderes sind als Metallaschen, verbrannte +Metalle. Man kann aus allen diesen Erzen die darin enthaltenen Metalle +gewinnen, indem man die Erze mit Kohle zusammen erhitzt. Manche von +diesen Erzen geben das Metall schon bei mäßigem Erhitzen mit Kohle +frei, z. B. der weiße Arsenik das Arsen: man bringt (Abb. 4) in ein +spitz zulaufendes Glasrohr aus schwer schmelzbarem Glas eine Spur eines +feinzerriebenen Gemisches von Arsenik und Holzkohle, überdeckt dieses +Gemisch mit einem winzigen Holzkohlensplitter und erwärmt es in einem +kleinen Flämmchen. Das abgeschiedene Arsen verdampft in der Hitze und +scheidet sich etwas oberhalb an den kälteren Wänden des Glasrohrs als +schwarzer, glänzender Spiegel ab. Da weißer Arsenik als Rattengift +Verwendung findet und nicht selten durch Verwechslung mit Zucker zu +Vergiftungsfällen Anlaß gibt, so kann man verdächtige Stoffe auf diese +Weise leicht auf Arsenik prüfen. + +[Illustration: Abb. 4. Darstellung schwarzen Arsens.] + +Auch aus den Eisenerzen wird nach demselben Verfahren das Eisen +abgeschieden, wozu nur deshalb eine größere Hitze erforderlich +ist, weil das abgeschiedene Eisen erst bei Gelbglut schmilzt und +zusammenfließt. Der riesenhafte chemische Apparat, in welchem dieser +wichtige Vorgang stattfindet, heißt bekanntlich Hochofen. Abb. 5 +zeigt einen solchen aus Steiermark, dessen Höhe nicht weniger als +25 Meter beträgt. Die innere Weite nahe der Mitte ist 6½ Meter. Der +ganze, gemauerte Schacht wird mit abwechselnden Lagen von Kohle und +Erz gefüllt. Da das Erz aber nicht bloß aus Eisenasche, sondern +auch zum großen Teil aus Gestein („Gangart“) besteht, welches das +Zusammenfließen des geschmolzenen Eisens erschweren oder verhindern +würde, so muß es mit einem sogenannten „Zuschlag“ versetzt werden. Dies +ist (je nach Beschaffenheit der Gangart) eine quarz- oder kalkreiche +Gesteinsart, welche sich mit der Gangart zu einer leicht schmelzbaren +Schlacke verbindet. Besteht die Gangart aus Quarz, so muß der Zuschlag +ein Kalkgestein sein; ist die Gangart umgekehrt kalkreich, so muß der +Zuschlag viel Quarz enthalten: denn stets verbinden sich Quarz und +Kalk, die für sich fast unschmelzbar sind, miteinander zu einer leicht +schmelzbaren Schlacke. + +[Illustration: Abb. 5. Hochofen.] + +Der Hochofen ist infolge seiner großen Höhe sozusagen sein eigener +Kamin. Der Zug dieses Kamins würde aber bei weitem nicht ausreichen, +um die Hitze zu liefern, welche um raschen Ausschmelzen des Eisens +notwendig ist. Deshalb wird durch besondere Öffnungen („Düsen“) von +unten in den Hochofen Preßluft („Wind“) eingeblasen. Eine dieser Düsen +ist in unserer Abbildung rechts unten zu sehen. Diese Preßluft wird, +um recht wirksam zu sein, vor dem Eintritt ins Feuer um den ganzen +Hochofen herumgeleitet und dadurch vorgewärmt. Diese Vorwärmeleitung +sieht man etwas unterhalb der Ofenmitte im Querschnitt. Aus der +oberen Öffnung („Gicht“) des Hochofens sind früher ungeheure Mengen +brennbarer Gase („Gichtgase“) ungenutzt in die Luft entwichen. Jetzt +fängt man sie mit Hilfe der in der Abbildung sichtbaren Vorrichtung +auf und benutzt sie teils zur Vorwärmung des Windes, teils zum +Betrieb von Gasmotoren. Die Konstruktion dieser Gasmotoren ist eine +der größten technischen Errungenschaften der letzten Jahrzehnte. +Denn die Gichtgase sind an und für sich minderwertig und so arm an +brennbaren Bestandteilen, daß ihre Ausnutzung nur in Gasmotoren von +riesenhafter Größe möglich war, die erst erfunden werden mußten. So +werden jetzt bereits mehr als eine Million Pferdekräfte aus Gichtgasen +gewonnen, die früher ungenutzt in die Luft entwichen. Obwohl erst +ein Teil der deutschen Hochöfen mit Gichtgasmotoren verbunden ist, +kann die so gewonnene Kraft in den eigenen Betrieben bei weitem +nicht mehr verbraucht werden. Sie wird daher in unseren großen +Eisenhüttenanlagen an Ort und Stelle in Elektrizität verwandelt und +durch Überlandzentralen an die Städte und Ortschaften der weiteren +Umgebung verteilt. + +Kehren wir nun zum Ausgangspunkt unserer Untersuchung zurück, so sehen +wir ein Hauptkennzeichen aller Verbrennungsvorgänge darin, daß der +brennende Körper sein Gewicht vermehrt um dasjenige einer gewissen +Sauerstoffmenge, mit welcher er sich im Verbrennungsvorgang verbindet. +Diese Sauerstoffmenge kann entweder aus der Luft entnommen werden, +wie bei allen Verbrennungen gewöhnlicher Art; oder sie kann aus +einem anderen Verbrennungsprodukt (einer Asche) stammen: so bei der +Verbrennung von Kohle durch Eisenoxyd, bei welcher das Eisenoxyd in +Eisen zurückverwandelt wird. Das Bild, welches sich ein Chemiker von +einer Verbrennung macht, unterscheidet sich also recht wesentlich von +der Auffassung der Laien: Der Brennstoff wird durch die Verbrennung +nicht +vernichtet+, sondern nur +verwandelt+. Er wird dabei nicht ++leichter+, sondern +schwerer+. + + + + +3. Über die Unterschiede zwischen chemischen und physikalischen +Vorgängen. + + + Lieber Freund! + +Sie haben mir wieder eine Frage vorgelegt, deren Beantwortung (wenn +sie überhaupt möglich ist) jedenfalls weit schwieriger ist, als Sie +glauben. Ich soll Ihnen also eine scharfe Grenzlinie ziehen zwischen +den Begriffen des physikalischen und des chemischen Vorgangs, woraus +notwendig folgt, daß ich Ihnen erklären müßte, was ein physikalischer +und was ein chemischer Vorgang ist. Dies kann ich aber gar nicht, +wenigstens nicht in einer solchen Genauigkeit, daß die Erklärung für +alle Fälle gilt. Sie müssen mir also erlauben, die Antwort auf Ihre +Frage in dem Sinne einzuschränken, daß ich Ihnen die +scheinbaren+ +Unterschiede zwischen chemischen und physikalischen Vorgängen nenne. +Sie werden mit dem Wachsen Ihrer chemischen Kenntnisse ganz von selbst +bemerken, daß diese Unterschiede eben nur scheinbare sind. + +Betrachten wir als Beispiele für physikalische Vorgänge die Erhitzung +eines Metallstücks bis zur Glut, das Schmelzen eines Metalls, die +Verdampfung und das Gefrieren des Wassers. Was ist allen diesen +verschiedenen Vorgängen gemeinsam? -- Kein Mensch wird behaupten +können, daß ein Körper in einem +physikalischen+ Vorgang seine +Eigenschaften +nicht+ ändere. Ändert sich doch schon beim Glühen +das Aussehen aller Stoffe so außerordentlich, daß alle Farben und +Oberflächeneigenschaften schwinden, der Glanz erlischt, die Härte sich +außerordentlich verringert, die Leitfähigkeit für den elektrischen +Strom ganz anders wird. Tatsächlich kann man dem Aussehen nach einen +glühenden Stein von einem glühenden Eisenstück nicht unterscheiden, so +groß die Unterschiede dieser beiden Stoffe in der Kälte sind. Und nun +gar erst beim Schmelzen! Oder beim Verdampfen! Kann sich ein Körper +stärker verändern in bezug auf Aussehen, spezifisches Gewicht, Härte, +Zusammendrückbarkeit, Leitfähigkeit für den elektrischen Strom usw. als +es ein verdampfender Stoff tut? -- + +Man wird also nicht sagen dürfen, daß das Wesen eines chemischen +Vorgangs dadurch gekennzeichnet sei, daß sich die Eigenschaften des +Stoffes ändern, der dem Vorgang unterworfen wird. Denn wenn sich Blei +oder Magnesium durch den chemischen Vorgang der Verbrennung in Asche +verwandelt, so ist die Änderung der Eigenschaften kaum größer, als +wenn diese Metalle sich durch einen physikalischen Vorgang in Dampf +verwandeln. + +Somit müssen wir die Kennzeichen chemischer Vorgänge in etwas +ganz anderem suchen. Nun ist es eine auffallende Tatsache, daß +bei chemischen Vorgängen stets und ohne Ausnahmen entweder Wärme ++entwickelt+ oder Wärme +verbraucht+ wird. Alle Verbrennungen +sind ja ein Beweis für den einen dieser Fälle, denn sie machen +die freiwerdende Wärme deutlich erkennbar. Man hat eine Zeitlang +geglaubt, in diesen Änderungen des Wärmeeinhalts das Hauptkennzeichen ++chemischer+ Vorgänge erblicken zu müssen. Aber wie unrichtig diese +Auffassung war, werden Sie mir sofort zugeben, wenn ich Sie daran +erinnere, daß auch die allerhäufigsten +physikalischen+ Vorgänge ohne +Wärmeinhaltsveränderungen nicht möglich sind: +kein+ Körper auf der +ganzen Welt kann schmelzen oder verdampfen, ohne gleichzeitig Wärme zu +verbrauchen; kein Gas kann sich verflüssigen, keine Flüssigkeit kann +erstarren, ohne zugleich Wärme an die Umgebung abzugeben. Kein Körper +kann von einem elektrischen Strom durchflossen, von einem Lichtstrahl +getroffen werden, ohne sich dadurch zu erwärmen, und es gibt auch +keinen Stoff auf der Erde, den man pressen oder hämmern könnte, +ohne ihn zugleich wärmer oder kälter (Eis wird durch Druck kälter) +zu machen. Also sind auch die Wärmezustandsänderungen kein sicheres +Kennzeichen der +chemischen+ Vorgänge allein. + +Nun bleibt aber doch noch eine Gruppe von drei Möglichkeiten übrig, +welchen allein die chemischen Prozesse genügen können. Diese +Möglichkeiten sind: + + 1. das Zusammentreten zweier oder einiger Stoffe zu einem einzigen, + der in +allen+ Eigenschaften von seinen Bestandteilen abweicht, + + 2. der Zerfall eines Stoffes in zwei oder einige, die in allen + Eigenschaften von ihm verschieden sind, + + 3. der Austausch von Bestandteilen zwischen zwei Stoffen, so daß + beide dadurch in ganz neue Stoffe verwandelt werden. + +Für den ersten Fall haben wir in den Verbrennungen viele treffliche +Beispiele kennen gelernt. Blei tritt mit Sauerstoffgas zu gelber +Bleiasche zusammen, welche in allen ihren Eigenschaften gänzlich +verschieden ist sowohl vom Blei als vom Sauerstoff. Ein prächtiger +Versuch zum Beweis des gleichen Falles ist die Bildung des +Jodquecksilbers aus Jod und Quecksilber. Sie kaufen sich eine +Zweikugelröhre aus schwer schmelzbarem Glas, wie Abb. 6, und bringen in +die eine Kugel etwas gepulvertes Jod, in die andere etwas Quecksilber. +Wenn Sie nun erst das Quecksilber und dann das Jod erwärmen, so +bilden sich prachtvoll glänzende Kristalle von rotem Jodquecksilber. +Dieser Versuch zeigt Ihnen zugleich, wie töricht es wäre, Chemie aus +Büchern lernen zu wollen, ohne Versuche zu machen. Denn der +Name+ +„Jodquecksilber“ läßt die beiden Bestandteile so leicht erkennen, +daß man dadurch auf die falsche Meinung gebracht werden könnte, das +wirkliche Jodquecksilber lasse seine Bestandteile ebenfalls leicht +unterscheiden, so wie ein „Kesselwagen“ den Kessel und Wagen, ein +„Motorrad“ den Motor und das Rad. Man sieht aber im Versuch mit +Erstaunen, daß Jodquecksilber weder mit Jod, noch mit Quecksilber die +geringste Ähnlichkeit hat. + +[Illustration: Abb. 6. Jod und Quecksilber.] + +Die zweite Reihe von chemischen Vorgängen ist durch den +Zerfall+ eines +Stoffes in einige, von ihm verschiedene, gekennzeichnet. Beispiele +dafür kennen Sie schon längst; denn Sie wissen, daß man Wolle, Haare, +Kleiderstoffe, Holz usw. nicht erhitzen kann, ohne daß sie „sich +zersetzen“, d. h. eben in solche anderen Stoffe chemisch zerfallen. + +Auch für die dritte Reihe von chemischen Vorgängen haben wir schon +Beispiele kennen gelernt. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei +Stoffe durch den Austausch gewisser Bestandteile in zwei ganz neue +Stoffe verwandelt werden. So entstand durch solchen Austausch aus ++Bleiasche+ und +Kohlenpulver+: +Bleimetall+ und +Kohlensäuregas+, aus ++Kohlensäuregas+ und +Magnesiummetall+: schwarze +Kohle+ und weiße ++Magnesiumasche+. + +Durch Nachdenken über Ihre Frage bin ich noch auf einen anderen +Unterschied zwischen physikalischen und chemischen Vorgängen gekommen: +durch physikalische Prozesse wird das Gewicht des Stoffes, welcher dem +Prozeß unterworfen wird, nicht verändert: ein Kilo Wasser behält sein +Gewicht bei, auch wenn es gefriert oder in Dampf verwandelt wird. Durch +chemische Vorgänge wird aber das Gewicht eines Stoffes stets vermehrt +oder vermindert, je nachdem er einem chemischen Aufbau oder Zerfall +unterworfen wird. Diese Gewichtsänderungen sind nun sehr interessant, +weil sie nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten erfolgen, welche ich mich +nun bemühen will, Ihnen klar zu machen. + +Wir haben im Anfang unserer Unterhaltungen auf einer Wage einen kleinen +Berg aus Magnesiumpulver errichtet, haben ihn dann angezündet und +festgestellt, daß er durch Sauerstoffaufnahme aus der Luft sein Gewicht +vermehrte und dabei in weiße Magnesiumasche verwandelt wurde. Wir +können uns nun fragen: wieviel Sauerstoff enthält diese Asche? Gibt es +davon etwa verschiedene Qualitäten von verschiedenem Sauerstoffgehalt, +so wie man fettreichen und fettarmen Käse kennt? Wird etwa die weiße +Magnesiumasche noch reicher an Sauerstoff und noch schwerer, wenn +man sie an der Luft weiterhin glüht? -- Oder gibt es stets dieselbe, +einzigartige Verbindung einer ganz bestimmten Menge Magnesium mit einer +unabänderlichen Menge Sauerstoff? -- + +Diese Frage hat die Chemiker erst um die Wende vom 18. zum 19. +Jahrhundert zu interessieren angefangen, obgleich sie von so +beispielloser Wichtigkeit ist, daß erst von ihrer Beantwortung an +die Chemie ihren ungeheuren Aufschwung nehmen konnte. Da haben denn +zahllose Untersuchungen ergeben, daß es allerdings von einem und +demselben Metall verschiedene Aschen mit verschiedenem Sauerstoffgehalt +gibt. So gibt es z. B. vom Blei nicht weniger als drei verschiedene +Aschen, nämlich die gelbe Bleiglätte, das braunschwarze Bleisuperoxyd +und die rote Mennige. Aber trotzdem hat es damit eine ganz andere +Bewandtnis als mit den Käsesorten von verschiedenem Fettgehalt. +Denn der Fettgehalt eines Käses kann in jeder beliebigen Abstufung +reguliert werden; ist mir ein Käse von 20 % Fettgehalt noch ein wenig +zu mager, so kann ich den Fabrikanten veranlassen, den Fettgehalt um +1, 2 oder 3 % zu erhöhen -- ganz nach meinen Wünschen. Finde ich aber +die Bleiglätte, welche stets unabänderlich 7,17 % Sauerstoff enthält, +für meine Zwecke zu arm an Sauerstoff, so kann ich ihren Gehalt daran +allerdings auch erhöhen, +aber nicht nach Belieben+: ich kann sie nur +in +Mennige+ verwandeln, welche außer dem Metall Blei noch 9,34 % +Sauerstoff enthält, oder in Bleisuperoxyd, welches 13,81 % Sauerstoff +enthält. +Mittelstufen zwischen diesen gibt es nicht.+ Auch besteht +noch ein wichtiger Unterschied gegenüber den Käsesorten: diese sind +doch im Grund, trotz ihres verschiedenen Bleigehalts, von gleicher Art +und gleichartigen Eigenschaften. Die drei Sauerstoffverbindungen des +Bleis sind dagegen +grundverschieden+ voneinander: Bleiglätte ist gelb, +Mennige zinnoberrot, Bleisuperoxyd dunkelbraun. Bleiglätte löst sich +in Essigsäure und in Salpetersäure leicht auf, Bleisuperoxyd in keiner +von beiden Säuren, Mennige wird durch Salpetersäure in Bleisuperoxyd +verwandelt usw. + +Es werden also die Verhältnisse bei chemischen Vorgängen von einem +Gesetz beherrscht, welches der Engländer +John Dalton+, Lehrer in +Manchester, um 1803 herum entdeckte und als „+Gesetz der bestimmten +Gewichtsverhältnisse+“ bezeichnete. + +Etwas schwieriger war die Entdeckung eines zweiten Gesetzes über +denselben Gegenstand, welche durch denselben Forscher wenige +Jahre später erfolgte. Ich kann sie Ihnen ebenfalls an den drei +Sauerstoffverbindungen des Bleis klarmachen. Wir haben vorhin folgende +Prozentgehalte Sauerstoff für diese drei Verbindungen erwähnt: + + Bleiglätte 7,17 + Mennige 9,34 + Bleisuperoxyd 13,81 + +Rechnet man nun diese Sauerstoffgehalte um auf je einen Gewichtsteil +Bleimetall, so findet man: + + in +Bleiglätte+ sind mit 1 g Blei verbunden: 0,0773 ~g~ Sauerstoff + „ +Mennige+ „ „ „ „ „ „ 0,1030 „ „ + „ +Bleisuperoxyd+ „ „ „ „ „ „ 0,1546 „ „ + +Betrachtet man diese Zahlen genauer, so erkennt man leicht, daß das +Bleisuperoxyd genau doppelt soviel, die Mennige genau um ein Drittel +mehr Sauerstoff enthält als die Bleiglätte. Dieselbe Beobachtung +macht man, wenn man die Aschen anderer Metalle, z. B. des Eisens, mit +der Wage und rechnerisch kontrolliert. +Stets ergeben sich zunächst +komplizierte Zahlen, die aber stets untereinander in einem einfachen +Verhältnis stehen.+ Diese Verhältnisse sind so einfach, daß man sie +stets durch einstellige ganze Zahlen bezeichnen kann, also z. B. 1 : 2, +oder 3 : 4, oder 4 : 7 usw. + +Dieses Gesetz heißt: „+Gesetz der mehrfachen Gewichtsverhältnisse+“. + +Durch die beiden Gesetze der „bestimmten“ und der „mehrfachen“ +Gewichtsverhältnisse sind alle chemischen Vorgänge scharf +gekennzeichnet. Ich hoffe, damit Ihre Frage in verständlicher Form +beantwortet zu haben, und bitte Sie nur, mir Ihre Zweifel stets +mitzuteilen. + + Mit herzlichen Grüßen + + Ihr + + L. W. + + + + +4. Atom und Molekül. + +(Eine Unterhaltung zwischen einem Laien und einem Chemieprofessor im +Laboratorium.) + + ++Der Laie+: Lieber Professor, gestatten Sie mir, daß ich Ihren +wissenschaftlichen Theorien den Vorwurf mache, daß sie unserem +Laienverstand oft ein wenig +naiv+ vorkommen. Was will Ihre +Wissenschaft z. B. mit der +Atomtheorie+ sagen! Ist es wirklich Ihr +Ernst zu behaupten, daß die Teilbarkeit einmal eine Grenze haben soll? +Daß man z. B. den Feinheitsgrad eines Pulvers durch Mahlen nicht +über eine gewisse Stufe erhöhen könne? Uns Laien erscheint, offen +gesagt, die Annahme geradezu lächerlich, daß ein so winziges Teilchen +plötzlich gegen jeden weiteren Teilungsversuch eine unüberwindliche +Widerstandskraft entwickeln soll, während wir mit unseren Sprengstoffen +doch sogar Nickelstahlpanzer bequem in Teile zerlegen können. Wer ist +eigentlich zuerst auf diesen absurden Gedanken gekommen? + ++Der Professor+: Der Gedanke lag am Ende des 18. Jahrhunderts sozusagen +in der Luft; klar ausgesprochen wurde er am Beginn des 19. Jahrhunderts +zum erstenmal von demselben +John Dalton+ in Manchester, der die beiden +Gesetze der einfachen und mehrfachen Gewichtsverhältnisse zuerst +entdeckt hat. Was nun Ihre Einwände betrifft, so können Sie sich mit +der Tatsache trösten, daß auch wir Fachgelehrten in der Anfangszeit +unseres Chemiestudiums ebenso gedacht haben, wie Sie jetzt denken. Um +so mehr dürfte es Sie interessieren, daß die Atomlehre in den hundert +Jahren ihrer Entwicklung an Wahrscheinlichkeit nicht verloren, sondern +im Gegenteil soviel gewonnen hat, daß heute wohl kein Chemiker im Ernst +daran zu zweifeln wagt. + ++Der Laie+: Das ist mir ganz unbegreiflich, und Sie machen mich +ordentlich neugierig, die Gründe zu hören. + ++Der Professor+: Die ältesten und noch immer nicht widerlegbaren +Gründe für die Atomtheorie liefern uns die beiden Daltonschen +Verbindungsgesetze (das der bestimmten und das der vielfachen +Gewichtsverhältnisse). Hätte nämlich die Teilbarkeit der Stoffe keine +Grenze, so müßten sich z. B. Blei und Sauerstoff in beliebigen Mengen +miteinander verbinden lassen, so wie man etwa Spiritus und Wasser in +beliebigen Verhältnissen miteinander mischen kann. Denn wenn schon das +Blei den Sauerstoff anzieht und sich chemisch mit ihm verbindet, so +ist nicht einzusehen, warum diese Verbindung nicht +kontinuierlich+ +bis zu einem gewissen Sättigungsgrad erfolgt. Daltons Gedanke, die +Eigenschaft der Teilbarkeit der Stoffe nur bis zur Größe der Atome +gelten zu lassen, erklärt diese Tatsache augenblicklich in einer +verblüffend einfachen Weise: ein kleinstes Bleiteilchen (Blei+atom+) +verhält sich zu einem kleinsten Sauerstoffteilchen (Sauerstoffatom) +dem Gewichte nach wie 1 zu 0,0773. Also besteht der chemische Prozeß +bei der Verbrennung des Bleis einfach darin, daß sich je ein Bleiatom +mit einem Sauerstoffatom verkettet. So erklärt sich sozusagen spielend +das bestimmte Gewichtsverhältnis zwischen Blei und Sauerstoff, denn +das sind eben die Gewichte der Atome. So erklärt es sich auch, warum +es keine Übergangszustände gibt zwischen reinem Blei und reiner +Bleiglätte, so etwa, wie man solche Übergangszustände zwischen reinem +und verdünntem Spiritus kennt. + ++Der Laie+: Das scheint mir wirklich überzeugend. -- Woher kommt denn +der sonderbare Name „Atom“ für diese kleinsten Teilchen? + ++Der Professor+: Das Wort kommt aus dem Griechischen und bedeutet +„unteilbar“, unzerschneidbar. + ++Der Laie+: Wie erklärt aber Daltons Atomtheorie die Tatsache, daß es +außer der Bleiglätte noch zwei andere Sauerstoffverbindungen des Bleies +gibt? + ++Der Professor+: Hier gerade zeigt sich die Stärke dieser Lehre: sie +betrachtet die kleinsten Teilchen des Bleisuperoxyds als Verkettungen +von je +einem+ Bleiatom mit +zwei+ Sauerstoffatomen, wie folgende +Zeichnung andeutet: + +[Illustration: Abb. 7. Ein Molekül Bleisuperoxyd, wie es nach Daltons +Vorstellung aussieht.] + +und die Mennige als eine Verkettung von +drei+ Bleiatomen mit +vier+ +Sauerstoffatomen: + +[Illustration: Abb. 8. Ein Molekül Mennige enthält dagegen ein +vierarmiges und zwei zweiarmige Bleiatome.] + +Wenn Sie die Gewichtsverhältnisse dieser Atome nachrechnen, werden Sie +genau dieselben Zahlen finden, welche wir früher als kennzeichnend für +die drei Sauerstoffverbindungen des Bleis kennengelernt haben. + ++Der Laie+: Nach Ihren Figuren zu schließen, würden diese Atome +miteinander durch eine Art von +Armen+ verkettet sein. + ++Der Professor+: Ja. Man nimmt dies an und nennt diese Striche +„+Wertigkeits+“arme oder „+Valenzen+“ oder schlechthin „+Bindungen+“. +Über sie wäre noch manches zu sagen. + ++Der Laie+: An Ihren Zeichnungen fällt mir etwas auf, was ich mir +nicht erklären kann. Angenommen, die Atome hätten wirklich solche +Wertigkeitsarme, womit sie einander fassen und festhalten: so müssen +wir doch annehmen, daß die Anzahl dieser Arme für jedes Atom Blei +gleich groß bleibt. In Ihrer Abbildung 7 hat aber das Bleiatom vier +Arme, ebenso das mittlere Bleiatom der Abbildung 8, während die beiden +äußeren Bleiatome dieser Abbildung nur je zwei Arme haben. -- Wie geht +das zu? + ++Der Professor+: Ihre Frage rührt an eine kritische Stelle der +Atomtheorie. Diese Lehre nimmt nämlich allerdings an, daß die Anzahl +dieser Arme oder „+Valenzen+“ beim gleichen Atom wechseln kann. Sie +nennt das Bleiatom in der Bleiglätte +zweiwertig+, weil es zwei +Arme hat, dasjenige im Bleisuperoxyd vierwertig, weil es vier Arme +hat; und sie nimmt mit gutem Grund an, daß in der +Mennige+ ein +vierwertiges und zwei zweiwertige Bleiatome enthalten sind. Auf den +ersten Blick erscheint diese Erweiterung der Atomlehre durch die ++Wertigkeits+theorie, welche wir dem Chemiker +Kekulé+ verdanken, sehr +willkürlich. Allein es sprechen gewichtige Tatsachen dafür. Bleiglätte +löst sich nämlich in Salpetersäure auf, Bleisuperoxyd nicht. Behandelt +man nun die zinnoberrote Mennige mit Salpetersäure, so lösen sich darin +zwei Drittel ihres Bleigehalts auf, während das letzte Drittel ungelöst +übrig bleibt. Dieses ist aber nun nicht mehr zinnoberrot, sondern +dunkelbraun gefärbt: es besteht aus reinem Bleisuperoxyd. + ++Der Laie+: Dieses Versuchsergebnis spricht allerdings sehr für die +Richtigkeit der Wertigkeitslehre. Wenn nun, wie ich vermute, jedes Atom +seine eigene und besondere Wertigkeit hat und damit auch noch wechseln +kann, wie sollen wir Anfänger uns dies alles merken? Jod und Magnesium +und Quecksilber und Eisen haben doch gewiß auch alle verschiedene +Wertigkeiten? + ++Der Professor+: Das „Merken“ ist hier, wie überall, Sache der +praktischen Erfahrung und Übung. Jedoch werden wir vielleicht später +im „+periodischen System der Elemente+“ ein Hilfsmittel kennen lernen, +welches uns dieses Merken ganz außerordentlich erleichtert. + ++Der Laie+: Von „+Atomen+“ kann man aber jedenfalls nur bei einfachen, +chemisch unteilbaren Stoffen reden; denn die kleinsten Teilchen +chemischer Verbindungen, wie z. B. der Mennige, bestehen offenbar aus +einer Mehrzahl von Atomen. + ++Der Professor+: Ja. Die Atome sind stets die kleinsten Teilchen +der unzerlegbaren Stoffe, der „+Elemente+“. Die zerlegbaren +Stoffe, welche aus Verbindungen der Elemente bestehen, müssen natürlich +auch in ihren kleinsten Teilchen von jedem Element wenigstens ein +Atom enthalten. Die kleinsten Teilchen solcher Verbindungen nennt man ++Moleküle+ (vom lateinischen Wort ~molecula~, die kleine Masse). + ++Der Laie+: Wie ist das nun: haben die Atome der verschiedenen Elemente +lauter verschiedene Gewichte, oder gibt es auch gleich schwere darunter? + ++Der Professor+: Sie sind alle voneinander verschieden, wenn auch +manchmal nur um geringe Beträge, wie z. B. Nickel und Kobalt. + ++Der Laie+: Ich habe in chemischen Lehrbüchern schon manchmal solche +Zahlen gesehen, die als „Atomgewichte“ bezeichnet waren. Ich konnte und +kann mir noch immer nicht vorstellen, wie man gerade auf diese Zahlen +gekommen ist. Ich erinnere mich z. B., für Blei die Zahl 207 gesehen zu +haben. Das soll doch heißen, daß das Bleiatom 207 mal schwerer ist als +etwas anderes. Aber was ist dieses andere? Womit hat man sich die Atome +gewogen zu denken? + ++Der Professor+: Dieses andere ist das Wasserstoffatom. Es ist +gewissermaßen das Grammgewicht im Gewichtskasten des theoretischen +Chemikers. Blei hat wirklich das Atomgewicht 207; das heißt: sein Atom +ist 207 mal schwerer als das Wasserstoffatom. -- Können Sie sich denn +denken, wie man diese Wägung gemacht hat? + ++Der Laie+: Ich denke, man hat sie überhaupt nicht gemacht, denn die +Atome sind natürlich viel zu klein, um gewogen werden zu können. Aber +das ist wohl auch gar nicht nötig, denn das Gesetz der bestimmten +Gewichtsverhältnisse erspart uns ja diese Wägung. Man braucht wohl nur +gemessen zu haben, wieviel Gramm Blei sich mit einem Gramm Wasserstoff +verbinden, und so wird man wohl die Zahl 207 gefunden haben. + ++Der Professor+: Sie haben beinahe recht. Die Sache wird nur dadurch +ein wenig umständlicher, daß Blei und Wasserstoff sich anscheinend +überhaupt nicht miteinander verbinden, wenigstens ist es bis jetzt +nicht gelungen, eine solche Verbindung herzustellen. Man mußte +daher das Atomgewicht des Bleis auf einem Umweg bestimmen. Man +hat den Wasserstoff einer anderen chemischen Verbindung, nämlich +der Schwefelsäure, durch Blei ersetzt und hat mit der Wage leicht +feststellen können, wieviel Blei zum Ersatz von einem Gramm Wasserstoff +notwendig war. Dabei war allerdings noch darauf Rücksicht zu nehmen, +daß das Wasserstoffatom nach allen chemischen Erfahrungen stets +nur einen Wertigkeitsarm besitzt, das Bleiatom aber in den meisten +Verbindungen zwei solche hat. Also tritt in der Schwefelsäure ein +Bleiatom stets an die Stelle von zwei Wasserstoffatomen. Das wahre +Atomgewicht des Bleis muß daher doppelt so groß sein als die Zahl 103½, +welche man auf diesem Umweg findet. + ++Der Laie+: Das ist ja ein förmliches Schulbeispiel für die Wahrheit +des Satzes: „Nah beieinander wohnen die Gedanken, doch hart im Raume +stoßen sich die Sachen.“ -- Gibt es denn nun noch weitere Beweise für +das Vorhandensein der Atome? Denn wir haben uns bisher doch nur auf +die, allerdings sehr ernst zu nehmenden, Daltonschen Gesetze gestützt. + ++Der Professor+: Die Gründe sind so zahlreich wie der Sand am Meer. Ich +will ein paar von den auffallendsten herausgreifen. Da ist zunächst +das sonderbare Verhalten der Gase in physikalischer und chemischer +Hinsicht. Es weist geradezu auf eine Zusammensetzung aus kleinsten +Teilchen hin. Es ist nämlich höchst merkwürdig, daß +alle+ Gase in +physikalischen Beziehungen sich ganz gleichartig verhalten, wenn sie +auch chemisch noch so verschieden zusammengesetzt sind. Sie werden von +gleichen Drücken gleich stark zusammengepreßt und dehnen sich durch +gleich starke Erwärmung um den gleichen Betrag aus. Dies gilt ebenso +für das einfache, leichte Wasserstoffgas, wie für das schwere und +zusammengesetzte Kohlensäuregas. Also muß dieses gleichartige Verhalten +von der +chemischen+ Natur der Gase unabhängig sein. + ++Der Laie+: Mit der +physikalischen+ Beschaffenheit der Atome kann es +wohl auch nicht zusammenhängen: denn ein Wasserstoffatom ist doch viel +kleiner und leichter als ein Kohlensäuremolekül? Ich kann mir nicht +denken, welche physikalische Eigenschaft der Atome da noch ins Gewicht +fallen könnte? + ++Der Professor+: Sie vergessen die wichtigste Eigenschaft dieser +kleinen Teilchen, nämlich ihre +Zahl+. Tatsächlich erklären sich +alle gemeinsamen Eigenschaften der Gase geradezu spielend, wenn man +annimmt, daß gleich große Räume verschiedener Gase die gleiche Anzahl +kleinster Teilchen enthalten, seien es nun Atome oder Moleküle. Diese +Teilchen befinden sich in fortwährender, rascher Bewegung, und ihr +heftiger Anprall an die Gefäßwände erscheint uns als der Druck, welchen +das Gas auf diese ausübt. Gleich viele Teilchen müssen natürlich den +gleichen Druck ausüben. Durch +Erwärmen+ wird die Geschwindigkeit +der Bewegung, also auch die Heftigkeit des Aufprallens auf die Wände +gesteigert: tatsächlich wächst der Druck jedes Gases mit der Temperatur. + ++Der Laie+: Dies klingt freilich sehr bestechend. Aber die Wucht des +Anpralls an die Gefäßwände hängt doch nicht bloß von der Anzahl der +Teilchen ab; da kommt doch auch ihr Gewicht und ihre Geschwindigkeit in +Betracht? + ++Der Professor+: Gewiß. Je schwerer ein Teilchen ist, um so langsamer +muß seine Bewegung sein, wenn es mit der gleichen Wucht aufprallen +soll, wie ein leichtes Teilchen. Tatsächlich ist nun der Gasdruck +des leichten Wasserstoffgases und des schweren Kohlensäuregases +gleich groß. Da die Kohlensäureteilchen 22 mal schwerer als die +Wasserstoffteilchen sind, so müssen wir annehmen, daß sie sich viel +langsamer bewegen als diese. + ++Der Laie+: Mir scheint, Ihre Theorien bedürfen doch einer zu großen +Anzahl von Voraussetzungen, und sie verlieren dadurch recht erheblich +an Wahrscheinlichkeit. + ++Der Professor+: Ich will Ihnen aber zeigen, daß jede dieser +Voraussetzungen zu Folgerungen führt, welche mit den Tatsachen +übereinstimmen. So haben wir eben festgestellt, daß die schweren +Kohlensäureteilchen sich langsamer bewegen als die leichten +Wasserstoffteilchen, weil sie sonst bei gleicher Anzahl nicht den +gleichen Druck auf die Gefäßwände erzeugen könnten. Vorher hatte +ich erwähnt, daß Erwärmung die Geschwindigkeit der Teilchen erhöht, +Abkühlung infolgedessen sie verringert. Die Kohlensäureteilchen müssen +also durch starke Abkühlung leichter und früher zur völligen Ruhe +kommen als die rascher bewegten Wasserstoffteilchen. Tatsächlich ballen +sich die Kohlensäureteilchen, wenn man sie auf 80 ° unter Null abkühlt, +zu einem weißen Schnee zusammen, der zu Boden sinkt. Um das gleiche +Ergebnis beim Wasserstoff zu erzielen, muß man dieses Gas viel stärker, +nämlich auf 260 ° unter Null, abkühlen. + ++Der Laie+: Dies ist freilich sehr merkwürdig. Besteht dieses +Verhältnis zwischen Schwere und Verdichtbarkeit bei allen Gasen? + ++Der Professor+: Bei allen, wäre wohl zuviel gesagt. Es gibt erklärbare +Ausnahmen. Aber trotzdem werden Sie fast niemals fehl gehen, wenn Sie +die schweren Gase als leicht verdichtbar, die leichten als schwer +verdichtbar betrachten. Zum Beweis stelle ich Ihnen für einige Gase die +entsprechenden Zahlen zusammen: + + ----------------+-------+-----------+----------+----------+----------- + | Chlor | Kohlen- |Sauerstoff|Stickstoff|Wasserstoff + | | säuregas | | | + ----------------+-------+-----------+----------+----------+----------- + Molekulargewicht| 70,4 | 44 | 32 | 28 | 2 + ----------------+-------+-----------+----------+----------+----------- + wird flüssig | | | | | + (od. fest) bei: |-34 ° | -79 ° | -183 ° | -196 ° | -259 ° + ++Der Laie+: Gibt es noch andere Gründe für die Annahme, daß die +verschiedenen Gase im gleichen Raum gleichviel Moleküle enthalten? + ++Der Professor+: Allerdings! Sie erinnern sich wohl, wie wir am Anfang +zu dem Begriff „Atomgewicht“ gelangt sind: nicht etwa durch Wägung der +Atome, sondern durch das Gesetz der bestimmten Gewichtsverhältnisse +bei chemischen Verbindungen. Wenn wir z. B. +Silber+ mit +Chlorgas+ +zusammenbringen, so beobachten wir, daß 108 Gramm Silber sich mit +35,2 Gramm Chlor verbinden. Lassen wir aber Silber etwa in der +Salpetersäure an die Stelle von Wasserstoffgas eintreten, so finden +wir, daß 108 Gramm Silber genau 1 Gramm Wasserstoffgas ersetzen. +Daraus hat bekanntlich Dalton den Schluß gezogen, daß das Silberatom +108 mal schwerer ist als das Wasserstoffatom, während das Chloratom +35,2 mal so schwer als dieses ist. Ist es nun nicht merkwürdig, daß +auch +ein Liter+ Chlorgas genau 35,2 mal schwerer ist als +ein Liter+ +Wasserstoffgas? + ++Der Laie+: Das ist allerdings sonderbar; denn die Zahl 35,2 haben +wir doch auf +chemischem+ Weg aus den Vorgängen zwischen Silber, +Salpetersäure und Chlorgas gefunden. + ++Der Professor+: Ganz richtig! Und nun begegnen wir derselben Zahl +durch eine rein physikalische Vergleichung der Gewichte von Chlor und +Wasserstoffgas wieder. Dies +kann+ doch nur dadurch erklärt werden, +daß gleiche Raumteile der beiden Gase gleichviel Atome enthalten. +Denn wenn 1 Atom Chlor 35,2 mal schwerer ist als 1 Atom Wasserstoff, +so ist natürlich auch eine Milliarde Chloratome 35,2 mal schwerer als +eine Milliarde Wasserstoffatome. Ist umgekehrt 1 Liter Chlor 35,2 mal +schwerer als 1 Liter Wasserstoff, so müssen beide gleichviel Atome +enthalten. + ++Der Laie+: Dieser Beweis befriedigt mich schon besser. Gibt es noch +weitere Gründe für die Atomtheorie? + ++Der Professor+: Wenn Sie die letzterwähnte Tatsache eingesehen haben, +bin ich eigentlich erst in den Stand gesetzt, Sie mit den wichtigsten +Gründen vertraut zu machen. Solche wurden besonders durch das genaue +Studium der Eigenschaften der +Lösungen+ erschlossen. Es handelt sich +dabei nur um +echte+ Lösungen, worunter wir solche verstehen wollen, +welche beim Verdunsten des Lösungsmittels den gelösten Stoff wieder +in Kristallen abscheiden. Diese Lösungen haben folgende sonderbare +Eigenschaften gemeinsam: + + 1. Der gelöste Stoff erniedrigt den Gefrierpunkt des Lösungsmittels, + + 2. der gelöste Stoff erhöht den Siedepunkt des Lösungsmittels, + + 3. der gelöste Stoff macht das Lösungsmittel zu einem Leiter der + Elektrizität, + + 4. der gelöste Stoff übt im Lösungsmittel einen eigentümlichen Druck, + den +osmotischen+ Druck, aus; + +Sie erkennen ihn am einfachsten an der gewaltigen Aufblähung, welche +eine mit Salzwasser gefüllte Schweinsblase erleidet, wenn man sie +in reines Wasser legt. -- Diese vier Eigenschaften sind nun im +allgemeinen derart von der Menge des gelösten Stoffes abhängig, daß +die doppelte Menge auch die doppelte Wirkung ausübt. Reines Wasser z. +B. gefriert bekanntlich bei 0 ° und kocht unter normalen Verhältnissen +bei 100 ° Celsius; löse ich nun 100 Gramm Zucker in einem Liter +Wasser, so wird diese Lösung erst unterhalb von 0 ° gefrieren und erst +oberhalb von 100 ° kochen. Löse ich aber 200 Gramm Zucker im Liter, +so bewirkt diese doppelte Zuckermenge auch eine doppelt so große +Gefrierpunktserniedrigung und Siedepunktserhöhung, aber auch eine +Verdoppelung der elektrischen Leitfähigkeit und des Quellungsdrucks +(osmotischen Drucks). + ++Der Laie+: Aber dies hat doch mit der Atomlehre eigentlich nichts zu +schaffen? -- + ++Der Professor+: Mehr, als Sie denken. Es hat nämlich neugierige +Menschen gegeben, welche sich die Frage vorlegten: welche Mengen +muß man von +zwei verschiedenen+ Stoffen in der gleichen Menge des +Lösungsmittels auflösen, damit sie dessen Eigenschaften um den gleichen +Betrag ändern? Also, z. B., wieviel Traubenzucker muß in 1 Liter Wasser +gelöst werden, damit dessen Gefrierpunkt um ebensoviel erniedrigt +wird, wie durch 100 Gramm Rohrzucker? -- Das Experiment hat nun die +sonderbare Antwort erteilt, daß in diesem Fall die Mengen der gelösten +Stoffe im +Verhältnis ihrer Molekulargewichte+ stehen müssen. Da der +Rohrzucker fast das doppelte Molekulargewicht des Traubenzuckers hat, +so braucht man von ihm in der Tat fast doppelt soviel. + ++Der Laie+: Dieses Gesetz erinnert ja geradezu an die Verhältnisse der +Gase, deren Gewicht ebenfalls vom Molekulargewicht abhängt. + ++Der Professor+: Dieser nämliche Gedanke veranlaßte den Chemieprofessor +van’t Hoff, einmal die Frage zu prüfen, ob vielleicht der +Quellungsdruck (osmotische Druck) gelöster Stoffe dieselbe Ursache +habe, wie der Druck der Gase. Er wollte also prüfen, ob auch der +Quellungsdruck durch den Anprall der Moleküle des gelösten Stoffes +verursacht würde. + ++Der Laie+: Ich kann mir gar nicht denken, wie diese Frage durch +Versuche zu entscheiden wäre. + ++Der Professor+: Darin zeigte sich gerade die Genialität van’t +Hoffs. Er entschied und beantwortete die Frage klar, ohne einen +einzigen Versuch auszuführen, allein durch Umrechnungen aus alten +Versuchsergebnissen des Botanikers +Pfeffer+ über den osmotischen +Druck, den Pfeffer entdeckt hatte. Er sagte sich: wenn der Druck in +Gasen und Lösungen nur von der Anzahl der Moleküle abhängt, so müssen +44 Gramm Kohlensäuregas, wenn man sie auf den Raum eines Liters +zusammenpreßt, denselben Druck als Gasdruck zeigen, welchen 180 Gramm +Traubenzucker, in einem Liter Wasser gelöst, als osmotischen Druck +ausüben. Denn 180 ist das Molekulargewicht des Traubenzuckers. + ++Der Laie+: Und was haben die Zahlen Pfeffers darauf geantwortet? + ++Der Professor+: Was im Sinn der Atomlehre zu erwarten war: +die beiden +Drucke stimmten überein+. + ++Der Laie+: Aber das ist ja wunderbar, das ist ein Triumph der +Atomtheorie, ein Triumph des menschlichen Geistes! + + + + +5. Die Wärmeänderungen bei chemischen Vorgängen. + + +Es ist für alle chemischen Vorgänge sehr kennzeichnend, daß dabei +entweder Wärme entwickelt oder Wärme verschluckt wird. Es gibt keinen +einzigen chemischen Vorgang, der nicht das eine oder das andere +täte. Diese Veränderungen des Wärmeinhalts der Stoffe sind zwar +kein Unterscheidungsmerkmal zwischen chemischen und physikalischen +Vorgängen, wie schon früher erklärt wurde; aber sie sind für die Frage +der Beständigkeit und für gewisse andere Eigenschaften der Stoffe von +so hoher Bedeutung, daß wir uns etwas eingehender damit befassen wollen. + +Betrachten wir zuerst diejenigen chemischen Vorgänge, bei welchen Wärme ++entwickelt+ wird. Man nennt sie „+exothermische+“ Vorgänge. Beachten +wir ferner, daß jeder chemische Vorgang entweder in einem +Zerfall+ +oder in einer +Neubildung+ (oder einer Vereinigung beider) besteht, +und beschäftigen wir uns zunächst nur mit den Neubildungen. Wir wollen +also solche Neubildungen betrachten, welche unter Wärme+entbindung+ +erfolgen. Sie liefern stets sehr +beständige+ Produkte, d. h. solche +Stoffe, welche nur schwierig in ihre Bestandteile zerlegbar sind. Ein +gutes Beispiel ist die Bildung des Wassers aus Wasserstoffgas und +Sauerstoffgas. Diese beiden Gase kann man bei gewöhnlicher Temperatur +miteinander vermischen, ohne daß sie sich chemisch verbinden. Bringt +man aber das Gemisch mit einer Flamme in Berührung, so erfolgt die +Vereinigung beider Gase zu Wasserdampf. Dabei wird plötzlich eine +ungeheure Wärmemenge frei, welche die Gase auf hohe Glut erhitzt +--: die Vereinigung erfolgt deshalb unter starker Explosion. Daraus +schließen wir zunächst, daß es falsch ist zu sagen: + + Wasserstoffgas + Sauerstoffgas = Wasser. + +Denn das Wasser ist doch um den Betrag der freigewordenen Wärme ärmer +als das Gemisch der beiden Gase. Diese freigewordene Wärme ist sogar +das eigentlich Unterscheidende zwischen dem Gasgemisch und dem daraus +gebildeten Wasser. Wir müssen daher die Wasserbildung so formulieren: + + (Wasserstoffgas + Sauerstoffgas) − =Wärme= = Wasser. + +Haben wir uns diese Tatsache fest eingeprägt, so begreifen wir leicht, +warum das Wasser eine so beständige Verbindung ist: es kann in seine +beiden Elemente nicht zerfallen, ohne daß ihm die entwichene Wärme +zuvor wieder zugeführt wird. Da nun diese Wärmemenge sehr groß ist, +so muß das Wasser (als Dampf) bis auf 1800 ° erhitzt werden, damit es +wieder in Wasserstoff und Sauerstoff zerfällt. So riesige Wärmemengen +bieten sich dem Wasser nicht leicht dar, deshalb kann es von selbst +nicht wieder zerfallen. + +Es ist aber ohne weiteres klar, daß schon bei der Entstehung des +Wassers infolge der dabei auftretenden hohen Temperaturen die +Möglichkeit gegeben ist, daß es wenigstens teilweise wieder zerfällt. +Dadurch müßte ein Teil der freigewordenen Wärme wieder verbraucht +oder, wie der Fachausdruck lautet, „latent“ werden. In der Tat hat man +ausgerechnet, daß eine mit Sauerstoff gespeiste Flamme eine Temperatur +von nahezu 10000 ° ~C~ erzeugen müßte, wenn alle im ersten Augenblick +freiwerdende Wärme frei bliebe. Tatsächlich aber gibt diese Flamme kaum +2000 °, weil der Hauptteil der Wärme sofort wieder zur Spaltung des +Wasserdampfs verbraucht wird. + +Diese Tatsache wirft ein eigentümliches Licht auf den Vorgang der +Wärmeentwicklung überhaupt: dieser Vorgang richtet sich in seiner +ganzen Wirkung offenkundig gegen denjenigen chemischen Vorgang, +welchen er begleitet, nämlich gegen die Wasserbildung aus Wasserstoff +und Sauerstoff. Es ist, als ob die Natur nicht damit einverstanden +wäre, daß diese beiden Stoffe sich zu einem neuen Körper verbinden. +Sie entwickelt daher aus den Bestandteilen heraus die Wärme als +einen Widerstand gegen die Vereinigung, eine Kraft, welche das +Vereinigungsprodukt wieder in seine Bestandteile zu zerlegen strebt. +Sie erreicht jedoch diesen Zweck nur teilweise und unvollkommen, weil +viel Wärme in die Umgebung abgeleitet wird. + +Die „exothermischen“ Verbindungen sind also sehr beständig und können +nur durch große Energiezufuhr wieder in ihre Elemente gespalten +werden. Bei vielen von ihnen, z. B. bei den meisten Verbindungen des +Sauerstoffs mit den Metallen, reicht die höchste Glut unserer Öfen +zu dieser Zerlegung noch nicht aus. Doch dürfen wir mit Sicherheit +annehmen, daß in der Glut der +Sonne+ alle exothermischen Stoffe in +ihre Elemente gespalten sind. Deshalb hat man noch vor 20 Jahren +allgemein geglaubt, daß auf der Sonne überhaupt nur chemische Elemente +als Dämpfe existieren könnten. + +Diese Ansicht hat sich jedoch nach genauerer Untersuchung der +zweiten Gruppe chemischer Verbindungen, der „+endothermischen+“, +als Irrtum erwiesen. Darunter versteht man diejenigen chemischen +Verbindungen, welche bei ihrer Entstehung aus den Elementen Wärme +aufnehmen, welche also energiereicher als ihre Elemente sind. Zu +ihnen gehört das bekannte +Azetylengas+, welches aus Kohlenstoff und +Wasserstoff besteht, ferner das +Ozon+ und vor allem die sämtlichen ++Sprengstoffe+, also +Schießbaumwolle, Nitroglyzerin, Ammoniaksalpeter+ +und +Knallquecksilber+ und viele andere. Der Grund für die Explosivität +dieser Substanzen liegt in dem Wärmeüberschuß, den sie „latent“, +also innerlich gebunden, enthalten. Beim Zerfall müssen sie diesen +Wärmeüberschuß abgeben; er ist die Quelle der Explosionsenergie, der +Zertrümmerungsarbeit. Diese Verbindungen brauchen sich nur in ihre +Elemente umzulagern, um in einer viel energieärmeren Form bestehen zu +können. Die endothermischen Verbindungen verhalten sich also in jeder +Beziehung umgekehrt, wie die exothermischen. Diese entwickeln bei ihrem +Aufbau Wärme, jene bei ihrem Zerfall. Die Wärme, welche die beständigen +exothermischen Stoffe bei ihrer Entstehung abgeben, haben wir als +einen Widerstand gegen diese Bildung kennen gelernt. Ist vielleicht +auch die Explosionswärme, welche beim Zerfall der endothermischen +Stoffe frei wird, ein Widerstand der Natur gegen diesen Zerfall?! -- +Dies wäre nur dann möglich, wenn die Explosivstoffe in großer Hitze +beständig wären. Diese Annahme erscheint auf den ersten Blick ganz +widersinnig, weil man die meisten Explosivstoffe doch gerade durch +Erwärmen zur Explosion bringen kann. Aus diesem Grund hat man solche +Erwägungen lange ins Reich der Unmöglichkeit verbannt. Man hat sogar +in der Wärmeentwicklung beim Zerfall der Sprengstoffe einen Grund für +ihre Unbeständigkeit gesucht; man folgerte dabei etwa so: beim Zerfall +des ersten Sprengstoffteilchens entwickelt sich Wärme, welche die +Nachbarteilchen erhitzt und deren Zerfall beschleunigt; dadurch wird +noch mehr Wärme frei, welche auf weitere Nachbarteilchen im gleichen +Sinne wirkt, und so steigert sich spontan die Energie der Zerfalls. +Diese Steigerung erfolgt so blitzschnell, daß alle ihre Stufen zusammen +den einen Vorgang der Explosion bilden. + +Nun ist aber schon seit längerer Zeit bekannt, daß einige Sprengstoffe +mit besonderer Vorliebe in der ungeheuren Hitze des elektrischen +Funkens entstehen: so das +Azetylen+, wenn man eine Kohlenbogenlampe +in Wasserstoffgas brennen läßt; das +Ozon+, wenn elektrische Funken +durch Sauerstoffgas schlagen; die verschiedenen +Stickstoffoxyde+, wenn +dem Sauerstoff Stickstoff beigemischt wird usw. Zunächst glaubte man, +daß die Elektrizität hierbei nur die Wärmemenge liefere, welche alle +endothermischen Verbindungen bei ihrer Entstehung aus den Elementen +aufnehmen. Man glaubte, daß diese starke Aufschluckung der Wärme die +Sprengstoffe im Augenblick ihres Entstehens vor der Wirkung der Hitze +gewissermaßen schütze. Man glaubte somit, daß diese Sprengstoffe +der Einwirkung des elektrischen Funkens nur einen Augenblick lang, +nämlich für den Augenblick ihrer Entstehung, ausgesetzt sein dürften, +solange sie nämlich diese Wärme durch Aufschluckung unschädlich +machten. Man hielt es also für eine unerläßliche Bedingung des +Gelingens, daß die gebildeten Sprengstoffe der weiteren Einwirkung der +elektrischen Gluthitze durch sofortige Abkühlung entzogen würden. Man +war so unerschütterlich von dem Dogma der „Unbeständigkeit“ dieser +Sprengstoffe überzeugt, daß man es Jahrzehnte hindurch gar nicht +für nötig hielt, die Frage überhaupt nur aufzuwerfen, ob denn die +endothermischen Verbindungen bei ihrer hohen Entstehungstemperatur +nicht auch bestehen könnten. Als diese Frage einmal aufgeworfen wurde, +war sie auch gleich beantwortet: +die Sprengstoffe denken gar nicht +daran, in der Blauglut des elektrischen Lichtbogens zu zerfallen, +sondern sie sind gerade bei den höchsten Temperaturen unzerstörbar +feste Verbindungen+. Sie verlieren also in der höchsten Glut ihren +unbeständigen Charakter und fangen an, beständig zu werden, wenn die +„beständigen“ exothermischen Verbindungen anfangen zu zerfallen. +Dieses sonderbare Gesetz gilt nicht bloß für chemisch einheitliche +Verbindungen, sondern es gilt auch für explosive +Gemische+ von +Elementen: das bekannte +Knallgas+, die höchst explosive Mischung von +zwei Raumteilen Wasserstoffgas mit einem Raumteil Sauerstoffgas, ist +oberhalb von 1800 ° nicht mehr explosionsfähig. Deshalb erzählt der +berühmte nordische Chemiker +Svante Arrhenius+ in seinem Buche über +die Chemie der Himmelskörper, daß es in der glühenden Sonne nur zwei +Arten von Stoffen gibt: chemische +Elemente+ und +endo+thermische +Verbindungen. Die gewöhnlichen, bei uns so beständigen exothermischen +Verbindungen zerfallen bei dieser Glut sämtlich in ihre Elemente. + +Wärme kann also bei zwei Arten von chemischen Vorgängen auftreten: +entweder bei der +Entstehung+ exothermischer Verbindungen, oder beim ++Zerfall+ endothermischer Verbindungen. Die erste Art haben wir bereits +als einen Widerstand gegen die bevorstehende Veränderung erkannt. Nach +diesen Ausführungen wird es uns nicht schwer fallen, auch die zweite +Art der Wärmebildung als einen solchen Widerstand zu erkennen. Denn +die zerfallenden Sprengstoffe, welche Wärme abgeben, nähern sich doch +gerade dadurch demjenigen Zustand, in welchem sie nicht mehr zerfallen +können: dem Zustand höchster Erhitzung. Aber wie in jenem, so wird auch +in diesem Falle der Widerstand durch die Ableitung der Wärme in die +Umgebung teilweise wirkungslos gemacht. + +Die Sprengstoffe haben, soweit ihr Verhältnis zur Wärme in Betracht +kommt, auf physikalischem Gebiet ein Gleichnis: dies sind die +unterkühlten Schmelzen. Wenn nämlich ein schmelzender Körper erstarrt, +so gibt er dabei beträchtliche Mengen Wärme ab. Er kann überhaupt nur +unter der Bedingung erstarren, daß ihn diese Wärme verläßt. Wir sind +aber an diesen Vorgang so gewöhnt, daß wir meistens ihm nicht viel +Beachtung schenken, sondern wir begnügen uns mit der Feststellung: „Die +Schmelze erstarrt, weil sie kalt wird“. Nun gibt es aber Schmelzen, +welche kalt werden können, ohne zu erstarren. Schmilzt man z. B. das +in der Photographie verwendete Fixiernatron, oder auch essigsaures +Natron, das man mit wenig Wasser durchfeuchtet hat, so kann man die +Schmelzflüssigkeit in einer Flasche kalt werden lassen, ohne daß sie +erstarrt. Es läßt sich aber leicht nachweisen, daß sich die erkaltete +Flüssigkeit in einem gleichsam erzwungenen, unnatürlichen Zustand +befindet: denn wenn man in sie ein einziges Kriställchen des festen +Salzes hineinwirft, so fängt sie augenblicklich an, zu erstarren. Aber +dabei entwickelt sich nun die ganze Wärmemenge, welche den flüssigen +Zustand der Körper vom festen unterscheidet, und das Gefäß wird so +warm, daß nur ein Teil seines Inhalts erstarren kann. Der Rest bleibt +infolge der freigewordenen Erstarrungswärme flüssig. -- Aus diesen +Vorgängen müssen wir schließen, daß die unter ihren Erstarrungspunkt +abgekühlten Schmelzen, welche dabei nicht erstarrt sind, sich in +thermischer Beziehung in einem ganz ähnlichen Zustand befinden wie +die Sprengstoffe; beide enthalten überflüssige Wärme in verborgenem +(latentem) Zustand. Beide geben diese Wärme bei entsprechender Reizung +ab und nähern sich infolge der auftretenden Erwärmung wieder dem +Zustand ihrer wahren Beständigkeit. Die endothermischen Verbindungen +sind also auf chemischem Gebiet das, was die unterkühlten Schmelzen auf +physikalischem sind. + +Bis jetzt wurde nur von solchen chemischen Vorgängen gesprochen, +welche zwischen zwei Elementen stattfinden. Sie bestehen entweder in +einer Vereinigung oder in einem Zerfall. Weitaus die Mehrzahl aller +chemischen Vorgänge sind jedoch anderer Art: an ihnen beteiligen +sich nicht bloß chemische Elemente, sondern auch Verbindungen, und +zwar immer in der Art, daß Vereinigung und Zerfall gleichzeitig +nebeneinander einherschreiten. Solch einen Vorgang haben wir schon +kennen gelernt, als wir Bleiasche mit Holzkohle im Tiegel glühten. +Da +zerfiel+ die Bleiasche in metallisches Blei und Sauerstoff; +gleichzeitig +vereinigte+ sich dieser Sauerstoff mit der Kohle zu +Kohlensäuregas. Es hat also ein Austausch stattgefunden: das Blei +hat die Bleiasche verlassen, die Kohle ist an seine Stelle getreten. +Solche Austauschprozesse können entweder +einseitig+ sein, wie der +eben genannte, oder auch +wechselseitig+, wenn es sich nämlich um +zwei Verbindungen handelt, welche je einen Bestandteil gegeneinander +austauschen und dadurch in zwei neue Verbindungen übergehen. Es findet +dann also ein doppelter Zerfall und ein doppelter Wiederaufbau von +chemischen Verbindungen statt. Diese Vorgänge sind stets von sehr +interessanten Wärmebewegungen begleitet, welche wir jetzt näher +betrachten wollen. + +[Illustration: Abb. 9. Wie man im Zimmer dünnflüssiges Eisen darstellen +kann, welches so heiß ist, daß es durch eine schmiedeeiserne Platte +hindurchschmilzt.] + +Schon die +einseitigen+ Austauschprozesse verlaufen am liebsten +in einer solchen Richtung, daß dabei Wärme entwickelt wird. Ein +überraschend schönes Beispiel dieser Art ist seit einiger Zeit unter +dem Namen des +Goldschmidtschen Eisenschmelzverfahrens+ bekannt +geworden. Wir haben schon früher gesehen, daß man das Eisen aus seinen +in der Natur vorkommenden Erzen mit Kohle im Hochofen ausschmilzt. +Die hierfür in Betracht kommenden Erze sind Verbindungen des Eisens +mit Sauerstoff und geben in der Glühhitze ihren Sauerstoff an die +Kohle ab. Es ist also ein einseitiger Austauschprozeß, der erst in der +Glühhitze vor sich geht. Nimmt man aber Aluminiummetall statt Kohle, +so braucht man das Gemisch nicht in einen Hochofen zu füllen, sondern +man kann die Reaktion im offenen Tontiegel erfolgen lassen. Es ist +nur nötig, das innige Gemisch von Eisenerzpulver und Aluminiumgrieß +an einer kleinen Stelle heftig zu erhitzen, indem man z. B. in den +gefüllten Tiegel ein Stück Magnesiumdraht steckt und ihn anzündet. +Sobald das brennende Magnesium mit dem Gemisch in Berührung kommt, +entzündet sich dieses und brennt mit ungeheurer Glutentwicklung langsam +nieder, ohne daß man von außen zu erhitzen braucht. Die freiwerdende +Wärme ist so groß, daß nicht bloß das sich bildende Eisen, sondern +auch das entstehende Aluminiumoxyd weißglühend und so dünnflüssig wie +Wasser werden. Das geschmolzene Eisen ist sogar dermaßen überhitzt, +daß man damit eine schmiedeeiserne Platte durchschmelzen kann, wenn +man es durch ein Loch im Tiegelboden auf diese Platte fließen läßt. +(Abb. 9.) Das geschmolzene Aluminiumoxyd, die Verbindung des Aluminiums +mit dem Sauerstoff des Eisenoxyds, erstarrt dabei zu einer ungeheuer +harten Masse, welche in allen Eigenschaften mit dem natürlichen +Mineral +Korund+ übereinstimmt. Seine Härte übertrifft die des besten +Stahls und wird selbst nur von der des Diamanten überragt. Man kann +mit den zerschlagenen Stücken dieser Masse auf Glas schreiben und +man kann Glasplatten damit fast ebenso gut zerschneiden, wie mit +einem Diamanten. Der Erfinder Goldschmidt hat sich dieses Verfahren +patentieren lassen zum Zusammenschweißen von großen Eisenstücken, +z. B. von Schienenstößen. Denn das flüssige Eisen im Tiegel ist so +entsetzlich heiß, daß man es nur in den Zwischenraum zwischen den +beiden Schienenköpfen fließen zu lassen braucht, um diese dauerhaft +miteinander zu verschmelzen. Man kann die außerordentliche Weißglut des +Tiegelinhalts nur durch dunkelgefärbte Brillengläser ohne Gefahr für +die Augen betrachten. + +Was ist nun der Grund, daß man mit Kohle das Eisen aus dem Erz nur +unter großer Wärmezufuhr ausschmelzen kann, während die Ausschmelzung +durch Aluminium von selbst unter heftiger Wärmeabgabe erfolgt? -- +Diesen Grund erkennen wir leicht in den Wärmewanderungen, welche bei +unserem Versuch erfolgen. Wir müssen uns nur darüber klar werden, daß +unsere Austauschreaktion eigentlich aus +zwei+ verschiedenen chemischen +Vorgängen besteht, nämlich: + + I. Eisenerz = Eisen + Sauerstoff, + II. Sauerstoff + Aluminium = Aluminiumoxyd. + +Der erste Vorgang, die Zerspaltung des Eisenerzes in seine beiden +Bestandteile, erfordert eine große Wärme+zufuhr+, da das Eisenoxyd eine +stark exothermische Verbindung ist. Der zweite Vorgang, die Bildung +des Aluminiumoxyds, +liefert+ eine noch viel größere Wärmemenge, als +für den ersten Vorgang verbraucht wird. Infolgedessen schließt die +Bilanz zwischen beiden Reaktionen mit einem starken Überschuß an +freigewordener Wärme ab. Nimmt man statt des Aluminiums Kohle an, so +liegt die Sache weniger günstig, und es ist dann notwendig, dem Gemisch +noch Wärme zuzuführen. Man könnte sich nun fragen, warum das Gemisch +aus Eisenoxyd und Aluminiumpulver so schwierig zu entzünden ist, da +es doch einen so gewaltigen Wärmeüberschuß in sich trägt. Denn es ist +eine ganz auffallende Tatsache, daß diese Mischung wenigstens an einer, +wenn auch noch so kleinen, Stelle bis auf Weißglut erhitzt werden muß, +um in Reaktion zu treten. Deshalb haben wir die Entzündung mit einem +brennenden Magnesiumdraht vorgenommen, welcher eine außerordentlich +hohe Temperatur erzeugt. Denn ein Zündholz oder eine glühende Kohle +würde ganz wirkungslos bleiben; ja, man könnte sogar den ganzen Tiegel +ohne Gefahr auf Rotglut erhitzen. Dies erklärt sich daraus, daß die +Aluminiumteilchen mit einer sehr dünnen, aber sehr schwer schmelzbaren +Haut von Aluminiumoxyd umhüllt sind, welche sie vor der Einwirkung des +Eisenerzes schützt, wenn nicht diese Hülle zuvor durch große Hitze +geschmolzen wird. Ist dies aber an einer noch so kleinen Stelle einmal +geschehen, so schreitet der Prozeß infolge der von ihm selbst erzeugten +Hitze selbsttätig vorwärts. +Die ganze Masse+ dürfte man auf keinen +Fall von außen her bis zur Weißglut erhitzen: sonst würde ohne Zweifel +eine heftige Explosion erfolgen, weil der große Wärmeüberschuß an allen +Stellen zugleich frei würde. -- + +Dieses Beispiel hat uns die thermischen Vorgänge bei einem ++einseitigen+ Austauschprozeß erläutert. Wie die Verhältnisse bei ++zweiseitigen+ Austauschvorgängen liegen, werden wir in einem späteren +Abschnitt kennenlernen. + + + + +6. Säuren, Basen und Salze. + +(Ein Gespräch zwischen einem Laien und einem Chemieprofessor im +Laboratorium.) + + ++Der Laie+: Was ist eine +Säure+? Ist mit diesem Wort ein chemischer +Begriff verbunden, oder versteht man darunter schlechthin alles, was +sauer schmeckt? + ++Der Professor+: Die Säure ist ein chemischer Begriff, und zwar, genau +betrachtet, ein recht verwickelter. Aber ich hoffe, daß ich Ihnen doch +eine Vorstellung davon geben kann. Sie wissen doch, was ein +Oxyd+ ist? + ++Der Laie+: Ich denke, die Verbindung eines Elements mit Sauerstoff. + ++Der Professor+: Ja. Und ferner ist Ihnen wohl bekannt, daß man +die Elemente nach ihren Eigenschaften oft in +Metalle+ und in ++Nichtmetalle+ unterscheidet? + ++Der Laie+: Die Unterscheidung ist mir wohl bekannt, aber ich muß +gestehen, daß ich sie nicht gerade als scharf empfinde. Welche +Eigenschaften sollen für diese Unterscheidung maßgebend sein? Ich +denke, für die Metalle wird man wohl ihren Glanz, ihre Schwere, ihr +Leitungsvermögen für Wärme und Elektrizität als maßgebend betrachten. +Aber gibt es nicht auch leichte Metalle einerseits und glänzende und +schwere Nichtmetalle andrerseits? + ++Der Professor+: Allerdings, z. B. die Metalle +Natrium+ und +Kalium+ +und das nichtmetallische Element +Jod+. Der Unterschied zwischen +Metallen und Nichtmetallen ist in der Tat nicht scharf, und man kann +bei manchem Element im Zweifel sein, wohin man es rechnen soll. Aber +im großen und ganzen ist es doch eine berechtigte Unterscheidung, wenn +man sich nur nicht auf eine einzige Eigenschaft bei der Beurteilung +stützt, sondern vielmehr ihre Gesamtheit in Betracht zieht. Auch muß +man die Eigenschaften richtig bewerten: für die Metalle ist namentlich +ihre +Undurchsichtigkeit+ und ihr Leitungsvermögen für Elektrizität +kennzeichnend. + ++Der Laie+: Die Undurchsichtigkeit soll eine metallische Eigenschaft +sein? Aber Schwefel, Kohle, Porzellan sind doch gewiß keine Metalle +trotz ihrer Undurchsichtigkeit? + ++Der Professor+: Jeder nichtmetallische Stoff läßt sich durch gewisse +Kunstgriffe, wie Umschmelzen oder Umkristallisieren aus Lösungen, in +eine durchsichtige Form verwandeln; ganz leicht gelingt dies bei den +Nichtmetallen Schwefel, Phosphor, Kohle, Bor, Silizium! Denken Sie +nur an den Diamanten, der die durchsichtige Form der Kohle ist. Auch +das Porzellan besteht aus an und für sich durchsichtigen, freilich +sehr kleinen Kristallen, die nur infolge ihres ungleichwertigen +Lichtbrechungsvermögens ein weißes Gemisch geben. Ein durchsichtiges +Metall gibt es dagegen nicht; zwar sind auch die Metalle in sehr +dünnen Lagen etwas durchscheinend, aber niemals, auch in den dünnsten +Schichten nicht, klar durchsichtig. + ++Der Laie+: Also, den Unterschied zwischen Metallen und Nichtmetallen +zugegeben, wie kommen wir zum Begriff der Säure? + ++Der Professor+: Sehr einfach: Sie brauchen nur das Oxyd eines +nichtmetallischen Elements in Wasser zu lösen. + ++Der Laie+: Demnach wäre Schwefelsäure eine Verbindung von Schwefeloxyd +mit Wasser? + ++Der Professor+: Ja. + ++Der Laie+: Und Phosphorsäure eine Verbindung von Phosphoroxyd mit +Wasser? + ++Der Professor+: Ja, und ebenso erhalten Sie Kohlensäure aus Wasser +und einem Oxyd des Kohlenstoffs, Borsäure aus Boroxyd und Wasser, +Salpetersäure aus Stickstoffoxyd und Wasser, Chlorsäure aus Chloroxyd +und Wasser usw. + ++Der Laie+: Und was entsteht, wenn man ein Metalloxyd in Wasser auflöst? + ++Der Professor+: Da kommt es zunächst darauf an, ob sich das Oxyd +in Wasser löst, was in verhältnismäßig wenigen Fällen erfolgt. Dann +kommt es darauf an, ob das Metalloxyd viel oder wenig Sauerstoff +enthält. Enthält es wenig, so gibt es mit Wasser eine +Lauge+ oder ++Base+. Enthält es viel, so hat seine Verbindung mit Wasser häufig die +Eigenschaften einer Säure. + ++Der Laie+: Da ist es wohl möglich, daß die sauerstoffarmen Oxyde eines +Metalls basische Eigenschaften haben, während die sauerstoffreichen mit +Wasser Säuren geben? + ++Der Professor+: Dies könnte man sogar fast als die Regel bezeichnen. +Jedenfalls gilt es für Chrom, Mangan, Eisen und viele andere +Metalle. Ihre „niederen“, d. h. sauerstoffarmen Oxyde sind in Wasser +unlöslich, haben aber trotzdem basische Eigenschaften; die höheren, +sauerstoffreichen Oxyde sind in Wasser löslich und bilden damit echte +Säuren. + ++Der Laie+: Wie erkennt man eine Säure? Wodurch unterscheidet sie sich +praktisch von einer Base? + ++Der Professor+: Zunächst ist es auffallend, daß die wässerigen +Lösungen der Säuren fast alle einen sauren Geschmack haben, obgleich +sie oft ungeheuer verschieden zusammengesetzt sind. Auch einige andere +Eigenschaften sind den meisten Säuren gemeinsam: sie färben blauen +Lakmusfarbstoff rot, sie lösen Metalle und Metalloxyde auf, sie +entwickeln mit Metallen, die sie lösen, Wasserstoffgas. Viele von ihnen +wirken auch wasserentziehend auf wasserhaltige Stoffe. Es läßt sich +nun nicht leugnen, daß manche von diesen Eigenschaften auch den Basen +zukommen: auch sie lösen manche Metalle unter Wasserstoffentwicklung, +auch sie wirken ätzend und wasserentziehend auf viele Stoffe. Aber +gegen Lakmus und andere Farbstoffe verhalten sich die Basen stets +umgekehrt und entgegengesetzt wie die Säuren: sie färben Lakmus, das +von Säure gerötet ist, wieder blau, Methylorange, das durch Säuren +gerötet ist, wieder gelb. Der Geschmack der Basen ist ebenfalls ganz +anders als der der Säuren. + ++Der Laie+: Wie verhalten sich nun diese beiden gegnerischen Stoffe +zu einander? Was tritt ein, wenn man eine Säure und eine Base +zusammenbringt? + ++Der Professor+: Sie vereinigen sich miteinander, oft unter sehr +heftiger Reaktion, zu einem +Salz+. Dabei wird stets das Wasser, +welches in der Säure und in der Base chemisch gebunden ist, wieder +abgestoßen. + ++Der Laie+: Also bestehen die Salze aus Verbindungen von Metalloxyden +mit Nichtmetalloxyden? + ++Der Professor+: Ja, und man kann sie dementsprechend ebenso gut aus +diesen durch Zusammenschmelzen darstellen. So können Sie z. B. das +Kupfersalz der Phosphorsäure, welches man phosphorsaures Kupfer oder +Kupferphosphat nennt, entweder so herstellen, daß Sie die Kupferbase in +Phosphorsäure auflösen, oder durch Zusammenschmelzen von Kupferoxyd mit +Phosphoroxyd. + ++Der Laie+: Warum heißt man diese Stoffe +Salze+? Hat dieser Name etwas +mit dem Kochsalz zu tun, womit wir die Speisen salzen? + ++Der Professor+: Ja. Das Kochsalz entsteht beim Zusammenbringen von +Natronlauge und Salzsäure. Es ist sozusagen ein Normaltypus des +Begriffes „Salz“, denn es vereinigt alle kennzeichnenden Eigenschaften +der Salze in sich. Es löst sich in Wasser und kristallisiert aus +dieser Lösung beim Verdunsten des Lösungsmittels aus; es erhöht den +Siedepunkt, den osmotischen Druck und die elektrische Leitfähigkeit +des Lösungsmittels und erniedrigt seinen Gefrierpunkt. Es rötet weder +blauen, noch bläut es geröteten Lakmusfarbstoff. Es tauscht gegen +stärkere Säuren seine Säure, gegen stärkere Basen seine Base aus. + ++Der Laie+: Sind denn diese Eigenschaften wirklich kennzeichnend für +die Salze? Gibt es nicht auch unlösliche Salze? + ++Der Professor+: Allerdings, sogar recht viele. Aber selbst die +„unlöslichsten“ unter ihnen, wie das schwefelsaure Barium, sind eben +doch nicht ganz unlöslich; sie sind in Wasser nur so wenig löslich, +daß wir es nur schwierig bemerken. Aber in der Natur sind selbst diese +schwerlöslichen Stoffe aus wässerigen Lösungen im Lauf langer Zeiten +in prächtigen, großen Kristallen abgeschieden worden. Wir können daher +auch die sogenannten unlöslichen Salze nur als schwerlöslich betrachten +und müssen für sie dieselben Gesetze als gültig annehmen, welche für +die löslichen Salze gelten. + ++Der Laie+: Sie sagten vorhin, das Kochsalz röte weder den blauen, +nach bläue es den geröteten Lakmusfarbstoff. Ist dies auch für alle +Salze kennzeichnend? Ich dächte, ein Salz, das aus einer sehr starken +Säure und einer sehr schwachen Base besteht, müßte auch noch saure +Eigenschaften besitzen. + ++Der Professor+: Dies ist auch tatsächlich der Fall. Das Kupfersulfat +und überhaupt viel Schwermetallsalze der Schwefelsäure, Salzsäure und +Salpetersäure reagieren noch deutlich sauer, weil diese drei Säuren +viel stärker sind als die Schwermetallbasen. Dagegen reagieren z. +B. das phosphorsaure und das borsaure Natrium wie Basen, weil die +Natronlauge als Base in diesen Salzen viel stärker ist als die Säuren, +an die sie gebunden ist. + ++Der Laie+: Solche Salze nennt man dann wohl „+saure Salze+“, bzw. +„+basische Salze+“? + ++Der Professor+: O nein! Diese Namen bedeuten etwas ganz anderes, +nämlich chemische Verbindungen von Salzen mit einem Überschuß ihrer +eigenen Säuren bzw. Basen. So kann sich z. B. 1 Molekül Kaliumsulfat +mit 1 Molekül Schwefelsäure zu „+saurem Kaliumsulfat+“ verbinden; +ebenso 1 Molekül Kohlensäure mit 1 Molekül kohlensaurem Natrium zu +„+saurem kohlensaurem Natrium+“ (Natriumbikarbonat). Viele dieser +sauren Salze reagieren gegen Lakmus durchaus nicht sauer, sondern +alkalisch, weil ihre Säure viel schwächer als ihre Base ist. Dies +gilt z. B. vom Natriumbikarbonat, vom Borax, der sogar einen großen +Überschuß an Borsäure enthält, vom sauren Natriumphosphat und vielen +anderen Salzen. + ++Der Laie+: Sie erwähnten vorhin, daß man den Säurebestandteil eines +Salzes durch eine stärkere Säure austreiben könne. Ich denke mir, daß +dies eine vorteilhafte Darstellungsweise für alle schwächeren Säuren +sein müßte. + ++Der Professor+: Sie haben recht. Die Methode ist für den Chemiker +geradezu unersetzlich, weil er durch die +Kristallisation+ unreine +Säuren auf dem Umweg über ihre Salze leicht und vollständig reinigen +kann. Die Säuren haben nämlich häufig nur eine geringe Neigung zu +kristallisieren, oder sie tun es, wie z. B. Essigsäure, nur in ganz +reinem Zustand. Ihre Salze kristallisieren dagegen meistens leicht und +hinterlassen dabei alle Unreinigkeiten in der „Mutterlauge“, d. i. +in dem nicht kristallisierenden Rest der Lösung. Will man also z. B. +aus dem stinkenden, braungefärbten, rohen Holzessig reine Essigsäure +darstellen, so verfährt man etwa folgendermaßen: man schüttet in den +Holzessig Natronlauge oder kohlensaures Natrium und erhält so eine ganz +unreine Lösung von essigsaurem Natrium. Diese läßt man in der Wärme +solange eindunsten, bis beim Abkühlen der größte Teil des essigsauren +Natriums sich in Kristallen abscheidet. Dieses beständige Salz kann +man nun beträchtlich erhitzen, so daß die meisten Verunreinigungen +herausdestillieren, ohne daß es selbst Schaden leidet. Dann löst man es +nochmals in Wasser auf und „kristallisiert es um“, d. h., man scheidet +aus dieser Lösung abermals durch Eindampfen die Hauptmasse des Salzes +in Kristallen ab. Diese sind nun fast als ganz rein zu betrachten. +Erhitzt man sie mit Schwefelsäure, so verdrängt diese durch ihre große +Stärke die Essigsäure, und es hinterbleibt schwefelsaures Natrium, +während die Essigsäure herausdestilliert. So kann man viele Säuren +chemisch rein darstellen. + ++Der Laie+: Ist denn die Essigsäure eine Verbindung eines +Nichtmetall-Oxydes mit Wasser? + ++Der Professor+: Nein. Sie hat eine viel kompliziertere +Zusammensetzung. Sie werden sich erinnern, daß ich Ihnen ausdrücklich +sagte, ich vermöchte Ihnen nur einen Begriff von dem zu geben, was +Säuren und Basen sind. Dieser Begriff ist aber nicht erschöpfend; es +gibt noch viele Säuren und auch viele Basen, die weder ein Metalloxyd +noch ein Nichtmetalloxyd enthalten. Um auch diese zu verstehen, müßten +wir uns zuerst mit der +Ionen-Theorie+ vertraut machen. Dies wollen wir +aber, wegen der erforderlichen bedeutenden Vorkenntnisse, lieber auf +später vertagen. + ++Der Laie+: Können zwei verschiedene Salze ebenfalls aufeinander +einwirken? + ++Der Professor+: O ja. Sie tun es sehr häufig, um nicht zu sagen: +immer. Dabei erfolgt dann ein wechselseitiger Austausch derart, daß +beide Salze ihre Säuren miteinander vertauschen. Ich möchte Ihnen da +doch ein prachtvolles Beispiel im Versuch vorführen. Sehen Sie diese +farblose Lösung: sie enthält salpetersaures Quecksilberoxyd. Und hier +eine zweite, ebenfalls farblose Flüssigkeit: es ist eine Lösung von +Jodkalium in Wasser (Jodkalium = jodwasserstoffsaures Kalium, das Salz +aus Jodwasserstoffsäure und Kalilauge). Nun schütte ich beide Lösungen +zusammen, und Sie sehen eine herrlich scharlachrote Färbung. Sie setzt +sich als dickes Pulver zu Boden, während die überstehende Flüssigkeit +farblos ist. Was ist dieses scharlachrote Pulver? + ++Der Laie+: Wenn das jodwasserstoffsaure Kalium und das salpetersaure +Quecksilberoxyd ihre Säuren gegenseitig ausgetauscht haben, so kann +nur salpetersaures Kalium und jodwasserstoffsaures Quecksilberoxyd +entstanden sein. Der Niederschlag muß aus einem dieser beiden Stoffe +bestehen. + ++Der Professor+: So ist es auch. Er besteht aus Jodquecksilber, wie +man der Kürze halber statt „jodwasserstoffsaures Quecksilber“ sagt. +Das andere Umsetzungsprodukt, das salpetersaure Kalium, ist in der +überstehenden, farblosen Flüssigkeit gelöst. + ++Der Laie+: Wenn man also diese farblose Flüssigkeit vorsichtig vom +roten Bodensatz abgießt und eindampft, so erhält man Kristalle von +salpetersaurem Kalium? + ++Der Professor+: Jawohl. Und das Jodquecksilber ist nur deshalb zu +Boden gesunken, weil es zu den „unlöslichen“ Salzen gehört. Es ist in +Wasser nur sehr wenig löslich. Setzt man aber mehr Jodkaliumlösung +hinzu, so sehen Sie, wie es sich darin wieder völlig auflöst. + ++Der Laie+: Und die Lösung ist wieder ganz farblos geworden! Die +Farbe dieser Umsetzungsstoffe tritt offenbar nur dann zutage, wenn +sie unlöslich sind und infolgedessen als Niederschläge aus der Lösung +ausfallen. + ++Der Professor+: Hier sind Sie entschieden im Irrtum. Ich zeige +Ihnen hier eine gelbe Lösung von salzsaurem Eisen und eine farblose +von rhodanwasserstoffsaurem Ammonium. Lassen Sie sich durch die +schrecklichen Namen nicht irre machen, es sind zwei echte, einfache +Salze. Wenn ich diese Lösungen zusammenschütte, so sehen Sie eine +prächtig blutrote +Lösung+ von rhodanwasserstoffsaurem Eisen. Hier +zeigt nur die +Farbe+ die Umsetzung an, denn ein Niederschlag ist +nicht entstanden. -- Ein zweites Beispiel: Hier ist eine farblose +Lösung von Chlorkalzium (salzsaurem Kalzium), und hier eine blaue von +salpetersaurem Kupfer. Ich gieße beide zusammen: es entsteht eine +grasgrüne Lösung von salzsaurem Kupfer. + ++Der Laie+: Ich bin mir in dieser interessanten Sache über eine Frage +noch nicht im klaren: wenn ich salpetersaures Kalium mit Schwefelsäure +mische, so erwarte ich, daß schwefelsaures Kalium und Salpetersäure +entstehen. Wenn ich, umgekehrt, schwefelsaures Kalium mit Salpetersäure +mische, so erwarte ich aus denselben Gründen, daß salpetersaures +Kalium und Schwefelsäure entstehen. Was gilt nun? Beides zugleich kann +doch nicht richtig sein? Wie kann ich mir merken, welcher von beiden +Vorgängen der richtige ist? + ++Der Professor+: Sie berühren hier eine außerordentlich wichtige Sache, +die ich Ihnen ausführlich erklären möchte. Wir wollen bei dem von Ihnen +gewählten Beispiel bleiben und wollen es in der Form einer Gleichung +anschreiben: + + Salpetersaures Kalium + Schwefelsäure = schwefelsaures Kalium + + Salpetersäure. + +Liest man die Gleichung von links nach rechts, so bedeutet sie den +einen, von rechts nach links aber den anderen Vorgang. Tatsächlich sind +nun beide Vorgänge möglich, beide finden auch wirklich statt, aber +unter merklich verschiedenen Begleitumständen. Ich vermische hier in +diesem Glasgefäß trockenes salpetersaures Kalium mit konzentrierter +Schwefelsäure: Sie sehen Dämpfe von Salpetersäure aufsteigen und +bemerken beim Anfassen des Gefäßes eine beträchtliche Erwärmung. Nun +vermische ich in einem zweiten Gefäß trockenes schwefelsaures Kalium +mit konzentrierter Salpetersäure. Sie sehen keine Dämpfe aufsteigen, +denn die vorhandene Salpetersäure verschwindet zum Teil, und Sie +bemerken, daß das Gefäß in diesem Fall sehr +kalt+ wird. + +Aus dem ersten Vorgang müssen Sie schließen, daß reines salpetersaures +Kalium und reine Schwefelsäure nicht nebeneinander bestehen können, +ohne aufeinander einzuwirken. Also können diese beiden Stoffe unmöglich +allein als Endergebnis des zweiten Vorgangs auftreten. Aus dem zweiten +Vorgang erkennen Sie dagegen, daß auch schwefelsaures Kalium und +Salpetersäure unmöglich nebeneinander bestehen können, ohne aufeinander +einzuwirken. Also können diese beiden Stoffe nicht das ausschließliche +Endergebnis des ersten Vorgangs sein. + ++Der Laie+: Demnach müßte man annehmen, daß in einem solchen Gemisch +alle vier Stoffe zugleich vorhanden sind: nämlich salpetersaures +Kalium, Schwefelsäure, schwefelsaures Kalium und Salpetersäure. + ++Der Professor+: Dies ist auch tatsächlich der Fall. Aus dem ersten +Paar bildet sich fortwährend das zweite, aus dem zweiten bildet sich +gleichzeitig fortwährend das erste zurück. Somit halten die vier +Stoffe einander sozusagen das Gleichgewicht. Dies ist aber nicht +immer so möglich, wie in unserem Beispiel. Wenn nämlich einer der +neugebildeten Stoffe +unlöslich+ ist, so entzieht er sich dadurch dem +Einfluß des anderen. Das ist z. B. bei unserem schönen, scharlachroten +Jodquecksilber der Fall, wenn Sie Jodkalium mit salpetersaurem +Quecksilber zusammenbringen. + ++Der Laie+: Sie wollen sagen, daß in diesem Fall das gebildete +Jodquecksilber sich mit dem ebenfalls neugebildeten salpetersauren +Kalium nicht wieder rückläufig umsetzen kann, weil das Jodquecksilber +unlöslich ist? + ++Der Professor+: Ja. Dasselbe gilt für alle diejenigen chemischen +Vorgänge, bei welchen einer der neugebildeten Stoffe entweder unlöslich +ist, oder sich als Gas aus dem Wirkungsbereich der anderen Stoffe +entfernt. In allen diesen Fällen verläuft der chemische Vorgang +nur in einer Richtung und dauert so lange, bis die letzte Spur der +Ausgangsstoffe verschwunden ist, bis sich also kein unlöslicher oder +gasförmiger Stoff mehr neu bilden kann. In allen anderen Fällen +entsteht ein chemischer Gleichgewichtszustand. + ++Der Laie+: Nun bleibt immer noch die Frage offen, wie weit in diesen +anderen Fällen der Prozeß in einer Richtung fortschreitet. Dauert dies +so lange, bis die vier Stoffe in gleichen Mengen vorhanden sind, oder +müssen sie im Verhältnis ihrer Molekulargewichte stehen, oder von +welchen Umständen sonst hängt das Gleichgewicht ab? + ++Der Professor+: Dafür sind +drei+ Umstände maßgebend: die ++Konzentration+ der Lösungen, ihre +Temperatur+ und der +Druck+, unter +welchem sie stehen. Denken Sie nur an die Darstellung der Salpetersäure +aus salpetersaurem Kalium und Schwefelsäure. Je mehr man dieses Gemisch +erwärmt, um so vollständiger wird die Salpetersäure aus dem Salpeter +„ausgetrieben“. Denn die Salpetersäure ist in der Hitze bestrebt, +sich als Dampf der Reaktion zu entziehen. Durch +Druck+anwendung kann +dies aufgehalten werden, weil Druck den Salpetersäuredampf wieder +verflüssigt. Denken Sie ferner an den Vorgang des +Kalkbrennens+. +Wenn man kohlensauren Kalk glüht, so zerfällt er in seine beiden +Oxydkomponenten, nämlich in das Metalloxyd +Kalziumoxyd+ und in +das Nichtmetalloxyd +Kohlendioxyd+. Dieses entweicht als Gas. +Schließt man aber das zu brennende Kalkstück in ein Gefäß ein, so +daß das Kohlendioxydgas nicht entweichen kann, so übt es auf seinen +Entstehungsherd einen Druck aus. Dieser Druck verhindert den weiteren +Zerfall des Kalkstücks. + ++Der Laie+: Das sieht ja gerade so aus, als ob sich das zerfallende +Kalkstück einen Widerstand gegen seinen eigenen Zerfall in Gestalt +dieses Druckes erzeugt? + ++Der Professor+: So ist es auch. Der ganze „+Satz vom chemischen +Gleichgewicht+“, den +Guldberg+ und +Waage+ in Christiania entdeckt und +als „+Massenwirkungsgesetz+“ bezeichnet haben, besagt nichts anderes, +als daß sich jeder chemische Vorgang während seiner Abwicklung von +selbst einen Widerstand erzeugt, der diese Abwicklung zu hemmen sucht. +Entsteht bei einem solchen Vorgang Wärme, so sind die neugebildeten +Körper ganz gewiß in der Hitze unbeständig; wird Wärme verbraucht, so +ist ebenso sicher anzunehmen, daß sie in der Kälte unbeständig sind. +Entsteht ein Gas, welches einen Druck ausübt, so hemmt dieser Druck +den Prozeß; wird aber dabei ein Gas verschluckt, so daß ein luftleerer +Raum entsteht, so ist dieses Vakuum bestrebt, die weitere Absorption +des Gases zu hindern. Und wenn in einer Lösung die neugebildeten Stoffe +aufeinander einwirken und die Ausgangsstoffe rückbilden, so ist dies +eben auch nichts anderes, als ein Widerstand gegen die Neubildung. + ++Der Laie+: Ich bin Ihnen zu großem Dank verpflichtet. Sie haben mir +verwickelte Vorgänge, die ich niemals glaubte verstehen zu können, auf +ein großartig einfaches Grundgesetz zurückgeführt. + + + + +7. Die Salpetersäure und was man daraus macht. + + +Wenige Stoffe haben für unsere Zivilisation eine so große Bedeutung, +wie die Salpetersäure. Wir wollen uns daher mit ihr, mit ihrer +Darstellung und Anwendung etwas gründlicher befassen. + +Die Salpetersäure wurde früher ausschließlich durch Erhitzen von +Salpeter mit Schwefelsäure dargestellt. Man benutzt dazu den billigen, +sogenannten „Natronsalpeter“ oder „Chilisalpeter“, welcher in Chile in +ungeheuren Lagern bergmännisch gewonnen wird. Diesen salzartigen Stoff +könnte man sich aus Natronlauge und Salpetersäure entstanden denken; +wenn man ihn mit konzentrierter Schwefelsäure erhitzt, so verbindet +sich die Natronlauge mit der Schwefelsäure zu schwefelsaurem Natrium, +während die Salpetersäure herausdampft und durch Abkühlung der Dämpfe +gewonnen werden kann. Man kann dies z. B. in gläsernen Gefäßen machen, +wie Abb. 10 zeigt. + +Diese Darstellungsweise der Salpetersäure hängt von der Einfuhr des +Chilisalpeters ab, also von einem ausländischen Rohstoff. Dies war +schon in Friedenszeiten ein Anlaß, nach einer anderen Darstellungsart +zu suchen. Der Krieg hat dieses Bestreben der Deutschen mit Erfolg +gekrönt: sie benutzen jetzt als Ausgangsstoff für die Gewinnung der +Salpetersäure das Billigste, was man sich denken kann, nämlich die ++Luft+. + +Um diese wertvolle Entdeckung zu verstehen, erinnern wir uns, daß sich +die Salpetersäure bildet, wenn man ein Oxyd des Stickstoffgases, also +eine Verbindung von Stickstoffgas mit Sauerstoffgas, in Wasser löst. +Nun besteht die Luft zufälligerweise aus einem +Gemeng+ dieser beiden +Gase. In der Luft sind sie nur miteinander gemengt, aber nicht chemisch +verbunden. Denn wenn man Luft z. B. in kaltem Wasser sich auflösen +läßt und dann durch Erwärmen wieder austreibt, so zeigt sich, daß +sich der Sauerstoff in reichlicherem Maße in Wasser gelöst hat als der +Stickstoff. Dies wäre nicht möglich, wenn in der Luft Sauerstoff und +Stickstoff chemisch aneinander gebunden wären. + +Läßt man aber durch die Luft elektrische Funken schlagen, wozu sich +namentlich Wechselstrom von etwa 1000 Volt Spannung gut eignet, so +verbinden sich beide miteinander zu einem rotbraunen Gas, welches sich +in Wasser zu Salpetersäure auflöst. Dieses Gas zeigt so recht, wie +verschieden eine chemische Verbindung von einem bloßen Gemeng ihrer +Bestandteile ist: das +Gemeng+ ist farblos und für unsere Lunge zum +Atmen notwendig; die Verbindung dagegen ist rotbraun, für die Lunge +höchst giftig, und löst sich in Wasser zu Salpetersäure. + +[Illustration: Abb. 10. Darstellung der Salpetersäure aus Salpeter und +Schwefelsäure.] + +Als diese Erfindung, Salpetersäure aus Luft und Wasser darzustellen, +gemacht war, war sie noch lange nicht lebensfähig. Denn die +Geschicke solcher Erfindungen sind immer auf das engste mit der +Preis- und Rentabilitätsfrage verknüpft: es mußte gelingen, die +„Luft“-Salpetersäure zum gleichen Preis oder billiger herzustellen +als die Salpetersäure aus Chilisalpeter, dann war erst die Erfindung +technisch wertvoll. Wovon hängt nun der Preis beider Produkte +ab? -- Die Gewinnung des Chilisalpeters ist an der Fundstelle +ungemein einfach und billig; sein Preis wird daher, außer durch die +Nachfrage, im wesentlichen durch die Transportkosten bestimmt. Der +Preis der Luftsalpetersäure richtet sich hauptsächlich nach den +Gestehungskosten der verwendeten Elektrizität. Stellt man diese, wie +bei uns in Deutschland, durch Umwandlung aus Dampfmaschinenarbeit +her, so ist sie für die Salpetersäuregewinnung in der Regel zu +teuer. Dies ist aber nicht mehr der Fall, wenn die Elektrizität, wie +in Norwegen, aus natürlichen Wasserkräften gewonnen wird. Deshalb +ist Norwegen („~Norge~“ auf norwegisch) der eigentliche Sitz der +Luftsalpetersäuregewinnung. Es hat bereits im Jahre 1910 mehr als +260000 Zentner Kalksalpeter (sog. Norgesalpeter) im Wert von über +2 Millionen Mark ausgeführt. Die Erzeugung von Chilisalpeter hat +allerdings zurzeit noch etwa den vierzigfachen Wert. + +Man verwendet die Salpetersäure sowohl im freien Zustand als flüssige +Säure, als auch in Form ihrer festen Salze. Sprechen wir zuerst von +dieser zweiten Anwendung. Es sind nur drei Salze der Salpetersäure, +welche in sehr großen Mengen angewendet werden: das salpetersaure +Natrium (Natronsalpeter oder Chilisalpeter), das salpetersaure +Kalium (Kalisalpeter) und das salpetersaure Kalzium (Kalksalpeter, +Norgesalpeter). Die wichtigste Anwendung des Natron- und des +Kalksalpeters ist die als +Düngemittel+. Er kräftigt durch seinen +Stickstoffgehalt das Blattwachstum außerordentlich, ist daher bei Mais, +Rüben, Kartoffeln und Klee mit Vorteil zu verwenden. Da aber beide +Salpeterarten im Regenwasser leicht löslich sind, gibt man nicht die +ganze Jahresdüngung auf einmal, sondern besser in kleineren Mengen +nach und nach. Der Kalksalpeter enthält um ⅐ weniger Stickstoff als +der Chilisalpeter; diese Tatsache ist beim Einkauf der Berechnung +des Preises und bei der Düngung der Berechnung der erforderlichen +Menge zugrunde zu legen. Bei der Gewinnung der Luftsalpetersäure +entsteht zugleich eine kleine Menge +salpetrige Säure+; diese verhält +sich ihrer chemischen Zusammensetzung nach zur Salpetersäure etwa +so, wie Mennige zum Bleisuperoxyd, d. h. sie ist etwas ärmer an +Sauerstoff. Die salpetrige Säure und ihre Salze sind aber für die +Pflanzen giftig. Wenn daher im Norgesalpeter etwas salpetrigsaurer +Kalk enthalten ist, so verschlechtert dies seine Wirkung beträchtlich. +Dieser Umstand erschwerte anfangs den Wettbewerb des Kalksalpeters +mit dem Chilisalpeter; inzwischen jedoch hat man gelernt, den Gehalt +des Kalksalpeters an dieser schädlichen Substanz auf ein Mindestmaß +herabzudrücken. + +Während also die Salze der Salpetersäure für fast alle Pflanzen ein +hervorragendes Nahrungsmittel bilden, sind sie für den tierischen +Körper, also auch für den menschlichen, starke Gifte. Trinkt man +eine, wenn auch sehr verdünnte, Lösung von Salpetersäure, so wird +einem fast augenblicklich schlecht, und es folgt Erbrechen mit allen +Erscheinungen einer Vergiftung. Die Salze der Salpetersäure, also +alle Arten von Salpeter, wirken nicht so giftig wie die freie Säure. +Da aber im tierischen Magensaft etwas freie Salzsäure enthalten ist, +welche aus einer Salpeterlösung stets etwas Salpetersäure frei macht, +so ist auch der Genuß von Salpeterlösung gesundheitsgefährlich. Es ist +nicht überflüssig, dies zu wissen, weil der Salpeter die Eigenschaft +hat, geräucherte Fleischwaren mit schön roter Farbe zu konservieren. +Obgleich seine Anwendung verboten ist, findet man in den Rauchfleisch- +und Wurstwaren nicht selten Salpeter, dessen Genuß besonders für Kinder +schädlich ist. + +Die hauptsächlichste Anwendung fand der Salpeter in vergangenen +Zeiten zur Bereitung des Schwarzpulvers. Dazu kann man aber weder den +Natronsalpeter noch den Kalksalpeter verwenden, weil diese beiden +Salze die Eigentümlichkeit haben, aus der Luft Wasser anzuziehen +und zu zerfließen. Man benutzt daher zur Schießpulverbereitung den +luftbeständigen Kalisalpeter. Dieser wird aus dem überseeischen +Natronsalpeter durch eine Wechselumsetzung in der Weise gewonnen, +daß man heißgesättigte wässerige Lösungen von Natronsalpeter und ++Chlorkalium+ miteinander vermischt. Dann findet folgende Umsetzung +statt: + + salpetersaures Natrium + Chlorkalium = salpetersaures Kalium + (Chilisalpeter) (Kalisalpeter) + + Chlornatrium. + (Kochsalz) + +Es bildet sich also neben dem Kalisalpeter noch Kochsalz. Nach +dem Satz vom chemischen Gleichgewicht kann die Umsetzung keine +vollständige sein, weil die beiden neugebildeten Stoffe sich wieder +rückwärts miteinander zu den Ausgangsstoffen umsetzen. Indessen, ein +besonderer Umstand sorgt doch dafür, daß die Ausbeute an Kalisalpeter +reichlich genug ist: denn der Kalisalpeter ist in heißem Wasser viel +leichter löslich als das Kochsalz (etwa achtmal mehr), in kaltem +dagegen schwerer. Infolgedessen scheidet sich beim Vermischen der +heißgesättigten Lösungen von Chilisalpeter und Chlorkalium eine Menge +Kochsalz in fester Form aus, wodurch der rückläufige Prozeß sehr +eingeschränkt wird. + +Diesen Kalisalpeter, der also durch eine Umwandlung (Inversion) aus +dem Chilisalpeter gewonnen wird, nennt man +Inversions+salpeter. Das +Chlorkalium, welches zu seiner Darstellung gebraucht wird, findet sich +in Deutschland in den Steinsalzlagern in ungeheuren Mengen. Obgleich +nun das aus Kalisalpeter, Schwefel und Holzkohle zusammengesetzte +Schwarzpulver seit der Erfindung des rauchschwachen Pulvers bei weitem +nicht mehr in so großen Mengen verbraucht wird, wie früher, gehen doch +noch etwa 1½ Millionen Zentner jährlich durch den Handel, die einen +Wert von 30 Millionen Mark bedeuten. + +Weit umfangreicher und bedeutungsvoller ist die Verwendung der +freien +Salpetersäure+. Sie hat nämlich die Eigenschaft, eine große Anzahl von +Stoffen, wie Baumwolle, Holzstoff, Papier, Stärke- und Zuckerarten, +Glyzerin, Benzol usw. in +Sprengstoffe+ umzuwandeln, wenn man sie damit +kurze Zeit in Berührung läßt. Diesen Umwandlungsvorgang nennt der +Chemiker das +Nitrieren+ der Stoffe (vom lateinischen Wort ~nitrum~, +der Salpeter). Beim Nitrieren entsteht als Nebenprodukt immer Wasser, +welches als Widerstand gegen den Nitrierungsvorgang wirkt, weil es +die Salpetersäure verdünnt und schwächt. Deshalb setzt man stets eine +gewisse Menge konzentrierte Schwefelsäure hinzu, welche bekanntlich +auf das Wasser eine stark anziehende Kraft ausübt und dadurch +seine schädliche Wirkung wieder aufhebt. Will man also einen Stoff +nitrieren, so legt man ihn eine Viertelstunde lang in ein Gemisch von +konzentrierter Salpetersäure (1 Teil) und konzentrierter Schwefelsäure +(1–2 Teile). Dann gießt man die Säure ab und wäscht nun den nitrierten +Stoff in kaltem, fließendem Wasser so lange und so gründlich aus, bis +ein aus ihm herausgepreßter Tropfen auf der Zunge keine Spur von saurem +Geschmack mehr erzeugt. + +So kann man z. B. Watte, Löschpapier, baumwollene Stoffe sehr +leicht und bequem in +Schießbaumwolle+ verwandeln, welche nach dem +Trocknen eine drei- bis viermal größere Sprengkraft besitzt als das +Schießpulver. Man muß, wenn man diese Versuche selbst ausführen will, +nur beachten, daß die „konzentrierte“ Salpetersäure des Handels in der +Regel etwa 40 % Wasser enthält und dann zur Nitrierung unbrauchbar +ist, auch wenn man sie mit Schwefelsäure vermischt. Ist man nicht +sicher, ob man genügend starke Salpetersäure vor sich hat, so ist es +am besten, sie aus Salpeter und Schwefelsäure selbst herzustellen oder +man benutzt als Nitriergemisch ein Gemeng von zerriebenem Salpeter mit +konzentrierter Schwefelsäure, welches in jeder Beziehung dieselben +Dienste tut. + +[Illustration: Abb. 11. Darstellung von Schießbaumwolle durch Eintragen +von Watte in Salpeterschwefelsäure.] + +Diese nitrierten Körper bilden die Grundlage aller Sprengstoffe und +rauchschwachen Pulverarten. Es ist unnötig, auf ihre Wichtigkeit +besonders hinzuweisen; wurden doch in diesem Weltkrieg von +Sprengstoffen dieser Art so ungeheure Mengen angefertigt, daß sie alle +anderen künstlichen Erzeugnisse weit hinter sich lassen. Aber auch +für die friedliche Arbeit spielen die Sprengstoffe eine große Rolle: +der Abbau der Steinbrüche, die Anlage von Weg- und Tunnelbauten +erfordern mitten im Frieden gewaltige Mengen von Sprengstoffen. +Derjenige von ihnen, welcher am meisten von sich reden gemacht hat, ist +das +Dynamit+ (auf deutsch etwa soviel wie „Kraftstoff“ bedeutend). +Die Erfindung des Dynamits durch den Schweden +Alfred Nobel+ war +eigentlich insofern +keine+ Erfindung, als der wirksame Bestandteil +dieses Sprengstoffes, das +Nitroglyzerin+, schon lange bekannt war. +Man hat dieses Nitroglyzerin oder +Sprengöl+ schon jahrelang in +amerikanischen Apotheken als -- Kopfwehmittel (!) kaufen können, +ohne daß man von seiner Gefährlichkeit viel Aufhebens gemacht hätte. +Diese Gefährlichkeit trat eben erst durch Nobels Versuche zutage, +das Nitroglyzerin in großen Mengen für Sprengzwecke zu verwenden. +Es erwies sich in größeren Mengen, bei ballonweiser Verpackung, als +zu empfindlich gegen Stöße und gegen schroffen Temperaturwechsel. +Es zeigte sich die Unmöglichkeit, durch bloße Vorschriften über die +Behandlung dieses Stoffes seine Explosion zu verhindern, und Alfred +Nobel mußte es wiederholt erleben, daß seine Fabriken in die Luft +flogen und sozusagen spurlos verschwanden. Dies hatte seinerseits +zur Folge, daß ihm die Errichtung solcher Fabriken wegen der damit +verbundenen Gefahren nach und nach in den meisten Ländern verboten +wurde. Die ungeheure Bedeutung der Erfindung des Dynamits liegt nun +darin, daß diese Erfindung dem Sprengöl alle Gefährlichkeit benahm, +ohne seine Explosivkraft wesentlich zu schwächen. Man macht sich davon, +ohne Versuche gesehen zu haben, nicht leicht eine richtige Vorstellung. +Bringt man einen Tropfen Nitroglyzerin auf eine glatte, etwas +angefeuchtete Steinfläche und schlägt man mit einem Hämmerchen darauf, +so erfolgt eine starke Detonation, und der Stein wird zertrümmert. +Dagegen ist Dynamit gegen Schlag und Stoß so unempfindlich, daß Nobel +in Gegenwart des Königs von Schweden ein Faß voll Dynamit von einem +Kirchturm herab auf das Straßenpflaster fallen und zerschellen lassen +konnte, ohne daß es explodierte. Es ist nicht leicht möglich, Dynamit +durch bloßen Schlag zur Explosion zu bringen. Aber auch Feuer ist +dem Dynamit nicht ohne weiteres gefährlich: hält man ein brennendes +Streichholz an einen nußgroßen Klumpen Dynamit, so brennt er langsam, +völlig geräuschlos, mit großer, gelbgrüner Flamme ab, welche einen +feinen Sprühregen von Kieselgurteilchen ausstößt. Dynamit ist also +in bezug auf Ungefährlichkeit der Handhabung geradezu ein idealer +Sprengstoff: Kinder und Narren können ihn mit dem besten Willen nicht +zu Unfug verwenden. Man muß sich geradezu fragen: was muß man tun, +um diesen Stoff überhaupt zur Explosion zu bringen? -- Die Antwort +heißt: man muß +Initialzündung+ anwenden. Man muß die Explosion an +einem Punkte einleiten (~initium~ = Anfang, Einleitung). Dies geschieht +durch Entzündung einer kleinen Menge Knallquecksilber, welches sich +durch Stoß, Schlag oder Erhitzen ziemlich leicht zur Explosion bringen +läßt. Dabei reißt es die Dynamitmasse gleichsam mit sich und bewirkt, +daß diese vollständig explodiert. Durch solche Initialzündung kann man +sogar manche Stoffe, die auf andere Weise gar nicht explodierbar sind, +zur Explosion bringen, so z. B. das Azetylengas. + +Nobels Erfindung, die so gewaltige Folgen haben sollte, war im Grunde +verblüffend einfach: sie besteht nämlich darin, das flüssige Sprengöl +mit einer möglichst geringen Menge (25 %) eines feinen, sehr porösen +Sandes (der sog. Infusorienerde) zu einem Brei zu vermengen. Dieser +einfache Gedanke hat auf der Erde geradezu Umwälzungen hervorgebracht. +Nun erst war es möglich, die Sprengkraft des Nitroglyzerins unbegrenzt +auszunützen, da man nun den Sprengstoff ohne Gefahr in beliebigen +Mengen herstellen, transportieren und aufbewahren konnte. + +Nobel verdiente mit dieser Erfindung nach der langen Reihe von +Mißerfolgen und Enttäuschungen ein mehr als fürstliches Vermögen. Da er +ohne Leibeserben starb, errichtete er in seinem Testament die berühmte +Nobelstiftung, welche alle zwei Jahre die bedeutendsten Leistungen +auf den wichtigsten Kulturgebieten mit einem recht ansehnlichen Preis +belohnt. -- + +Es wäre ganz falsch, aus dem bisher Gesagten zu folgern, daß die +Salpetersäure nur dem Krieg und der Zerstörungswut der Menschen +dient. Selbst wenn die Salpetersäure nur zur Fabrikation von +Sprengstoffen diente, dürfte man dies nicht behaupten, weil eben +auch die Sprengstoffe eine geradezu unersetzliche, friedliche Arbeit +leisten. Aber das Nitriergemisch dient gar nicht bloß zur Herstellung +von Sprengstoffen, sondern mindestens in gleichem Betrag zur +Gewinnung unzähliger Farben, Medikamente und anderer unentbehrlicher +Chemikalien. Aber auch die Sprengstoffe werden nicht allein zu +explosiven Zwecken verwendet, sondern ein Teil von ihnen wird wieder +in harmlose Gebrauchsstoffe des täglichen Lebens verwandelt: so macht +man aus Schießbaumwolle, indem man sie in einem Gemisch von Alkohol und +Äther auflöst, das +Kollodium+, und durch gewisse Beimengungen (von +Kampfer) das wichtige Hornersatzmittel +Zelluloid+, ohne das man heute +längst nicht mehr auskommen könnte. Auf ganz ähnliche Weise werden die +rauchschwachen Pulverarten hergestellt, die demnach dem Kollodium und +Zelluloid sehr nahe verwandt sind. Sie entwickeln ihre Sprengkraft erst +bei der Entzündung im geschlossenen Raum (der Patrone), zündet man +dagegen rauchschwaches Pulver in offener Aufschüttung an, so brennt +es langsam mit großer, lohender Flamme ab -- ganz ähnlich wie ein +angezündetes Stück Zelluloid. Diese rauchschwachen Pulver haben die +drei- bis vierfache Brisanz (Sprengkraft) des alten Schwarzpulvers. +Aber da sie beim Abbrennen braune, salpeterhaltige Dämpfe liefern, +greifen sie den Flintenlauf stärker an als das Schwarzpulver. Aus +diesem Grund können sie für die Jagd das Schwarzpulver durchaus nicht +ganz ersetzen. + +[Illustration: Abb. 12. Spinndüse zur Kunstseideherstellung.] + +Schüttet man Kollodium -- also sozusagen flüssige Schießbaumwolle +-- in Wasser, so gerinnt es; das Wasser entzieht ihm die +Alkohol-Äthermischung, infolgedessen scheidet sich die Schießbaumwolle +als weißliche Gallerte ab. Ein findiger Franzose namens Chardonnet +kam nun auf den Gedanken, auf diese Weise feine +Fäden+ herzustellen, +indem er das Kollodium durch ein sehr enges Metallrohr in Wasser +preßte. (Abbildung 12.) Aus der Rohrmündung trat ein weißer, wie Seide +glänzender Faden von Schießbaumwolle. Die Fäden ließen sich spinnen +wie Seide und hatten auch ihren Glanz. So wurde die erste +Kunstseide+ +erfunden und nach ihrem Entdecker Chardonnet-Seide genannt. Sie hatte +aber den fatalen Fehler, explosionsartig zu verpuffen, wenn man ihr ein +Zündholz zu nahe brachte. Diese Eigenschaft war für Raucher, wenn sie +etwa eine Halsbinde aus Chardonnetseide trugen, nicht angenehm. Man +konnte indessen der Kunstseide ihre Explosivität, freilich nicht ohne +Schaden für die Haltbarkeit und zum Teil auch den Glanz, wieder nehmen, +wenn man sie in Schwefelammonium badete. + +Heute bestehen nur noch wenige Fabriken, welche Chardonnetseide +herstellen. Ein anderes Verfahren hat dieses erste verdrängt, aber +für die Geschichte der chemischen Technologie wird es nie seine +Bedeutung verlieren. Zeigt uns diese Erfindung doch die unglaublichsten +Verwandlungskünste der Chemie, welche aus Baumwolle nicht bloß Pulver, +sondern auch Kollodiumballons, Zelluloidkämme und „echt“ seidene +Krawatten hervorzaubert. + + + + +8. Kohlehydrate und Alkohol. + + +Daß man heute das Holz der Waldbäume in Zeitungspapier umwandelt, weiß +jedes Kind. Daß man es aber auch in +Kunsthonig+ und in +Spiritus+ +verwandeln kann, ist weniger bekannt. Ebensowenig wissen die meisten +Leute, daß Schießbaumwolle, rauchloses Pulver, Kollodium und Zelluloid +heutzutage viel weniger aus Baumwolle als aus Fichtenholz hergestellt +werden. Dies alles wollen wir uns nun klarzumachen versuchen. + +Es gibt drei große Gruppen von Stoffen in der Natur, welche chemisch +ganz gleich zusammengesetzt sind und nur aus Kohlenstoff und den +Bestandteilen des Wassers bestehen. Verbindungen mit Wasser nennt man +in der Chemie „+Hydrate+“, deshalb heißt man diese drei Stoffgruppen +mit einer gemeinsamen Bezeichnung +Kohlehydrate+. Sie sind so +zusammengesetzt, als ob sie nur aus Kohle und Wasser beständen. Diese +drei Gruppen sind: + +1. Die +Zellulose+ oder der +Zellstoff+. Er bildet den Hauptbestandteil +der +Baumwolle+ und des +Papiers+. Entfettete Verbandwatte ist fast +chemisch reiner Zellstoff, ebenso das Filtrierpapier der Chemiker. Aus +Zellstoff bestehen die Wände der Pflanzenzellen. + +2. Die +Stärke-+ und +Gummiarten+. Während die Gummiarten, wie +arabisches Gummi und Kirschgummi, in heißem Wasser löslich sind, quillt +die Stärke in heißem Wasser nur zu Kleister auf. + +3. Die +Zuckerarten+. + +In bezug auf die chemische Zusammensetzung wurde schon erwähnt, +daß alle drei Stoffgruppen aus Kohlenstoff und den Elementen des +Wassers bestehen. Verrührt man in einem Weinglas einen Eßlöffel voll +gestoßenen Zucker mit konzentrierter Schwefelsäure zu einem Brei, so +entzieht die Schwefelsäure dem Zucker das Wasser, und es hinterbleibt +eine löcherige, gequollene Masse von schwarzer Kohle. Genauere +Untersuchungen haben ergeben, daß im Zellstoff, in den Stärke- und +Gummiarten auf 6 Atome Kohlenstoff ziemlich genau 5 Moleküle Wasser +enthalten sind, während die wichtigsten Zuckerarten auf dieselbe +Kohlenstoffmenge 6 Moleküle Wasser enthalten. Dies muß man wissen, +wenn man die märchenhaften Umwandlungsvorgänge verstehen will, welche +am Beginn dieses Abschnittes erwähnt worden sind. Denn man versteht +nun, daß der Zellstoff und die Stärke, welche doch beide die gleiche +Zusammensetzung haben, nur ein Molekül Wasser in sich aufnehmen müssen, +um in eine Zuckerart überzugehen. Beim bloßen Kochen erfolgt diese +Wasseraufnahme nicht leicht, man müßte zu diesem Zweck schon in einem +Druckkessel den Stärkekleister oder die Zellulose mit überhitztem +Wasser behandeln. Viel schneller geht die Verzuckerung vor sich, wenn +man sich gewisser chemischer Stoffe als Wasserüberträger bedient. +Solch ein Stoff ist z. B. die Schwefelsäure. Sie wirkt nicht nur +wasserentziehend, sondern ebensooft auch wasseraddierend. Wenn man +daher Baumwolle oder Filtrierpapier oder Leinen mit konzentrierter +Schwefelsäure beträufelt, so lösen sie sich darin auf; aber die +Lösung enthält nun nicht mehr Zellstoff, sondern -- Traubenzucker. +Dieselbe Wirkung erzielt man durch andauerndes Kochen mit verdünnter +Schwefelsäure. Da die Schwefelsäure bei diesem Vorgang nur als +Wasserüberträger wirkt und selbst nicht angegriffen wird, so genügen +wenige Tropfen von ihr zur Verzuckerung großer Mengen von Zellstoff +oder von Stärkekleister. Um auf diese Weise Kunsthonig zu bereiten, +kann man z. B. einen Liter dicken Stärkekleister mit einigen Tropfen +Schwefelsäure verrühren und nun zwei Stunden lang kochen. Schon +unmittelbar nach dem Zusatz der Schwefelsäure wird der dicke Kleister +ganz dünnflüssig, weil die Stärke in ein gummiartiges Zwischenprodukt +zwischen Stärke und Zucker, nämlich in Dextrin, übergeht. Dieses wird +bei längerem Kochen ganz in Traubenzucker, den Hauptbestandteil des +Kunsthonigs, umgewandelt. Zuletzt entfernt man die Schwefelsäure wieder +aus dem Gemisch, indem man gepulverte Kreide hineinschüttet und dann +das Feste vom Flüssigen durch Filtrieren trennt. Die Schwefelsäure +treibt aus der Kreide unter Schäumen Kohlensäuregas aus und verwandelt +sie in schwefelsauren Kalk (Gips), wodurch sie selbst in eine +unlösliche Form gebracht wird. Die verbleibende Lösung muß nun in der +Wärme so lange eingedunstet werden, bis ein dicker, honigartiger Brei +von Traubenzucker übrigbleibt. + +Will man aus Filtrierpapier oder Verbandwatte Kunsthonig bereiten, so +löst man am besten möglichst große Menge dieser Stoffe nach und nach, +unter Umrühren, in einer kleinen Menge konzentrierter Schwefelsäure +auf, verdünnt die Lösung mit Wasser, kocht sie einige Zeit und verfährt +dann mit Kreide wie vorhin. + +Schwieriger ist es, Sägespäne in Kunsthonig zu verwandeln. Im Holz +sind nämlich neben dem Zellstoff noch 30–40 % andere Stoffe enthalten, +welche aus korkartigen und schleimigen Substanzen bestehen. Sie +verhalten sich gegen konzentrierte Schwefelsäure ganz anders als die +reine Zellulose: sie werden von ihr verkohlt, wie die Zuckerarten. Man +kann daher am Grad der Schwarzfärbung eines Papiers nach dem Betropfen +mit konzentrierter Schwefelsäure leicht erkennen, wieviel von diesen +Stoffen noch in dem Papier steckt. Um das Holz von ihnen zu reinigen +und in reinen Zellstoff umzuwandeln, gibt es zwei Wege: entweder +durch Erhitzen mit Natronlauge (Natronzellulose) oder durch Kochen +mit schwefligsaurem Kalk (Sulfitzellulose). Beide Reinigungsmittel +wirken lösend auf die zucker- und korkartigen Stoffe im Holz und +lassen den Zellstoff als eine graue, sehr mürbe Masse zurück, die sich +vom künftigen Zeitungspapier nicht sehr viel unterscheidet. Da aber +das Verfahren mit Natronlauge viel teurer ist, so ist es durch das +Sulfitverfahren fast ganz verdrängt worden. Deutschland allein erzeugt +so jährlich etwa 6 Millionen Zentner Zellstoff, der größtenteils zur +Papiererzeugung verwendet wird. Den meisten Kunsthonig stellt man +durch Verzuckerung von Stärkekleister her, namentlich in Amerika aus +Maisstärke. Dabei wird das Schwefelsäureverfahren angewendet. + +Es gibt noch eine zweite Methode, um stärkeartige Stoffe in Zucker +umzuwandeln. Sie spielt in der Natur und in der Technik eine große +Rolle. Dies ist die Verzuckerung mittels der sogenannten Enzyme. +Dies sind Eiweißstoffe von einer meist unbekannten Zusammensetzung, +welche auf die Stärkearten genau so wasseranlagernd wirken wie die +Schwefelsäure und dabei selbst ebensowenig verändert werden wie +diese. Ein solches Enzym ist z. B. im Speichel enthalten. Spuckt +man auf dicken, warmen Stärkekleister und rührt um, so wird er +schnell dünnflüssig, weil er sich in löslichen Zucker unwandelt. +Wenn wir also Brot, Kartoffeln oder andere stärkehaltige Speisen +essen, so werden sie bereits während des Kauens im Mund verflüssigt +und in Zucker umgewandelt. Große Mengen solcher Enzyme mit +stärkeverflüssigender Wirkung finden sich im Pflanzenreich mit allen ++Keimen+ vergesellschaftet. Sie liegen im Getreidekorn im Gewebe des +Keims (Abb. 13) und begleiten die Keimanlagen der Kartoffeln, die +sogenannten Augen. Ihre Aufgabe beginnt im Frühjahr, wenn der Keim +wächst und treibt. Dann braucht er Nahrung und hat doch selbst noch +keine Wurzeln und Blätter, mit welchen er sich aus dem Boden und aus +der Luft Nahrung besorgen könnte. Gerade aus diesem Grund ist ihm ein +förmlicher Speicher von Nahrungsvorräten angelagert: das Stärkemehl +im Getreidekorn, in der Kartoffel und in der Rübe hat diese Aufgabe. +Als Stärke können aber diese Nahrungsvorräte nicht in den Stoffwechsel +der jungen Pflanze eintreten, weil Stärke als solche nicht löslich +ist, weil aber Pflanze und Tier so eingerichtet sind, daß ihre +Nahrungsstoffe zunächst stets in den flüssigen Zustand gebracht werden +müssen, um durch die Adern und Saftgefäße fließen zu können. Deshalb +vermehren sich die Enzymeinlagerungen der Keime im Frühjahr und wirken +im gleichen Maße verzuckernd, verflüssigend auf die Vorratsstärke. +Je mehr der Keim wächst, um so mehr schwindet der Stärkevorrat, der +gerade so lange ausreicht, bis die junge Pflanze kräftig genug ist, +sich selbst zu ernähren. Bei den Kartoffeln macht sich die Verzuckerung +im Frühjahr unangenehm bemerkbar, denn sie schmecken in dieser Zeit +bekanntlich etwas süßlich. + +[Illustration: Abb. 13. Roggenkorn (Längsschnitt).] + +Diese Enzymvorräte in den Keimpflanzen macht man sich nun in der +chemischen Technik dienstbar, um damit Stärke in Zucker umzuwandeln. +Man benutzt dazu meistens die sogenannte +Diastase+, d. i. das Enzym +der keimenden Gerste. Angefeuchtete Gerstenkörner läßt man in Haufen +keimen, bis der Keim eine gewisse Länge erreicht hat, von der man +erfahrungsgemäß weiß, daß sie dem erreichbaren Höchstgehalt des Keims +an Diastase entspricht. Denn die Menge dieses Enzyms wächst mit der +Keimung. Dann wird die weitere Keimung unterbrochen, indem man die +gekeimte Gerste durch Erhitzen tötet. Sie heißt nun +Malz+. Um daraus +Diastase herzustellen, behandelt man es mit verdünntem Alkohol, welcher +die Diastase löst, und setzt dann zu der klaren Lösung absoluten +Alkohol, wodurch das Enzym als weißes Pulver ausgefällt wird. Dieses +etwas teure Gewinnungsverfahren ist übrigens in den meisten Fällen +entbehrlich, weil zerschrotetes Malz bereits alle Wirkungen der +Diastase zeigt. Setzt man daher solches Malzschrot zu einem Brei von +gekochten Kartoffeln, so zergeht dieser Brei in kurzer Zeit zu einem +flüssigen Gemisch von Dextrinlösung und Zuckerlösung, welches durch +weitere Einwirkung des Malzes bei etwa 60 ° größtenteils in Zucker +(Malzzucker) übergeführt wird. + +Dieser chemische Prozeß bildet die Grundlage für zwei ungeheure +Gewerbe: für die +Bier+bereitung und für die +Spiritus+herstellung. +Diese beiden Prozesse beruhen nämlich darauf, daß Malz- und +Traubenzucker durch +Gärung+ in Alkohol (Spiritus) übergeführt werden. +Dagegen vermögen die Stärkearten als solche nicht zu gären, auch nicht +alle Zuckerarten sind gärbar: gerade z. B. der Rüben- oder Rohrzucker, +unser beliebter Speisezucker, ist +nicht+ gärungsfähig. Um also Stärke, +Zellulose oder Rohrzucker in Alkohol zu verwandeln, muß man diese +Verbindungen zuerst in +Trauben-+ oder +Malz+zucker überführen. Diesen +Vorgang nennt der Chemiker +Inversion+, den so gewonnenen Trauben- und +Malzzucker auch wohl +Invert+zucker. + +Bei der =Bierbereitung= scheint die Sache besonders einfach zu liegen, +weil das Korn der Gerste sowohl die Stärke als auch das zu ihrer +Invertierung nötige Enzym, die Diastase, enthält. Aber es ist klar, +daß gerade aus demselben Grund alles darauf ankommt, die +Keimung+ +der Gerste, bei welcher die Diastase gebildet und ein großer Teil +der Stärke in Zucker verwandelt wird, im richtigen Augenblick zu +unterbrechen. Auch die Art dieser Unterbrechung ist nicht gleichgültig: +tötet man die Gerste durch heiße Luft oder Rauch, so wird ein +erheblicher Teil der Diastase zerstört, aber die Verzuckerung der +Stärke begünstigt. Will man möglichst viel Diastase haben, um die +Verzuckerung der Stärke erst später erfolgen zu lassen, so tötet man +das Malz nur durch Trocknen an der Luft bei gewöhnlicher Temperatur. +Man nennt solches enzymreiches Malz: Grünmalz. Die vollständige +Umwandlung der Gerstenstärke in Zucker erfolgt erst beim +Einmaischen+ +(Maischen = altes Wort für Mischen). Dieser Vorgang ist ziemlich +einfach und besteht nur darin, das geschrotete Malz etwa eine Stunde +lang mit heißem Wasser von 50–60 ° zu verrühren. Dazu dienen besondere +Bottiche mit mechanischen Rührwerken, die Maischbottiche. Die so +hergestellte Zuckerlösung heißt +Würze+. Ihr wird auf das Hektoliter +etwa 1 Kilogramm +Hopfen+ zugesetzt, um sie vor zu schnellem Verderben +zu bewahren. Die Hopfenblüte enthält nämlich Bitterstoffe von stark +konservierenden Eigenschaften. Diese Würze muß nun bloß noch der Gärung +unterworfen werden, um in Bier überzugehen. + +[Illustration: Abb. 14. Ein Stückchen roher Kartoffel in 400fach. +Vergröß. (zeigt die geschichteten Stärkekörner innerhalb geschlossener +Zellwände.)] + +Die Verzuckerung der +Kartoffelstärke+ für die Spiritus- und +Schnapsbereitung ist wesentlich weniger schwierig als die +Bierwürzebereitung. In den +rohen+ Kartoffeln ist die Stärke von +Zellhäuten umschlossen, welche sie vor dem Angriff der Enzyme +vollkommen schützt. (Abb. 14.) Kocht man die Kartoffeln, so wird +dadurch ein Teil dieser Zellhäute zersprengt und geöffnet, weil die +Stärke im heißen Wasser mit großer Kraft zu Kleister aufquillt. +Ganz+ +findet diese Sprengung jedoch nur dann statt, wenn man die Kartoffeln +mit überhitztem Dampf von etwa 2–3 Atmosphären Druck behandelt. Der +Dampf erfüllt allmählich auch die stärkehaltigen Zellen, deren Wände +er langsam durchdringt. Öffnet man nun plötzlich ein Bodenventil des +Kartoffeldämpfers, so werden die Kartoffeln nicht bloß durch diese +Öffnung herausgepreßt, sondern zugleich ganz fein zerstäubt. Denn durch +das Öffnen des Ventils wird der Druck des Dampfes auf die Außenfläche +der Kartoffeln plötzlich aufgehoben, während der in den Zellen +befindliche gespannte Dampf nicht so rasch durch die Zellwände dringen +kann und sie daher explosionsartig zersprengt. + +Diesen „aufgeschlossenen“ Kartoffelstaub versetzt man nun mit +geschrotetem Grünmalz (d. i. mit diastasereichem, an der Luft +getrocknetem Malz). Er wird dadurch sofort zu einer gärungsfähigen, +zuckerreichen Masse verflüssigt. + +=Die Gärung.= -- Rein chemisch betrachtet, besteht die Gärung in +einem Zerfall des Zuckermoleküls in +Alkohol+ und +Kohlensäure+. Die +Kohlensäure entweicht unter Schäumen, der Alkohol sammelt sich in +der gärenden Flüssigkeit an. Dieser Zerfall wird durch die +Hefe+ +bewirkt. Die Hefe, eine breiige, säuerlich riechende Masse, besteht +aus mikroskopisch kleinen Lebewesen, welche zu den Pilzen gerechnet +werden müssen, und zwar zu den +Spaltpilzen+ oder Bakterien. Der Name +„Spalt“pilze bezieht sich auf ihre wichtige Fortpflanzungsweise, welche +darin besteht, daß sich jede Hefezelle durch Abschnürung in zwei +Stücke spaltet, welche durch rasches Wachstum bald wieder die Größe +der Mutterzelle erreichen. Durch diese Spaltung wächst die Menge der +Hefezellen ganz außerordentlich schon in wenigen Stunden an. + +Was nun den Gärungsvorgang betrifft, so hat man früher geglaubt, er +sei an das +Leben+ der Hefepilze gebunden. Man glaubte, die lebenden +Hefezellen ernährten sich mit dem gärbaren Zucker, und den Alkohol und +die Kohlensäure hielt man sozusagen für die Fäkalstoffe dieser Zellen. +In gewissem Sinne ist diese Auffassung auch richtig; falsch ist nur +die Anschauung, als ob zur Zuckerspaltung das Leben, die „Seele“ der +Hefezellen notwendig wäre. Denn Professor +Buchner+ hat Hefezellen +ausgepreßt und mit dem sorgsam filtrierten Preßsaft, in welchem +durchaus keine lebenden oder toten Hefeorganismen mehr enthalten +waren, hat er in Zuckerlösungen genau die gleichen Gärungsvorgänge +hervorgerufen, welche darin durch lebende Hefe erzeugt werden. Damit +hat er bewiesen, daß die Gärung -- ähnlich der Inversion von Stärke +in Zucker -- durch chemische Stoffe im Hefeleib, durch Enzyme, +hervorgerufen wird. Diese Enzyme haben sich bei näherer Untersuchung +als sehr verwickelt gebaute Eiweißstoffe erwiesen. Sie werden beim +Gärungsvorgang nicht verändert. Die Enzyme des Hefeleibes wirken am +besten bei Blutwärme, also bei etwa 37 °, und werden durch Erhitzen +über 60 ° zerstört, also genau wie die zuckerbildenden Enzyme des +Speichels und des Malzkeims und die verdauenden Enzyme des Darmsaftes. + +Praktisch betrachtet ist das Leben der Hefezellen aber doch für den +Gärungsvorgang nicht bedeutungslos, weil die Hefezellen, indem sie +sich selbst vermehren, auch die wirksamen Mengen der gärungserregenden +Enzyme vermehren und somit die Gärung beschleunigen. + +Das Ende der Gärung tritt nicht etwa dann ein, wenn der ganze +vorhandene Zucker in Alkohol und Kohlensäure gespalten ist, sondern es +hängt von einem anderen Umstand ab. Der erzeugte Alkohol wirkt nämlich +lähmend auf seinen Erzeuger und hemmt sowohl die Vermehrung der Hefe, +als auch die alkoholbildende Wirkung ihres Enzyms. Die Gärung erzeugt +also in ihren Produkten sich selbst einen Widerstand. + +[Illustration: Abb. 15. Bierhefe (Saccharomyces cerevisiae).] + +[Illustration: Abb. 16. Carlsberger Unterhefe Nr. 1 (nach Fischer, +Technologie).] + +Theoretisch gibt es also gar nichts Einfacheres als die Herstellung +von Bier und von Spiritus durch Gärung: man braucht nur die oben +beschriebene Bierwürze und die süße Kartoffelmaische mit Hefe zu +versetzen und gären zu lassen, bis die Gärung von selbst aufhört. In +Wirklichkeit müssen aber doch noch einige Umstände berücksichtigt +werden, die freilich zum Interessantesten gehören, was die +naturwissenschaftliche Forschung der letzten drei Jahrzehnte entdeckt +hat. Man hat nämlich gefunden, daß es eine ungeheure Anzahl von +verschiedenen Hefearten gibt, die sich zwar ihrem Aussehen nach +nicht viel voneinander unterscheiden (Abb. 15 u. 16), um so mehr +aber nach ihrem Verhalten bei der Gärung. Zwar spalten sie alle die +Hauptmengen des Zuckers in Alkohol und Kohlensäure; aber neben diesem +Hauptvorgang erzeugt jede Hefeart noch einen gewissen Prozentsatz von +Nebenprodukten. Diese Nebenprodukte sind z. B. Fuselöle, Buttersäure, +Weinsäure, Essigsäure, Glyzerin und viele andere Substanzen von mehr +oder weniger auffallendem Geschmack und Geruch. Die Menge und die +Zusammenstellung dieser Nebenprodukte ist für jede der vielen Hefearten +anders, aber auch kennzeichnend, so daß man unter Umständen sofort am +Geschmack des Bieres erkennen kann, welche Hefeart die Gärung erregt +hat. Aber nicht bloß der Geschmack des Bieres hängt von der Hefeart +ab, sondern auch seine Klarheit, die Beschaffenheit und Haltbarkeit +seiner Schaumdecke, sein Geruch, seine Haltbarkeit. Nach diesen +Feststellungen ist es begreiflich, daß gerade den großen Brauereien +daran gelegen war, sich diese wissenschaftlichen Erkenntnisse für die +Bierbereitung nutzbar zu machen. Denn vorher kam es gar oft vor, daß +die Eigenschaften des Bieres durch eingedrungene fremde Hefesorten +verdorben wurden, welche bei der Gärungstemperatur üppig wucherten. +So findet sich z. B. in den Pferdeställen eine Bakterienart, welche +dadurch gekennzeichnet ist, daß sie unter dem Mikroskop stets in +paketartigen Bündeln von 4–8 Einzelpilzen erscheint (Abb. 17). Daher +hat sie den wissenschaftlichen Namen ~Sarcinae~ (= das Gepäckstück) +erhalten. Diese Sarcinen verursachen eine Gärung mit widerlich +schmeckenden Nebenprodukten. Da nun die Brauereien für den Vertrieb +des Bieres stets mit Pferden arbeiten müssen, so war es früher fast +unvermeidbar, daß mit dem aufwirbelnden Straßenstaub Sarcinenkeime in +die Gärbottiche gerieten und dem Bier einen Stallgeschmack gaben. + +[Illustration: Abb. 17. Das Aussehen der Sarcinen.] + +Bei der Gärung tritt, wie schon erwähnt wurde, zugleich eine ungeheure +Vermehrung der Hefe ein, welche sich als grauer Schlamm in den +Gärgefäßen zu Boden setzt. Dieser Hefeschlamm wurde früher ohne +weitere Umstände wieder zur Gärung neuer Würze verwendet. Waren nun +unerwünschte Hefearten hineingeraten, so beeinflußten sie natürlich +auch die neue Gärung ungünstig. Jetzt verfährt man daher ganz anders. +Jetzt besitzt jede bessere Brauerei Einrichtungen zur +Reinzucht+ ihrer +spezifischen Hefeart und zur fortlaufenden Kontrolle der Reinheit ihrer +Zucht. Der „Spatengeschmack“ des Münchener Spatenbräus, der Löwenbräu-, +Hofbräu-, Kindlbräu-Geschmack wird also gewissermaßen im Laboratorium +reingezüchtet. Das Verfahren ist aus der Bakteriologie übernommen. +Es wurde von den großen Bakteriologen Robert +Koch+ und +Pasteur+ +ausgearbeitet und ist merkwürdig genug, um hier ausführlich beschrieben +zu werden. Es beruht auf der Entdeckung der sogenannten +festen +Nährböden+. Unter dem Nährboden bzw. der Nährflüssigkeit versteht man +den Stoff, auf welchem sich die Bakterien entwickeln und vermehren +sollen. Dieser Stoff kann entweder flüssig sein, wie die Bierwürze, +oder fest, wie z. B. Kartoffeln oder Gelatine. Voraussetzung ist nur, +daß er alle diejenigen Stoffe in genügender Menge enthält, welche +das Bakterium zu seiner Entwicklung braucht. Einer der brauchbarsten +Nährböden für die meisten Bakterienarten besteht aus einer kräftigen +Fleischbrühe, in welcher man so viel Gelatine aufgelöst hat, daß +sie beim Erkalten fest wird. Diese „Nährgelatine“ ist gewissermaßen +zugleich ein flüssiger und ein fester Nährboden, je nach der +Temperatur, bei welcher man sie anwendet. Ihre Anwendung hat umwälzend +in der Bakteriologie gewirkt und hat die planmäßige Erforschung der +Bakterientätigkeit erst möglich gemacht. Wenn man nämlich ein Gemisch +verschiedener Bakterienarten in einen +flüssigen+ Nährboden bringt, so +vermehren sie sich darin nicht bloß, sondern die Vermehrungsprodukte ++vermischen+ sich auch fortwährend miteinander. Hat aber der Nährboden +die Eigenschaft, nach kurzer Zeit zu erstarren, so muß jeder Keim sich +an derjenigen Stelle vermehren, an welcher er durch den erstarrten +Nährboden festgehalten wird. Die einzelnen Bakterien sind nun wegen +ihrer winzigen Größe (¹⁄₅₀₀ Millimeter und weniger) nicht mit bloßem +Auge sichtbar. Sobald sie aber, nach 2–3 Tagen, durch die Vermehrung +zu einer Kolonie angewachsen sind, kann man diese in der Nährgelatine +schon mit unbewaffnetem Auge als einen kleinen, grauen Fleck erkennen. +Es ist klar, daß jeder solche Fleck aus einer „Reinzucht“ derjenigen +Bakterienart bestehen muß, die sich im Augenblick des Erstarrens +der Gelatine an der betreffenden Stelle befunden hat. Entnimmt man +also diesem Fleck mittels einer Nadel so viel Bakterien, als an der +Nadel hängen bleiben, und überträgt man diese auf eine neue Portion +bakterienfreien Nährbodens, so können sich auf diesem nur Bakterien +dieser +einen+ Art entwickeln, die man in Reinzucht zu haben wünscht. + +Diese Kochsche Methode der fest-flüssigen Nährböden gestattet uns also +auf allereinfachste Weise, uns aus einem Gemisch der verschiedensten +Bakteriensorten jede Art in Reinzucht oder „Reinkultur“ herzustellen. +Freilich muß man dabei manche Vorsichtsmaßregeln beachten, wenn nicht +unliebe Überraschungen eintreten sollen. Denn wir müssen bedenken, +daß nicht bloß in der Luft Millionen von Bakterienkeimen schweben, +sondern daß auch jeder feste Gegenstand damit besät ist, und daß auch +das reinste Trinkwasser von solchen Keimen geradezu wimmelt. Würden +wir also unsere Versuche ohne Rücksicht auf diese Umstände ausführen, +so würden zahllose Keime aus der Luft und aus dem Wasser und aus den +Oberflächen unserer Gefäße alle Reinkulturversuche vereiteln. Aber +glücklicherweise lassen sich alle Bakterien und ihre Keime durch bloßes +Erhitzen auf 80–100 ° leicht töten. Man braucht also die Glasgefäße +und Instrumente, welche keimfrei sein sollen, bloß in kochendes Wasser +zu tauchen oder besser in trockener Luft auf 100 ° zu erhitzen, dann +sind sie solange keimfrei, bis aus der Luft oder durch Berührung mit +anderen Gegenständen neue Keime daran kommen. Die Flüssigkeiten werden +durch Kochen keimfrei gemacht. Deshalb ist frisch abgekochtes Wasser +stets keimfrei, und in dieser Beziehung dem reinsten Quellwasser +vorzuziehen. Schwieriger ist es, die Ansteckung eines Nährbodens durch +diejenigen Bakterien zu verhindern, welche aus der Luft hineinfallen +oder mit den Luftströmungen hineingerissen werden. Das bloße Zustopfen +der Flaschen nützt deshalb nicht viel, weil die Luft bei verschiedenen +Temperaturen und Barometerständen einen verschiedenen Raum einnimmt, +und weil daher häufig beim Öffnen des Stopfens die Luft stürmisch in +die Flasche eindringt und dabei Bakterien mitreißt. Deshalb kam Pasteur +auf den ausgezeichneten Gedanken, solche Flaschen mit einem trockenen +Wattebausch zu verschließen. Die Watte läßt die Luft ungehindert durch +sich hindurchtreten, nicht aber die Bakterien, obwohl es unter diesen +solche gibt, welche kleiner als ¹⁄₁₀₀₀ Millimeter sind. Sie bleiben +alle in den obersten Schichten des Wattebauschs zurück. Der Wattebausch +ist also ein richtiges Filter für die Bakterien. Unsere Abbildungen +18 und 19 zeigen, in welcher Weise man Glaskolben und Reagensgläser +mit solchen Wattepfropfen bakteriendicht verschließt. Man stellt +dabei, namentlich beim Öffnen, die Gefäße gern schief, damit nicht +aus der Luft Keime hineinsinken; auch verkohlt man die Unterseite +der Wattepfröpfe gern ein wenig über einer Flamme, damit alle daran +hängenden Keime verbrannt werden. + +[Illustration: Abb. 18. Glaskolben mit bakteriendichtem Watteverschluß.] + +[Illustration: Abb. 19. Schiefgestelltes Reagensrohr mit Nährgelatine.] + +[Illustration: Abb. 20. Petrischale zum Herstellen von Reinkulturen.] + +Wenn man nun aus einer unreinen Hefe eine bestimmte Sorte reinzüchten +will, verfährt man folgendermaßen: man bringt ein wenig von der Hefe +in einen Glaskolben, der keimfreie („sterile“ oder „sterilisierte“) +Nährgelatine enthält, welche man bei möglichst niederer Temperatur, +durch Eintauchen in warmes Wasser, verflüssigt hat. Die Hefe wird +vor dem Einbringen mit etwas Wasser fein zerrieben und dann durch +Umschwenken des Kolbens gut mit der Gelatine vermengt. Nun gießt man +den Inhalt des Glaskolbens auf eine sauber gereinigte, keimfreie +Glasplatte und läßt ihn dort in dünner Schicht unter dem Schutze einer +Glasglocke erstarren. An Stelle der Glasplatte und der Glasglocke +kann man auch eine sogenannte +Petri+-Schale (vergl. Abb. 20) nehmen, +das sind zwei flache Glasschalen mit zylindrischem Rand, von welchen +die größere als Deckel über die kleinere gestülpt wird, während in +diese die Nährgelatine gefüllt wird. Nach einigen Tagen zeigt sich +die Gelatine ganz mit grauen Pünktchen besät, deren jedes aus einer +Kolonie von Bakterien bzw. Hefezellen einer Art besteht. Meistens +lassen sich verschiedene Arten schon am verschiedenen Aussehen ihrer +Kolonien erkennen, zumal wenn man das Vergrößerungsglas zu Hilfe nimmt. +Man sucht sich die gewünschte Art aus und überträgt sie mit einer +sogenannten Impfnadel in ein Kölbchen mit steriler Nährflüssigkeit (z. +B. Bierwürze). Die Impfnadel besteht aus einem 5 ~cm~ langen Stück +Platindraht von ½ ~mm~ Dicke, der mit einem Ende in einen langen +Glasstab eingeschmolzen, am anderen Ende zu einer Öse gebogen ist (vgl. +Abb. 21). Der Draht muß aus Platin sein, damit er durch Ausglühen in +einer Flamme keimfrei gemacht werden kann, ohne dabei zu oxydieren. Man +glüht die Öse aus und überträgt mit ihr ein wenig von der zu züchtenden +Kolonie in die neue Nährlösung, wo sie sich nun ganz rein und frei von +fremden Keimen entwickeln muß. + +[Illustration: Abb. 21. Impfnadel zum Uebertragen von Reinkulturen.] + +Nebenbei sei bemerkt, daß man die Kochschen festen Nährböden auch +benutzt, um die Bakterien in der Luft, im Trinkwasser, im Erdboden zu ++zählen+: denn so viel Bakterien in einer gewissen Menge dieser Stoffe +sind, so viel sichtbare Kolonien müssen auf der Glasplatte nach dem +Vermischen mit Nährgelatine oder Pflanzengelatine (Agar-Agar) entstehen. + +Erst seit der Einführung dieser Hefereinzucht ist es möglich, Biere +und destillierte Schnäpse von stets gleichen Eigenschaften mit aller +Sicherheit herzustellen. Auch für die Weingewinnung aus den Trauben +wendet man seit langem schon reingezüchtete Hefen an. Auf den reifen +Beeren der Weintrauben und auf den Zwetschen liegt ein Reif, welcher +aus Hefezellen besteht, die den Preßsaft dieser Früchte von selbst in +Gärung versetzen. Daher kommen zerquetschte Früchte stets von selbst in +Gärung, wobei, je nach ihrem Zuckergehalt, mehr oder weniger Alkohol +entsteht. Durch Abdestillieren gewinnt man dann die destillierten +Schnäpse daraus. Da aber die natürlichen Hefen auf der Fruchthaut in +verschiedenen Jahren von verschiedener Beschaffenheit sind, so ist es +zuverlässiger, auch diese Gärungen mit Reinzuchthefe von erprobten +Eigenschaften vorzunehmen. -- + +Es wurde schon oben gesagt, daß durch Gärung zuckerhaltiger +Flüssigkeiten der Alkoholgehalt nicht höher als auf etwa 10–12 % +steigen kann. Wenn also ein „natürlich“ vergorenes Getränk, etwa ein +Wein, 15 % oder mehr Alkohol enthält, so können wir mit Bestimmtheit +sagen, daß er künstliche Zusätze von Sprit erhalten hat. Es gibt aber +noch ein anderes Verfahren, um den Alkoholgehalt einer vergorenen +Maische zu erhöhen: das +Destillieren+. Während nämlich Wasser +bekanntlich erst bei 100 ° siedet, kocht der Alkohol schon bei 78 °. +Erhitzt man nun Gemische von Alkohol und Wasser zum Sieden und kühlt +man die Dämpfe vorsichtig ab, so wird zuerst der Wasserdampf wieder zu +Wasser, während der Alkoholdampf erst unterhalb von 78 ° verflüssigt +wird. Dieses Verdampfen und Wiederflüssigmachen des Dampfes nennt man +bekanntlich Destillieren. Die Erfahrung hat gezeigt, daß, wenn man +aus einer solchen Maische die Hälfte abdestilliert, darin +aller+ +Alkohol enthalten ist. Das Destillat nimmt aber nur die Hälfte Raum +ein, ist also in bezug auf seinen Alkoholgehalt doppelt so stark als +die ursprüngliche Maische. So kann man +Branntwein+ und Schnäpse von +hohem Alkoholgehalt destillieren. Man kann aber auch aus ordinärer +Kartoffelmaische reinen Spiritus, der nur noch 4–5 % Wasser enthält, +abdestillieren, wenn man die Dämpfe in sogenannten Kolonnenapparaten +sehr vorsichtig abkühlt. In Deutschland werden auf diese Weise jährlich +etwa 5 Millionen Hektoliter reiner Alkohol erzeugt. + +[Illustration: Abb. 22. Senkwage, um den Alkoholgehalt einer +Flüssigkeit zu messen (nach Erdmann).] + +Nebenbei erwähnt sei, wie man den Alkoholgehalt einer Flüssigkeit +bestimmt. Alkohol ist leichter als Wasser. Daher wird eine +Schwimmvorrichtung aus Glas, eine sogenannte +Senkwage+ (Aräometer), +in Alkohol und in alkoholhaltigen Mischungen tiefer einsinken als +in reinem Wasser. (Abb. 22.) Diese Aräometer werden in der hier +abgebildeten Form aus Glas geblasen; damit sie aufrecht schwimmen, +ist die untere Kugel mit Bleischrot oder Quecksilber gefüllt, während +die bauchige Erweiterung das Schwimmen erleichtert. In der oberen, +röhrenartigen Verlängerung des Schwimmers ist eine Papierskala mit +Ziffern angebracht, welche gleich den Alkoholgehalt der betreffenden +Flüssigkeit angeben. Sinkt das Aräometer also z. B. bis zur Marke 20 +ein, so hat die Flüssigkeit 20 % Alkohol. Dabei ist aber folgendes +zu beachten: die Zahlen stimmen nur, wenn die Mischung nur Wasser +und Alkohol enthält. Dies ist immer bei denjenigen Flüssigkeiten der +Fall, welche man durch +Destillation+ gegorener Maischen erhält. Die +Maischen selbst, also Bier und Wein z. B., enthalten noch eine Menge +anderer Stoffe, wie Dextrin, Gerbsäuren, Fruchtsäuren, Zucker usw. +Diese anderen Stoffe machen die Mischung schwerer, so daß die Senkwage +zu wenig Alkohol angeben würde. Will man also den Alkoholgehalt eines +Weines bestimmen, so destilliert man ein Drittel davon ab, setzt die +Senkwage in das Destillat und teilt das Ergebnis durch die Zahl 3. -- + +Bevor wir unsere Unterhaltung über den Alkohol schließen, wollen wir +uns noch ein wenig mit der +Hefe+ beschäftigen. Die Hefe vermehrt sich +bekanntlich bei der Gärung und setzt sich in den Gärbottichen als +grauer Schlamm zu Boden, mit dem man lange Zeit nichts Ordentliches +anzufangen wußte. Man bekam davon viel mehr, als man beim besten Willen +verbrauchen konnte. Dies wird verständlich, wenn man bedenkt, daß in +Deutschland jährlich an Bier allein etwa ein Hektoliter auf den Kopf +der Bevölkerung, im ganzen also etwa 65 Millionen Hektoliter, erzeugt +wird. Was soll mit der vielen Hefe gemacht werden? Zwar zum Brot- und +Kuchenbacken wird viel gebraucht, aber doch bei weitem nicht so viel, +als in den Gärungsgewerben erzeugt wird. Dazu kommt, daß die Hefe nicht +lange haltbar ist, selbst nicht in gepreßter Form (als +Preßhefe+, +jährlich in Deutschland allein 450000 Zentner Erzeugung!). Aber die +chemische Untersuchung hat gezeigt, daß die Hefe die Eigenschaften +eines ganz vorzüglichen +Nahrungsmittels+ besitzt, nämlich wegen ihres ++Stickstoff+reichtums, wodurch sie dem Rindfleisch nahezu gleichwertig +ist. Sie direkt zu essen, geht wegen der Gärungen, die sie im Darmkanal +erregen würde, nicht wohl an; aber man kann sie durch überhitzten Dampf +töten und kann dann vorzügliche +Fleischbrühen+ und +Fleischextrakte+ +aus solcher Hefe machen, die an Wohlgeschmack und Nährwert nicht hinter +Liebigs Präparaten zurückstehen. Und unter den landwirtschaftlichen +Futtermitteln spielt die stickstoffreiche „+Futterhefe+“ schon lange +eine bedeutende Rolle. Aber damit ist die Zukunft der Hefe noch +nicht erschöpft. Neuerdings, während des Krieges, ist nämlich durch +den Chemiker der Universität Königsberg, Professor Lassar-Cohn, ein +bedeutender Fortschritt erzielt worden, den uns folgende Überlegung +verständlich machen wird. Bei der Fütterung des Viehs spielen die +stickstoffhaltigen Futtermittel, die Klee-, Lupinen- und Wickenarten +eine bedeutende Rolle als Mastmittel. Andrerseits geben die Tiere im +Harn und in den Fäkalien große Stickstoffmengen von sich, die dadurch +wieder für die Fütterung nutzbar gemacht werden, daß man die Klee- +und Lupinenfelder damit düngt. Auf diesem Umwege dauert es freilich +ein halbes Jahr, bis der Fäkalstickstoff von den Tieren wieder als +Nahrung aufgenommen wird. Lassar-Cohn kam auf den Gedanken, diese Zeit +dadurch abzukürzen, daß er den Harn der Kühe als Nährflüssigkeit für ++Hefekulturen+ benutzte. Der Harn wird aus dem Stall in ein Bassin +geleitet und darin mit einer geeigneten Hefeart besät. Nach einigen +Stunden wird die vermehrte Hefe abgesiebt, gewaschen und sogleich +wieder verfüttert. Die Tiere nehmen das nahrhafte Futter gern, und +der Landwirt nutzt so den Stickstoff der Jauche nicht bloß schneller, +sondern auch viel besser aus als bei ihrer Anwendung als Düngemittel. + +Die Hefe hat auch noch in anderer Beziehung eine Zukunft. Man hat +nämlich (Prof. +Lintner+ in Charlottenburg) die Beobachtung gemacht, +daß es Hefearten gibt, welche +Fett+ erzeugen, obwohl sie auf ganz +billigem fettfreiem Nährboden wachsen, und man hat daran berechtigte +Hoffnungen geknüpft, auf diese Weise dereinst aus Kartoffelmehl Fett +darstellen zu können. + + + + +9. Brennstoffe. + + +Unsere wichtigsten Brennstoffe sind das +Holz+, die +Kohle+ und das ++Erdöl+. Solange diese Stoffe, namentlich die beiden erstgenannten, +unmittelbar und ausschließlich zum Brennen verwendet wurden, gab es +keine Chemie der Brennstoffe. Aber teils durch Zufall, teils gezwungen +durch die Not der besten Ausnutzung, hat man gelernt, diese Stoffe +vor dem Verbrennen gar vielseitig zu behandeln und eine Menge der +wichtigsten Nebenprodukte aus ihnen zu gewinnen, nämlich (um nur einige +zu nennen): +Leuchtgas+, +Benzol+, +Naphthalin+, +Teerfarbstoffe+, ++Ammoniak+, +Essigsäure+, +Blutlaugensalz+, +Benzin+, +Petroleum+, ++Vaseline+, +Paraffin+, +Schmieröle+, +Ceresin+ usw. So entstand eine +Chemie der Brennstoffe, deren Ergebnissen wir dieses Kapitel widmen +wollen. + + +1. Die Kohle. + +Holz und Kohle verhalten sich zueinander wie Gegenwart und +Vergangenheit. Denn jedes Holz geht unter gewissen Umständen im Laufe +der Zeit in Kohle über. Das Wesentliche für diese Verwandlung ist, daß +das Holz +feucht+ erhalten und vor der Berührung mit der Luft geschützt +werden muß. Dann wird es schon nach einigen Jahrhunderten dunkelbraun, +nach Jahrtausenden schwarz, und noch später verliert es seine faserige +Beschaffenheit und geht in +Braunkohle+ über. Der Übergang dieser +Braunkohle in +Steinkohle+ scheint allerdings eine fast unermeßlich +lange Zeit beansprucht zu haben, die sich jedenfalls über viele +Jahrhunderttausende erstreckt. + +Man kann also das Werden der Kohle in drei Stufen teilen: es beginnt +mit der +Vertorfung+ des Holzes, wodurch es zwar schwarz wird, aber +seine Struktur noch behält; darauf folgt die Bildung der +Braunkohle+ +und dann die der +Steinkohle+. Der Vorgang der Vertorfung ist oft genug +in geschichtlicher Zeit erfolgt: in den großen Mooren Jütlands und +Schleswigs finden wir vertorfte Eichbaumstämme und Sumpfföhren neben +den Geweih- und Knochenresten der ausgestorbenen Riesenhirsche, Elche +und Rentiere; auch Reste von normannischen (Wikinger-) Schiffen aus +vertorftem Eichenholz haben sich gefunden. Aus dem Bett des Rheins +wurden die unteren, ganz schwarzbraun vertorften Teile der Eichenpfähle +gehoben, auf welche Cäsar vor fast 2000 Jahren seine Rheinbrücke hatte +bauen lassen. + +Die Bildung der Braunkohle, welche die Holzstruktur verloren hat, geht +fast immer auf die +Tertiärzeit+ zurück, also auf jene Zeit vor etwa +200000–300000 Jahren mit italienischem Klima, in welcher wir die ersten +Menschenspuren bei uns nachweisen können, und in welcher die vielen +vulkanischen Basaltergüsse in der Eifel, im Vogelsgebirge, in der Rhön +und im böhmischen Mittelgebirge erfolgten und die Alpen entstanden sind. + +Die Entstehung der Steinkohle aber reicht zurück bis in die ältesten +Zeiten organischen Lebens auf der Erde, als sich Böhmerwald, +Fichtelgebirge und Erzgebirge als höchste Gebirge Europas erhoben und +von Jura und Alpen noch keine Spuren vorhanden waren. + +Welche chemischen Veränderungen mit dem Holz während dieser +Verwandlungen vor sich gegangen sind, das lehrt am besten ein Vergleich +der Analysen von Holz, Braunkohle und Steinkohle. Wir erinnern uns +dabei, daß der Hauptbestandteil des Holzes, der +Zellstoff+, aus +Kohlenstoff und Wasser im Verhältnis von 6 Atomen Kohlenstoff zu 5 +Molekülen Wasser zusammengesetzt ist. Wir werden also beim Vergleich +unser Augenmerk hauptsächlich auf das Verhältnis dieser drei Elemente +Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff zu richten haben. + + +Zusammensetzung: + + ---------------+---------+---------+--------+--------+---------+------ + | Kohlen- | Wasser- | Sauer- | Stick- |Schwefel |Asche + | stoff | stoff | stoff | stoff | | + ---------------+---------+---------+--------+--------+---------+------ + Eichenholz | 50,22 | 6,0 | 43,4 | 0,1 | -- | 0,3 + ---------------+---------+---------+--------+--------+---------+------ + Braunkohle vom | 60,44 | 5,3 | 22,0 | Spur | 0,86 | 0,65 + Bauersberg | | | | | | + ---------------+---------+---------+--------+--------+---------+------ + Steinkohle von | 83,63 | 5,2 | 9,1 | 0,6 | -- | 1,53 + Duttweiler | | | | | | + ---------------+---------+---------+--------+--------+---------+------ + Englischer | 93,00 | 3,1 | 1,7 | 0,5 | 0,7 | 1,0 + Anthrazit | | | | | | + ---------------+---------+---------+--------+--------+---------+------ + +Wir sehen, daß mit fortschreitender Verkohlung der Kohlenstoffgehalt +scheinbar zunimmt, weil der Gehalt an Wasserstoff und Sauerstoff +abnimmt. Daraus könnte man zunächst schließen, daß die natürliche +Verkohlung des Holzes bei der Braun- und Steinkohlenbildung der gleiche +Vorgang sei, wie die künstliche Verkohlung beim Erhitzen des Holzes, +z. B. die Meilerverkohlung. Aber dieser Schluß wäre ganz falsch. +Denn bei der künstlichen Verkohlung bleiben wirklich nur Kohle und +Aschenbestandteile zurück, aber in der natürlichen Steinkohle sind noch +eine Menge anderer Stoffe, die gerade beim Erhitzen erst verdampfen. +Diese Stoffe sind es, welche die Chemie der Steinkohle so interessant +machen. + +Holz, Torf und Braunkohle haben die gemeinsame Eigenschaft, Kali- oder +Natronlauge in der Hitze braun zu färben. Die echten Steinkohlen tun +dies in der Regel nicht mehr, und man kann auf diese Weise im großen +und ganzen Steinkohlen und Braunkohlen gut unterscheiden; Farbe und +Aussehen sind nicht kennzeichnend, denn die Braunkohlen sind oft ganz +schwarz wie echte Steinkohle. + +Erhitzt man Holz in einem Gefäße bis zum Glühen des Gefäßes, so +entweichen brenzliche Dämpfe, und es hinterbleibt lockere, poröse, +federleichte Holzkohle. Erhitzt man aber eine der natürlich +vorkommenden Kohlearten, so entweichen zwar ganz ähnliche Dämpfe, +aber es hinterbleibt eine viel dichtere, schwerere und härtere +Kohle, welche man bekanntlich +Koks+ nennt. Auch die Dämpfe +lassen in ihrer Beschaffenheit wichtige Unterschiede erkennen: +die Verflüchtigungsprodukte des Holzes sind +sauer+ und röten +angefeuchtetes Lakmuspapier deutlich; die der Steinkohle sind dagegen +infolge ihres Ammoniaküberschusses +alkalisch+ und bewirken, daß +gerötetes Lakmuspapier wieder blau wird. Kühlt man die brenzlichen +Dämpfe ab, so erhält man in beiden Fällen eine braunschwarze +Flüssigkeit, welche deutlich aus zwei übereinandergelagerten Schichten +besteht, die sich offenbar nicht miteinander mischen können, weil sie +sich zueinander verhalten wie Öl und Wasser. Die obere, leichtere +Schicht ist ganz schwarz und besteht aus dickem Teer; die untere, +mehr braun gefärbte Flüssigkeit, ist dagegen wässerig und läßt sich +mit Wasser in jedem Verhältnis mischen. Außer dem kohligen Rückstand +und diesen beiden Flüssigkeiten entsteht beim Erhitzen des Holzes +und der Kohlearten noch ein vierter, sehr wichtiger Stoff, nämlich +das +Leuchtgas+. Die Gewinnung und weitere Verarbeitung dieser +vier Produkte hat eine gewaltige und sehr interessante Industrie +hervorgerufen, mit der wir uns nun etwas näher beschäftigen wollen. + +[Illustration: Abb. 23. Leuchtgasgewinnung im kleinen.] + +Betrachten wir zunächst das +Leuchtgas+. Seine Gewinnung aus Steinkohle +wurde um die Mitte des 18. Jahrhunderts in England entdeckt. Unsere +Abbildung 23 zeigt, wie man sich das Gas selbst bereiten kann. +Man füllt eine kleine gläserne Retorte, am besten eine aus schwer +schmelzbarem, sog. böhmischem Glas, halb mit Steinkohlengrus und +erhitzt sie kräftig mit einer großen Spiritus- oder Gasflamme. An den +Retortenhals ist eine sogenannte „Vorlage“, ein Glasballon mit zwei +Halsöffnungen, mittels Korks luftdicht angeschlossen. In dieser Vorlage +sammelt sich der Teer und das Teerwasser, während das Gas durch ein +Glasröhrchen entweicht, das man in den zweiten Hals eingesetzt hat. + +Die Zusammensetzung des Leuchtgases wechselt in sehr weiten Grenzen, +je nach der Kohlensorte, welche man zu seiner Darstellung verwendet. +Durchschnittlich besteht es +zur Hälfte+ aus +Wasserstoffgas+, +welches bekanntlich 14½mal leichter als Luft ist. Infolgedessen +ist auch das Leuchtgas ⅓ bis ½mal leichter als Luft. Die andere +Hälfte des Leuchtgases besteht zum größeren Teil aus „Methan“ oder ++Sumpfgas+, einer Verbindung von Kohlenstoff und Wasserstoff, aus +welcher auch die Gasblasen bestehen, welche aus den schlammigen +Böden der Seen oft emporsteigen. Der Rest besteht vorwiegend aus dem +giftigen +Kohlenoxydgas+ sowie aus ein wenig Kohlensäuregas und aus +komplizierteren Verbindungen von Kohlenstoff mit Wasserstoff, wie +Äthylen, Azetylen usw. Das Kohlenoxydgas, dessen Menge im Leuchtgas +zwischen 6 und 12 % schwankt, ist sein gefährlichster und schädlichster +Bestandteil, denn er verursacht die zahllosen Leuchtgasvergiftungen, +welche in unseren Großstädten meistens von den Beteiligten absichtlich +herbeigeführt werden, und in ihrem Gefolge viele, zwar in der Regel +nicht beabsichtigte, aber darum nicht minder gefährliche Explosionen. +Es ist vielleicht sehr wenig schmerzhaft, aber gewiß nicht sehr +anständig, sich durch Öffnen der Gashähne mit Leuchtgas zu vergiften; +denn in vielen Fällen fordert diese Methode des Selbstmords noch +weitere Opfer an Menschenleben, wenn ahnungslose Hausgenossen das +betreffende Zimmer mit brennendem Licht betreten und dadurch eine +Explosion des gefährlichen Leuchtgas-Luft-Gemisches hervorrufen. Leider +hat man diesen üblen Bestandteil des Leuchtgases bis jetzt nicht in +befriedigender Weise beseitigen können. + +Eine Leuchtgasanalyse zeigt folgende Prozentgehalte der genannten Gase: + + Wasserstoffgas 52,79 % + Sumpfgas 34,43 % + Kohlenoxydgas 7,19 % + Äthylen, Azetylen usw. 4,01 % + Kohlensäuregas 1,58 % + -------- + 100,00 % + +[Illustration: Abb. 24. Schematische Darstellung der +Leuchtgas-Fabrikation. a = Ofen, b = Kühler, c = Gaswäscher, d = +Reiniger, f = Gasometer, g = Ableitung mit Brenner.] + +Im rohen, ungereinigten Leuchtgas sind noch einige Stoffe enthalten, +welche seine Anwendung zum Brennen ganz unmöglich machen würden, +nämlich +Schwefelwasserstoff+ und +Zyan+. Denn diese Stoffe sind +nicht bloß sehr übelriechend und ungewöhnlich giftig, sondern das +Schwefelwasserstoffgas wird auch beim Verbrennen nicht angenehmer, weil +es sich in ein stechend riechendes, saures, die Metalle angreifendes +Gas (schweflige Säure) verwandelt, welches noch obendrein die Farben +der Kleider, Teppiche und Vorhänge ausbleicht. Deshalb muß das rohe +Gas vor der Verwendung zum Brennen gereinigt werden. Dies geschieht, +indem man das Rohgas über natürlichen Raseneisenstein leitet, der im +wesentlichen aus der +Eisenbase+ besteht. Dieser geht zum Teil (durch +die Einwirkung des Schwefelwasserstoffes) in +Schwefeleisen+, zum +Teil (durch die Einwirkung der Zyanverbindungen) in +Berlinerblau+ +über. Wenn die Gasreinigungsmasse nach einiger Zeit unwirksam geworden +ist, so breitet man sie an der Luft aus und schaufelt sie öfters +um. Dadurch nimmt das Schwefeleisen, in welches sich die Hauptmenge +der Reinigungsmasse verwandelt hatte, Sauerstoff auf und geht in +schwefelsaures Eisen über, welches wieder von neuem als Reinigungsmasse +verwendbar ist. Dies nennt man die +Regenerierung+ (Wiederherstellung) +der Reinigungsmasse. Schließlich, wenn die Masse nach mehrfacher +Regenerierung ziemlich erschöpft ist, ist sie erst recht wertvoll +geworden durch ihren Gehalt an Berlinerblau, der nicht selten bis 10 % +der Masse beträgt. Dieser wertvolle, aber noch unreine Bestandteil +wird nun durch Kochen mit Kalkmilch usw. in +gelbes Blutlaugensalz+ +(Ferrozyankalium) umgewandelt, woraus man wieder einerseits +(durch Vermischen mit Eisenchloridlösung) das reine Berlinerblau, +andrerseits (durch Schmelzen) das wichtige +Zyankalium+ gewinnt. +Zyankalium und Zyannatrium werden in ungeheuren Mengen als goldlösende +Auslaugungsmittel für goldführende Gesteine in Südafrika verbraucht, +ferner in der Herstellung galvanischer Metallüberzüge (Vernickeln, +Versilbern, Vergolden) zum Zusammensetzen der Bäder. So liefert in der +chemischen Technologie ein Gebiet Hilfsstoffe für ein anderes. + +Auf diese Weise erhält man schließlich das technisch „reine“ Leuchtgas. +Es wird bekanntlich in großen, schmiedeeisernen Gasometern aufgefangen +und durch deren Gewicht in das Rohrleitungsnetz gepreßt. Dabei ergeben +sich aus dem Gesetz der Druckverteilung höchst eigentümliche Folgen. +Man sollte nämlich erwarten, daß die ungeheuer schwere Gasometerglocke, +deren Gewicht bei großstädtischen Anlagen in die Hunderttausende +von Zentnern geht, das Gas mit viel zu hohem Druck in die +Verbraucherleitungen preßte. Das gerade Gegenteil ist der Fall. Gerade +die größten Leitungsnetze haben den geringsten Gasdruck aufzuweisen. +Dies erklärt sich daraus, daß der Leitungsdruck und der Druck der +Gasometerglocke zueinander im Verhältnis der Flächen stehen, auf welche +sie wirken. Hat die Leitung einen Querschnitt von 1 Quadratzentimeter, +die Gasometerglocke aber eine Innenfläche von 1 Quadratmeter = 10000 +Quadratzentimeter, so entströmt das Gas aus der Leitung mit einem +Druck, welcher den zehntausendsten Teil vom Gewicht der Gasometerglocke +beträgt. Nun haben aber die Gasometerglocken eine ganz andere +Innenfläche als 1 Quadratmeter, nämlich den tausendfachen Betrag oder +noch mehr. Infolgedessen müssen diese Glocken ein gewaltiges Gewicht +haben, um das Gas in die Verbraucherleitung mit einem solchen Druck +pressen zu können, wie er für Brennzwecke erforderlich ist (6–12 ~cm~ +Wasserhöhe). + +[Illustration: Abb. 25. Gasometer im Durchschnitt.] + +[Illustration: Abb. 26. Eine Kerzenflamme.] + +[Illustration: Abb. 27. Alter Schwalbenschwanzbrenner für Leuchtgas.] + +Die Anwendung des Leuchtgases hat eine außerordentlich interessante +Geschichte. Zunächst brannte man es unmittelbar und offen als +Lichtquelle und trieb so eine ungeheure Verschwendung, denn die +Leuchtkraft einer einfachen Gasflamme ist recht gering, weil der +Hauptbestandteil des Leuchtgases, der Wasserstoff, fast nichtleuchtend +verbrennt. Denn das +Leuchten+ der Flamme kommt fast stets dadurch +zustande, daß darin irgendwelche feine Staubteilchen -- meistens +sind es Kohlenteilchen -- zur Glut erhitzt werden. Daher können nur +solche Gase mit helleuchtender Flamme verbrennen, welche sich in der +Hitze unter Rußbildung, also unter Abscheidung von Kohlenstäubchen, +zersetzen. Solche Gase sind die sogenannten Kohlenwasserstoffe, +also Verbindungen von Kohlenstoff und Wasserstoff. Sie zerfallen +in der Glühhitze ihrer eigenen Flamme in ihre beiden Elemente, von +welchen der Wasserstoff mit sehr heißer, aber nichtleuchtender Flamme +verbrennt, während die abgeschiedenen Rußteilchen zunächst durch das +Wasserstoffgas vor dem Verbrennen geschützt werden; dies hindert +aber nicht, daß sie durch die Hitze der Wasserstofflamme in hohe +Glut versetzt werden und dadurch diese Flamme leuchtend machen. Dann +aber kommen auch diese Teilchen am Rand der Flamme mit der Außenluft +in Berührung und verbrennen dadurch zu Kohlensäuregas, werden also +nichtleuchtend. Diese Vorgänge kann man in jeder leuchtenden Flamme, +z. B. in der Kerzenflamme (Abb. 26) und der Leuchtgasflamme alten +Stils (Abb. 27) gut erkennen. Man sieht zunächst dem Docht bzw. der +Gasausströmungsöffnung einen nichtleuchtenden Kern unverbrannten +„+kalten+“ (d. h. noch nicht glühenden) Gases. Dieser Kern ist umgeben +von der leuchtenden Zone der abgeschiedenen, glühenden Kohleteilchen, +und diese wieder ist von einer nichtleuchtenden, sehr heißen Zone +der verbrennenden Rußteilchen umgeben. Es ist demnach klar, daß die +Leuchtkraft einer Flamme davon abhängt, wieviel Kohlenstoffteilchen +in ihr abgeschieden und zum Glühen gebracht werden. Diese Frage ist +aber innig verknüpft mit dem Gehalt des Gases an „schweren“, d. i. +kohlenstoffreichen Kohlenwasserstoffverbindungen. Sobald man sich +darüber im klaren war, nämlich um die Mitte des 19. Jahrhunderts, +begann man die Leuchtkraft des Gases planmäßig zu erhöhen, indem +man ihm „schwere“ Kohlenwasserstoffe beimengte. Solche sind z. B. +das Azetylengas und der Benzoldampf. Diesen Vorgang nannte man das ++Karburieren+ des Leuchtgases (~carbo~ = die Kohle). Die Abbildungen +28 und 29 zeigen, wie man Wasserstoff darstellen und durch Überleiten +über benzolgetränkte Watte karburieren kann. -- Als nun seit dem +letzten Viertel des 19. Jahrhunderts die elektrische Bogenlampe und +die Kohlenfadenglühlampe dem Gaslicht energische Konkurrenz machten, +bekamen es die Gastechniker mit der Angst zu tun und erfanden in der +Not die +Regenerativlampen+. Bei diesen wird die Leuchtkraft dadurch +erheblich gesteigert, daß sowohl das Gas als die Verbrennungsluft +vor ihrem Zusammentreffen durch die eigene Flammenhitze kräftig +vorgewärmt werden. Aber gegenüber der bequemen, billigen und die +Luft nicht verderbenden Glühlampe konnten auch die Siemensschen +Regenerativbrenner nicht standhalten, und es schien fast, als ob der +Gasbeleuchtung das Todesurteil gesprochen wäre. Der Gasverbrauch ging +in allen Städten gewaltig zurück. Da machte ein genialer Chemiker, Auer +von Welsbach in Wien, gerade rechtzeitig eine gewaltige Erfindung: +das Gasglühlicht. Er holte sozusagen aus den leuchtenden Flammen das +leuchtende Prinzip heraus, das glühende Kohlenstoffteilchen, fand es +für seinen Zweck (Wärme in Licht umzuwandeln) ganz unzulänglich und +ersetzte es daher durch eine viel wirksamere Substanz in einer viel +wirksameren Anordnung: durch die seltenen Erdmetalloxyde in der Form +des Glühstrumpfes. Seitdem, besonders auch seit der Erfindung des +Hängeglühlichts, ist die Gasbeleuchtung unbestritten die billigste +Beleuchtungsart der Gegenwart, mit welcher das elektrische Licht trotz +Metallfadenlampen, trotz Halbwattlampen und Intensivflammenbogenlampen +nicht mehr voll konkurrieren kann. Dies ergibt sich aus der +folgenden Tabelle, welche wir dem Werkchen von H. +Lux+ „Das moderne +Beleuchtungswesen“ (Leipzig 1914) entnehmen: + +[Illustration: Abb. 28. Aus Zinkblechschnitzeln und verdünnter +Salzsäure entwickelt sich Wasserstoff, der mit nichtleuchtender Flamme +brennt.] + +[Illustration: Abb. 29. Das Wasserstoffgas wird mit Benzol karburiert +und leuchtet nun sehr hell beim Brennen.] + + +Kosten einer Zimmerbeleuchtung von 200-Kerzenstärken-Helligkeit. + + ---------------------+----------------+---------------- + | Zahl der | Betriebskosten + Lampenart | erforderlichen | für + | Lampen | 10 Stunden + ---------------------+----------------+---------------- + Petroleum | 10 | 1,75 M. + Spiritusglühlicht | 6 | 3,00 „ + Gasglühlicht: | | + 1. stehend | 3 | 0,53 „ + 2. hängend | 3 | 0,46 „ + Kohlenfadenglühlampe | 10 | 3,20 „ + Osramlampe | 5 | 1,17 „ + +[Illustration: Abb. 30. Normaler Auerbrenner (nach Lux).] + +Dieser Sieg des Gases auf dem Gebiet des Beleuchtungswesens wurde noch +verstärkt durch seine Verwendbarkeit für Kochzwecke. Fällt es doch in +der Großstadt heutzutage keiner Frau mehr ein, Feuer auf dem Herd zu +machen! Denn überall hat sich der außerordentlich bequeme, reinliche +und billige +Gasherd+ eingebürgert. -- + +[Illustration: Abb. 31. Prinzip des Gasherds] + +Bei der Herstellung des Gases entstehen auch +flüssige+ Nebenprodukte, +nämlich +Teer+ und +Gaswasser+ und +Koks+. Über die Mengenverhältnisse +gibt folgende Tabelle Aufschluß: + +100 ~kg~ englische (Derbyshire-Silkstone-)Kohle liefern nach +Fischer+ +(Chem. Technologie, Leipzig 1900) bei 800 ° Destillationstemperatur: + + Koks 65 kg + Teer 7⅓ „ + Gaswasser 10 „ + Leuchtgas 21 cbm + +Das wichtigste dieser Nebenprodukte ist der +Teer+, von dem auf diese +Weise in Europa jährlich etwa 40 Millionen Zentner gewonnen werden +(davon in Deutschland 10, in England 20 Millionen). Er bildet eine +tiefschwarze, glänzende Flüssigkeit von einer etwas dickflüssigen +Beschaffenheit, der man wirklich nicht ansieht, welche ungeheuren +Werte in ihr enthalten und aus ihr gewonnen werden. Um nur einige +seiner wichtigsten Bestandteile anzuführen, seien genannt: +Benzol+, ++Toluol+, +Naphthalin+, +Karbolsäure+ (Phenol), +Anthrazen+, +Kreosole+ +(Karbolineum), +Pyridin+; aber was bedeuten diese fremdklingenden +Namen dem, der nicht Chemiker ist! Aber auch er wird aufhorchen, wenn +ich ihm erzähle, daß fast alle die prachtvollen Farbstoffe, womit +unsere Kleider und Stoffe und Papiere gefärbt sind, aus dem Teer +gewonnen werden. Aber auch +Schwerbenzin+, +Pech+, +Asphalt+ und ++schwarzer Eisenlack+ werden aus Bestandteilen des Teers gewonnen. Die +Scheidekunst, mittels deren der Teer in seine wichtigsten Bestandteile +zerlegt wird, ist im Grund ein sehr einfaches Verfahren, das uns +schon aus der Spiritusindustrie bekannt ist: die +Destillation+. Der +Teer wird in riesigen eisernen Kesseln zum Kochen erhitzt, die Dämpfe +werden in gekühlten Rohrschlangen verdichtet. So erhält man (nach ++Lunge+) hauptsächlich drei Destillate: den „+Vorlauf+“ (das, was +aus der Kühlschlange zuerst abläuft, also am leichtesten verdampfbar +ist), dann das „+Leichtöl+“, und schließlich das „+Schweröl+“. Was im +Teerkessel zurückbleibt, ist +Pech+ und wird zu Asphalt und Eisenlack +verarbeitet. Aus dem Vorlauf und Leichtöl gewinnt man durch wiederholte +Destillation die Flüssigkeiten +Benzol+ und +Toluol+, woraus viele der +obengenannten Teerfarbstoffe hergestellt werden. Das Schweröl enthält +dagegen mehr +Naphthalin+ und +Kreosole+. Diese vier Stoffe sind die +Muttersubstanzen nicht bloß für die Farbstoffindustrie, sondern auch +für die Gewinnung zahlloser Arzneimittel, mit welchen Deutschland die +ganze Welt versorgt hat. Außer den bekannten Desinfektionsmitteln ++Karbolsäure+, +Lysol+ und +Salizylsäure+ seien hier nur noch die +technisch wichtigen Teerabkömmlinge +Kumaronharz+ und +Solventnaphtha+ +erwähnt. Das Kumaronharz, ein Bestandteil des Teerpechs, ist zwar kein +echtes Harz, hat aber so harzartige Eigenschaften, daß es jetzt während +des Weltkrieges die in Deutschland knapp gewordenen Harzvorräte für die ++Seifensiederei+ und +Papierleimung+ strecken hilft. Das Solventnaphtha +ist eine benzolartige Flüssigkeit von bedeutender Lösungsfähigkeit für +Harze, Fette und andere Stoffe (~solvere~ = auflösen). + +Nicht so reich an verschiedenen Stoffen, wie der Teer, aber +dennoch sehr wichtig und wertvoll ist das +Gaswasser+ der +Steinkohlengasdestillation. Denn dieses Gaswasser enthält und liefert +fast alles +Ammoniak+, welches für die Industrie und Landwirtschaft von +größter Wichtigkeit ist. Man destilliert zu diesem Zweck das Gaswasser +mit Kalkbrei und erhält so das Ammoniak als Gas von dem bekannten +stechend scharfen Geruch, wie er in Pferde- und Kuhställen herrscht, +in welchen sich Ammoniak durch Zersetzung des Harns bildet. Das +Ammoniakgas wird entweder durch Druck zu einer Flüssigkeit verdichtet +oder in Wasser, welches es sehr begierig aufnimmt, gelöst. Es wird zur +Herstellung zahlloser chemischer Präparate und wichtiger Sprengstoffe +(Roburit usw.) benutzt. In der Landwirtschaft bildet das schwefelsaure +Ammoniak eines der wirkungsvollsten Kunstdüngemittel, dessen Bedeutung +von Jahr zu Jahr wächst. -- + +Alle bisher genannten Nebenprodukte der Leuchtgasgewinnung bezogen +sich auf beste +Steinkohle+ als Ausgangsstoff. Wendet man aber an +ihrer Statt +Braunkohle+, Torf oder Holz an, so erhält man wohl +ebenfalls die Nebenprodukte Teer und Gaswasser, aber doch von +wesentlich anderer Zusammensetzung. Namentlich in Sachsen wird eine +besondere Braunkohle, die sogenannte Schwelkohle, auf Teer und Koks +verarbeitet („geschwelt“). Das entwickelte Gas dient teils zum Heizen +der Schwelretorten, teils zum Betrieb großer Gaskraftmaschinen. Das +Gaswasser ist in der Regel wertlos. Aber um so wertvoller ist der +geschwelte Teer, denn er ist die Muttersubstanz des +Paraffins+ und +wertvoller „Mineral“öle, die als +Schmieröle+ für Maschinen, zum Teil +auch als +Leuchtöle+ für Lampen („Solaröl“) und als +Benzin+ Verwendung +finden. Man gewinnt sie aus dem Schwelteer durch Destillation unter +vermindertem Luftdruck und durch Reinigen mittels konzentrierter +Schwefelsäure. Diese zerstört nämlich alle Unreinigkeiten und +verwandelt sie durch Wasserentziehung in Kohle, während sie das +Paraffin, Schmieröl, Petroleum und Benzin ganz unverändert läßt. +Nebenbei gesagt, kommt von diesem Verhalten der Name Paraffin: +„~parum affinis~“ heißt im Lateinischen soviel wie „wenig geneigt +zu (chemischen) Verbindungen“. Aus dem Paraffin werden dann die +bekannten durchscheinenden Kerzen gegossen. Wer sieht ihnen an, daß +sie einst einen Bestandteil der ordinären Braunkohle bildeten? -- Die +Öle, Solaröl und Benzin, sind etwas anders zusammengesetzt als die +eigentlichen Petroleum- und Benzinarten, welche aus dem Rohpetroleum +gewonnen werden; wegen ihrer Neigung zur Rußbildung eignen sie sich +nicht so gut wie diese zum Brennen, wohl aber zu chemischen Zwecken als +Auflösungsmittel für Harze und Fette. + +Was bei der Schwelerei der Braunkohle in den Retorten zurückbleibt, +wird mit Wasser abgelöscht und bildet nun eine eigentümliche Art von +Koks, den sogenannten „+Grudekoks+“. Er ist zwar im Vergleich mit +Steinkohlenkoks minderwertig, hat aber doch gegenüber der Braunkohle +alle Vorteile des Koks, von welchen wir bald noch sprechen werden. + +[Illustration: Abb. 32. Kohlenmeiler.] + +Wieder anders und eigenartig verläuft die Schwelerei, die trockene +Destillation, beim +Holz+. Sie wird hauptsächlich des Rückstandes, der +wertvollen +Holzkohle+ wegen, vorgenommen, und jahrhundertelang hat +man den Prozeß in der +Meiler+verkohlung so roh betrieben, daß die +flüssigen und gasförmigen Nebenprodukte überhaupt nicht aufgefangen +wurden, sondern in die Luft verdampften. Mit dem Teer, der in der +Braunkohlendestillation so wertvoll ist, weiß man in der Holzschwelerei +auch heute noch nicht viel anzufangen; man verbrennt ihn, um ihn los +zu werden. Anders ist es aber mit dem +Gaswasser+. Es ist eine der +wichtigsten Quellen für die +Essig+gewinnung, denn es enthält, neben +1 % Methylalkohol („Holzgeist“), etwa 10 % Essigsäure. Der Speiseessig +besteht aus einer dreiprozentigen Lösung der Essigsäure. Man darf aber +nun beileibe nicht glauben, daß man das Gaswasser der Holzschwelerei +nur dreifach zu verdünnen brauchte, um es als Essig dem Salat zusetzen +zu können. Das gäbe einen üblen Salat, denn dieses Gaswasser ist durch +dunkelbraune, abscheulich stinkende Holzteerbestandteile verunreinigt +und mit einem Geruch behaftet, den man so leicht nicht wieder vergessen +wird, wenn man einmal nähere Bekanntschaft mit ihm gemacht hat. Aber +der Chemiker weiß sich zu helfen. Umdestillieren würde nichts nützen, +denn da würden neben Essigsäure und Wasser auch diese stinkenden +Stoffe mit überdestillieren. Also muß man versuchen, sie auf eine +andere Weise zu trennen. Man setzt Kalkbrei (die billigste Base) +hinzu und verwandelt dadurch die Essigsäure in ihr festes Kalksalz, +welches mäßiges Erhitzen verträgt und in ziemlich reinem Zustand +zurückbleibt, wenn man die anderen Bestandteile abdestilliert. Diese +Salzform der Essigsäure bietet auch den Vorteil, daß man sie durch +Umkristallisieren (vgl. das 6. Kapitel!) reinigen kann. Um daraus +wieder Essigsäure, und zwar in ganz reiner Beschaffenheit, zu erhalten, +braucht man den essigsauren Kalk nur mit verdünnter Schwefelsäure zu +destillieren. Die „Essigessenz“ des Handels wird häufig so dargestellt, +ist also ein Produkt der Holzschwelerei. Ihr fehlen natürlich die +aromatischen Stoffe, welche der „natürliche“ Essig enthält, den man +durch saure Gärung alkoholischer Flüssigkeiten gewinnt. Solcher Essig +ist aber teurer, und zwar nicht bloß wegen der teureren Ausgangsstoffe, +sondern auch deshalb, weil Gärungsessig in der Regel nicht mehr als +4–5 % Essigsäure enthält (ein höherer Gehalt wirkt lähmend auf den +Erreger der Essiggärung). Wenn man also im Handel Essigessenz mit 30 % +Essigsäure gekauft hat, so kann man sicher sein, daß sie aus Holz +gemacht ist. + + * * * * * + +Wir müssen nun unsere Aufmerksamkeit auch den Rückständen der +Leuchtgasgewinnung schenken, dem +Koks+. Koks und Steinkohle zeigen +gegeneinander sehr wichtige Unterschiede. Beide sind ungemein wichtige +Brennstoffe, beide in ihrer Art unersetzlich, von beiden kann keiner +den anderen vertreten. +Die Steinkohle brennt mit Flamme, der Koks +glüht nur.+ Aus diesem Grunde kann der Koks seine wirksamste Hitze nur +unmittelbar da entwickeln, wo er liegt. Die Flammen der brennenden +Steinkohle dagegen tragen ihre Hitze so weit, als sie reichen. Sie +umspülen die Bratröhre und das Wasserschiff des Herdes, und sie tragen +ihre Wärme auch zu denjenigen Kochstellen der Herdplatte, welche vom +Rost weit entfernt sind. Ganz unentbehrlich sind die Steinkohlen +wegen ihrer Flammenbildung für die großen Muffel- und Tiegelöfen der +keramischen und der chemischen Industrie; denn diese Öfen heizen +sehr große Räume mit Feuerungen, welche verhältnismäßig sehr klein +sind. Dies ist also ein großer Vorteil der Steinkohlen vor dem Koks. +Aber diesem Vorteil stehen bedeutende Nachteile gegenüber: Die +Steinkohle +erweicht+ in der Wärme teigartig und bildet infolgedessen +auf dem Rost dicke und große Klumpen. Diese breiigen Klumpen können +natürlich nur an ihrer Außenseite brennen, weil das Innere für die +Verbrennungsluft unzugänglich ist. Deshalb ist das Schüren großer +Feuerungen mit Steinkohle nicht so ganz einfach und erfordert Übung +und Sachkenntnis vom Heizer. Im Gegensatz zum Koks erzeugt die +Steinkohle da, wo sie brennt, also auf dem Rost, zunächst am wenigsten +Hitze, weil die verdampfenden Teerbestandteile einen großen Teil der +Wärme zur Vergasung beanspruchen. Erst wenn die Kohle ihre flüchtigen +Bestandteile verloren hat und ganz verkokt ist, gibt sie auch auf dem +Rost eine große Hitze. + +[Illustration: Abb. 33. Durchschnitt durch einen Koksvergaser.] + +Die Steinkohle neigt dazu, in der Hitze zu zerspringen; sie zerfällt +in Blätter und Staub, welche der Verbrennungsluft den Durchgang +erschweren und welche das Erweichen und Zusammenbacken zu großen +Kuchen begünstigen. Man erzielt daher mit groben und staubfreien +Steinkohlenbrocken viel bessere Ergebnisse als mit kleinstückiger +Ware; Staub und Grus von Steinkohle ist überhaupt wertlos, weil er +in der Hitze sofort zu unverbrennlichen Kuchen zusammenbackt. Aber +auch grobe Stücke können nur auf flachen Herden mit weit getrennten +Roststäben verbrannt werden, nicht aber in Füllöfen. Beschickt man +einen Füllofen mit Steinkohle, so geht das Feuer nach einiger Zeit ganz +aus, weil sich der enge Schacht des Füllofens durch einen teerigen +Kuchen verstopft, der keine Verbrennungsluft hindurchläßt. Für solche +Ofenarten ist das beste Brennmaterial +Koks+. Infolge seiner lockeren +Beschaffenheit, und weil er alle teerigen Bestandteile bereits verloren +hat, gestattet er der Luft ungehinderten Durchgang und brennt daher +am besten in dicker, hoher Aufschüttung, wie z. B. in den bekannten +Füllöfen für Zimmerheizung. Auf flachen Herden Koks zu schüren, ist +nicht ratsam, weil dieses Brennmaterial bei guten Zugverhältnissen +unmittelbar auf dem Rost eine so gewaltige Hitze liefert, daß der +Schlackenrückstand mit den Roststäben verschmilzt. Der Rost wird +dadurch sehr schnell unbrauchbar. Aus diesem Grund ist es unmöglich, +große technische Ofenanlagen, welche für Steinkohlen eingerichtet +sind, mit Koks zu heizen. Nun sprechen aber viele Umstände dagegen, +die Steinkohle als solche zum Heizen zu verwenden. Denn wir haben oben +gesehen, welch ungeheure Mengen wertvoller Stoffe da mitverbrannt +werden, die wir als Farben, Arzneimittel und Rohstoffe der chemischen +Industrie wirklich nützlicher anwenden können. Dazu kommt der Umstand, +daß wir mit unseren Kohlen keine Verschwendung treiben dürfen, weil die +Kohlenlager der Erde recht deutlich ihrer Erschöpfung entgegengehen. +Denn selbst wenn unsere Industrie nicht von Jahr zu Jahr mehr Kohlen +verbrauchte, so würden doch die deutschen Kohlen in 700–800 Jahren +(die sächsischen schon in 100), die englischen in 600–700 Jahren +zu Ende gehen. Also handelt es sich für uns darum, die vorhandenen +Kohlenmengen so wirtschaftlich als möglich auszunützen. Dies geschieht +erfahrungsgemäß am besten dadurch, daß man sie in Gas, Teer und Koks +zerlegt und auch den Koks zum Teil wieder in Gasform umwandelt. Denn +Gas ist und bleibt der idealste aller Brennstoffe, weil er rauch-, ruß- +und aschenfrei verbrannt werden kann. Die Zerlegung der Kohle in Gas, +Teerprodukte und Koks ist also schon eine Art Veredlungsprozeß, der +durch die Vergasung des Koks vollends beendet wird. Diese Vergasung +des Koks erfolgt in den sogenannten +Generatoren+ dadurch, daß man +einen Turm voll Koks am unteren Ende entzündet und nun von unten nach +oben Luft durchbläst, während gleichzeitig von oben Wasser auf den +Koks tropft. Am oberen Ende entweicht dann aus dem Turm ein Strom +brennbaren Gases. Dieses Gas, Generatorgas genannt, besteht allerdings +zum Teil aus dem unverbrennlichen und daher wertlosen Stickstoff der +eingeblasenen Luft; außerdem enthält es aber die brennbaren Gase ++Wasserstoff+ und +Kohlenoxyd+. Die chemischen Vorgänge, welche dabei +stattfinden, sind folgende: Zunächst bildet sich über dem Rost (Abb. +33), da, wo die Gebläseluft auf den glühenden Koks einwirkt, das +wertlose Kohlensäuregas als Verbrennungsprodukt der Kohle. Dieses +Kohlensäuregas besteht aus einer Verbindung von einem Atom Kohlenstoff +mit zwei Atomen Sauerstoff. Sobald aber etwa die untere Hälfte des +Generatorinhalts in Glut geraten ist, muß das gebildete Kohlensäuregas +über glühenden Koks streichen. Dabei nimmt es noch ein Atom Kohlenstoff +auf und verwandelt sich in brennbares Kohlenoxydgas. In der untersten +Zone, dicht über dem Rost, wo helle Weißglut herrscht, findet außer der +Bildung des Kohlensäuregases noch ein zweiter Vorgang statt, nämlich +die Zerlegung des von oben zugeführten Wassers durch die glühende Kohle +in Wasserstoffgas und Kohlenoxyd. Denn der Sauerstoff des Wassers +verbindet sich mit der glühenden Kohle zu Kohlenoxyd. Die Zerlegung des +Wassers ist ein +endothermischer+ Vorgang, also ein Prozeß, bei welchem +Wärme verbraucht wird. Bläst man z. B. Wasserdampf über glühenden Koks, +so verschwindet die Glut sehr schnell, und die Kohlen werden schwarz. +Das dabei entstehende Gasgemisch von Wasserstoff und Kohlenoxyd wäre +von höchstem Brennwert, weil es gar keine unverbrennlichen Bestandteile +(Luftstickstoff) enthält; aber da sich bei seiner Bildung die Glut +schnell abkühlt, kann man dieses reine „Wassergas“ technisch leider +nur portionenweise und in geringen Mengen gewinnen. Dann muß man den +Wasserdampfstrom abstellen und Luft einblasen, um die erkaltenden +Kohlen wieder in Weißglut zu bringen, bevor man von neuem Wasserdampf +darauf wirken läßt. Bei unserem oben beschriebenen Generator für +„Mischgas“ ist dies aber nicht notwendig, weil die weißglühenden Kohlen +nicht mit Wasser allein, sondern zugleich mit Luft in Berührung kommen. +Da muß nur die Wasserzuführung so geregelt und eingestellt werden, daß +durch die Zerlegung des Wassers nicht ganz so viel Wärme verbraucht +wird, als durch die Einwirkung der Luft auf den Koks gebildet wird. + +So erhält man aus einem Kilogramm gewöhnlichem Koks 1,13 Kubikmeter +Wassergas und 3,13 Kubikmeter Generatorgas, welche zusammen (als +Mischgas) 84 % der Verbrennungswärme des Koks in sich tragen. 16 % +der Heizkraft des Koks gehen also bei seiner Vergasung verloren. +Dieser Verlust ist aber praktisch deshalb bedeutungslos, weil beim +direkten Verfeuern von Koks in den Öfen meistens viel mehr als 16 % +von seinem Brennwert verloren gehen, während Gasfeuerungen mit +außerordentlicher Sparsamkeit und fast ohne alle Verluste arbeiten. +Rechnet man dazu noch die anderen, wiederholt genannten Vorteile +der Gasfeuerungen, so versteht man leicht die immer ausgebreitetere +Verwendung von Vergasungsapparaten in der Technik. Auch muß man +bedenken, daß 1 Kilogramm guter Kohle gegen 0,3 Kubikmeter Leuchtgas +liefert und sich durch den Wert dieses Gases und der Teerprodukte +allein schon besser bezahlt macht, als wenn man es direkt verfeuert. +Die Verkokung der Kohle und die Vergasung des Koks bilden also zusammen +einen Veredelungsprozeß, der für unsere Zukunft von der größten +Bedeutung sein wird. Hat man doch schon allen Ernstes daran gedacht, +die Kohlen in Zukunft gleich an den Gruben so zu vergasen und, statt +die Kohlen auf Eisenbahnzügen durch das Land zu schicken, gewaltige +Gasleitungen für Kraft- und Leuchtgas zu erbauen und die Städte von +den Kohlengruben aus mit Gas zu versorgen. Denn die Transportkosten +verteuern die Kohlen durchschnittlich so, daß sie im Lande mehr als +doppelt so viel kosten als an der Förderstelle. Deutschland verbraucht ++täglich+ für etwa 2¼ Millionen Mark Kohlen, welche an den Gruben, +unmittelbar nach ihrer Förderung, erst etwa 1 Million Mark kosten. Aber +zurzeit wogt noch ein unentschiedener Streit zwischen den Fachleuten, +ob derartige riesengroße Vergasungsanlagen nebst den dazu gehörigen +Leitungen nicht durch ihre Amortisation die Kosten des Gases um soviel +verteuern, daß der Unternehmer gegenüber der direkten Verfeuerung +keinen wesentlichen Gewinn hätte. Aber selbst in diesem Falle würde die +Zentralisation der Vergasung doch den Vorteil bieten, daß mit unseren +Kohlenvorräten sparsamer umgegangen würde. Denn gegenwärtig gehen noch +unverantwortlich große Brennstoffmengen als Rauch und Ruß in die Luft. + +Die gasförmige Gestalt eines Brennstoffes hat noch einen anderen +Vorzug: man kann damit Explosionsmotoren treiben. Wir haben schon +früher auf die Bedeutung der +Hochofengichtgase+ hingewiesen, welche so +lange unbenutzt in die Luft entwichen sind und jetzt zum Betrieb von +Riesengasmotoren dienen. Die Erfindung dieser Motoren für Gasmischungen +von sehr geringem Brennwert gründet sich auf den Gedanken, daß sich der +Brennwert solcher Mischungen unter Druck, also in verdichtetem Zustand, +erhöht. Man kann z. B. zeigen, daß eine sehr luftreiche Mischung von +Leuchtgas und Luft, welche im gewöhnlichen (nicht zusammengepreßten) +Zustande nicht mehr explosiv ist, beim Zusammenpressen auf ⅓ oder +¼ ihres Raumes die Fähigkeit erlangt, beim Anzünden heftig zu +explodieren. Die weitere Entwicklung dieser Riesengasmotoren wird +vielleicht auf die Lösung eines anderen Problems Einfluß gewinnen, +welche zur Streckung unserer Kohlenvorräte beitragen könnte: die +Ausnützung des +Torfs+ unserer Moore. + + +2. Das Erdöl. + +Im Mittelalter wurden als Brennstoffe allein Holz und Holzkohlen +benutzt; um die Mitte des 18. Jahrhunderts fing man an, die Steinkohlen +zu benutzen; aber erst tief im 19. Jahrhundert wurde man auf das Erdöl +aufmerksam. Noch 1843 kostete in +Pittsburg+ der Liter Erdöl 1 Mark, +und erst in den Jahren 1859–61 wurden dort so viele Ölbrunnen erbohrt, +daß die Produktion in Pennsylvanien allein auf 2 Millionen Fässer +anschwoll, so daß das Faß zu 160 Liter Inhalt an Ort und Stelle nur +noch 10 Cents kostete! Freilich hatte man schon vorher, um 1850 herum, +in Deutschland und Österreich viel Lampenöl durch Braunkohlen- und +Teerschwelerei gewonnen und hatte bereits geeignete Lampen erfunden, um +diese Öle darin zu brennen: es waren die Schnittbrennerlampen, die man +noch heute in ländlichen Haushaltungen antrifft, die Vorläufer unserer +modernen (und doch schon wieder unmodernen) Petroleumlampen. Jetzt +beträgt die gesamte Erdölgewinnung in den Vereinigten Staaten etwa 170 +Millionen Zentner, im Kaukasus 140 Millionen, in Galizien 4 Millionen, +in Rumänien 2 Millionen Zentner jährlich. + +[Illustration: Abb. 34. Alte Schnittbrennerlampe im Durchschnitt.] + +Die Erdölquellen haben die Eigentümlichkeit, nach einiger Zeit (z. B. +3 Jahren) zu versiegen. Jedoch haben einige von ihnen trotzdem einen +ungeheuren Ertrag gegeben. So lieferte die Mammutquelle von Baku +anfangs pro Stunde nicht weniger als 100000 Zentner Röhöl, welches in +einem über 60 Meter hohen Strahl aus dem Bohrloch sprang. + +Die Frage, wie so ungeheure Mengen Erdöl entstanden sein können, wird +verschieden beantwortet. Die größte Wahrscheinlichkeit hat die Theorie +von +Müller+ und +Engler+, welche im Rohpetroleum das umgewandelte ++Fett+ von Fischen, Schnecken und Muscheln erblickt. Denn nicht bloß +ist es Engler gelungen, durch Erhitzen von Fischtran unter hohem Druck +Rohpetroleum künstlich darzustellen, sondern es wurde auch beobachtet, +daß die Petroleumquellen stets versteinerte Reste von solchen +Meerestieren und salzhaltiges Wasser auswerfen. + +Das rohe Erdöl bildet eine dunkelbraune oder schwarze, etwas dickliche +Flüssigkeit, für die man lange Zeit keine andere Verwendung hatte, +als daß man damit durch Einreiben des Haarbodens die Läuse vertrieb. +Als Lampenöl war es nicht bloß durch seine schmierige Beschaffenheit, +sondern auch wegen seiner Feuergefährlichkeit unbrauchbar; Rohöl brennt +in den Lampen flackernd und rußend, verschlackt den Docht sehr schnell +und gibt zu häufigen und sehr gefährlichen Explosionen Anlaß. Ein +schlechteres Füllungsmittel für Petroleumlampen könnte kaum künstlich +zusammengestellt werden. Trotzdem ist gerade dieses rohe Erdöl seit +einiger Zeit einer der allerwichtigsten Brennstoffe geworden: man +betreibt damit die riesigen Explosionsmotoren der Kriegsschiffe. Das Öl +wird in Gestalt eines feinen Nebels, mit Luft vermischt, im Zylinder +zur Explosion gebracht, wodurch der Kolben herausgetrieben und das +Schwungrad in Umdrehung versetzt wird. Allein, diese Anwendung des +Rohöls ist doch eine rechte Vergeudung, vergleichbar dem Verheizen +der Steinkohle. Denn wie aus dieser, so lassen sich auch aus dem +Rohöl durch Destillation eine Menge der wichtigsten Stoffe gewinnen: ++Petroleumäther+, +Gasolin+, +Benzin+, +Lampenpetroleum+, +Ligroin+, ++Schmieröl+, +Vaseline+, +Paraffin+. Alle diese Stoffe bestehen nur +aus Kohlenstoff und Wasserstoff, unterscheiden sich aber durch ihre +Siedepunkte in der Weise, daß Petroleumäther am leichtesten siedet +(zwischen 40 ° und 70 °), und daß der Siedepunkt in der angegebenen +Reihenfolge immer höher steigt. Schon vom Lampenpetroleum ab muß die +Destillation unter vermindertem Druck, also unter der Luftpumpe, +vorgenommen werden, weil bei gewöhnlichem Druck Zersetzung eintritt. +Wenn man Lampenpetroleum in einer gewöhnlichen Retorte mit Vorlage +destillieren würde, wie wir es früher mit der Salpetersäure machten +(Abb. 10), so würden wir aus einem Liter Lampenpetroleum vielleicht +¾ Liter Destillat erhalten; der Rest würde sich zu einem Gemisch +brennbarer Gase zersetzen. Pumpt man aber während der Destillation +die Luft aus der Retorte und Vorlage, so wird die Ausbeute bedeutend +größer. In noch höherem Grade gilt dies für die Destillation der feinen +Maschinenöle, welche daher seit einiger Zeit unter der amerikanischen +Bezeichnung „~Vacuum-Oil~“ in den Handel kommen. + +Die Reinigung oder „Raffinierung“ des Rohpetroleums geschieht jedoch +nicht bloß durch Destillation, sondern außerdem noch durch eine +chemische Behandlung mit konzentrierter Schwefelsäure, mit Wasser, +Soda und Natronlauge. Schüttelt man nämlich Rohöl andauernd mit +konzentrierter, noch besser mit rauchender Schwefelsäure, so wird es +allmählich wasserhell, während sich die Säure schwarz färbt. Dabei +werden alle braunen Farbstoffe des Rohöls durch die Säure in harzige +Massen verwandelt, welche dann ausgewaschen werden. Man macht diese +Reinigung jedoch erst mit den Destillaten, um nicht zuviel Säure zu +verbrauchen. Schließlich entfernt man den Säureüberschuß aus dem Öl +durch Schütteln mit Natronlauge und diese durch Nachbehandlung mit +Wasser. Immerhin können von dieser Reinigung Spuren der Säure im +Petroleum und sogar im Maschinenöl verbleiben und bewirken, daß die +damit geölten Maschinenteile später rosten. Mit +Petroleum+ geputztes +Eisen rostet aus diesem Grund ganz bestimmt nach kurzer Zeit. Man muß +daher das Petroleum von blanken Eisenteilen stets wieder durch Benzin +abwaschen, bevor man als endgültigen Rostschutz feines, säurefreies +Vakuumöl anwendet. + +Im allgemeinen kann man rechnen, daß man aus dem Rohöl etwa 5–7 % +Gasolin und Benzin und etwa 40 % Lampenpetroleum gewinnt. Der Rest +besteht aus den schweren, paraffinhaltigen Schmierölen und aus Asphalt. + +Das +Benzin+ benützt man bekanntlich als Betriebsstoff für Automobile, +in zweiter Linie zum Auflösen von Fetten und Ölen in der chemischen +Industrie und in der chemischen Wäscherei. Man könnte, wenn es nicht +zu teuer wäre, auch die +Hände+ mit Benzin sehr sauber waschen; der +Schmutz wird nämlich in der Wäsche und an den Händen hauptsächlich +durch +Fett+ festgehalten und fällt wie Staub ab, sobald man das Fett +durch Benzin auflöst. + +Das +Gasolin+ dient, wie sein Name andeutet, zur Erzeugung von Gas. +Wenn man nämlich in eine leere Flasche ein wenig Gasolin bringt und +dann die Flasche schüttelt, so entsteht nicht, wie man erwarten +sollte, eine +explosive+ Mischung von Luft und Gasolindampf, sondern +man kann das Gemisch ohne Sorge anzünden: es brennt ruhig, ohne zu +explodieren, mit leuchtender Flamme, wie Gas. Dies hat seinen Grund +darin, daß die Luft viel mehr Gasolindampf in sich aufnimmt, als sie +durch ihren geringen Sauerstoffgehalt verbrennen kann. Das Gemisch +verhält sich also beim Anzünden so, als ob es bloß Gasolindampf wäre. +Die Luft spielt dabei nur die Rolle eines Trägers, eines Mittels, +das das Gasolin zum Verdampfen zwingt. Die Abb. 35 verdeutlicht uns +das Prinzip, auf welchem die +Gasolingas+- oder +Leuchtgas+-Apparate +beruhen: ein Gefäß A ist zur Hälfte mit Gasolin gefüllt. Durch das Rohr +a, welches bis auf den Boden des Gefäßes reicht, wird ein Luftstrom +eingeblasen, der sich beim Durchgang durch das Gasolin ganz mit dem +Dampf dieser Flüssigkeit sättigt. Er verläßt das Gefäß durch das Rohr +b und kann am oberen Ende dieses Rohrs angezündet werden. Gasolingas +ist nicht wesentlich teurer als Leuchtgas, hat aber den Vorzug, nicht +giftig zu sein. Es eignet sich sehr gut zur Beleuchtung und als Kochgas +für einzelne Villen usw., welche keinen Anschluß an Leuchtgas bekommen +können. -- + +[Illustration: Abb. 35. Ein einfacher Gaserzeugungsapparat (mit +Gasolinfüllung).] + +Wichtige Dinge sind über das +Petroleum+ als Beleuchtungsmittel zu +sagen. Petroleum, Benzin, Spiritus sind bekannt als brennbare und +daher feuergefährliche Flüssigkeiten; aber brennbar und brennbar ist +doch zweierlei, und es ist kein kleiner Triumph der Technik und der +Gesetzgebung, daß sie dem Petroleum die Eigenschaft der Brennbarkeit +belassen und ihm die der Feuergefährlichkeit in hohem Grade benommen +haben. Dies ist eine Sache, die sich ganz gut mit Alfred +Nobels+ +Tat vergleichen läßt, der dem Nitroglyzerin durch die Erfindung des +Dynamits seine Gefährlichkeit nahm, ohne seine Sprengkraft wesentlich +einzuschränken. Mit dem Petroleum verhält es sich aber so: wenn man +eine Kaffeetasse mit Petroleum füllt und ein brennendes Zündholz +hineintaucht, so geht das Zündholz aus. Nimmt man aber Rohpetroleum +oder Benzin oder guten Spiritus statt des Petroleums, so geht das +Zündholz nicht aus, und der ganze Tasseninhalt brennt lichterloh. +Die Ursache ist, daß diese verschiedenen Flüssigkeiten durch die +Hitze recht verschieden schnell verdampft werden. Wenn nämlich eine +Flüssigkeit brennen soll, muß immer zuerst die Dampfschicht entzündet +werden, welche über der Flüssigkeit lagert. Flüssigkeiten, auf welchen +bei gewöhnlicher Temperatur keine merkliche Dampfschicht lagert, können +sich daher auch nicht entzünden, wenn man ein brennendes Zündholz +in sie taucht. So ist es mit dem Lampenpetroleum. Dagegen verdampft +Benzin schon bei gewöhnlicher Temperatur so stark, daß es stets mit +einer Schicht brennbarer Dämpfe überlagert ist. Ein angenähertes +Zündholz bringt diese Dämpfe, und mit ihnen die Flüssigkeit, sofort +zum Brennen. Dasselbe tritt mit Mischungen von Petroleum und Benzin +ein. Rohpetroleum ist eine solche Mischung. Aus dem Lampenpetroleum +dagegen sind durch Destillation alle diejenigen Kohlenwasserstoffe +entfernt, welche bei gewöhnlicher Temperatur brennbare Dämpfe bilden. +Erhitzt man aber Lampenpetroleum auf, ich glaube 28 °, so entwickeln +sich solche Dämpfe, und das Petroleum entzündet sich nun sofort auf +der ganzen Fläche, wenn man ihm ein brennendes Zündholz nähert. Diese +Dinge sind von großer Wichtigkeit für die Entscheidung der Frage, ob +Petroleumlampen feuergefährlich sind. Solange das Petroleum nicht die +Temperatur des „Entflammungspunktes“ (28 °) erreicht, kann das Feuer +auch nicht vom Docht aus auf die Füllung des Behälters überspringen; +die Lampe kann nicht explodieren, weil über dem Petroleum keine +entzündliche Dampfschicht lagert. Der Entflammungspunkt ist nun in +Deutschland gesetzlich so hoch gelegt, daß sich das Petroleum in +richtig gebauten Lampen niemals bis zu ihm erwärmen kann. Wenn trotzdem +noch manchmal Petroleumlampenexplosionen vorkommen, so sind daran +ungünstige Nebenumstände schuld. Z. B. pflegen die Mechaniker, wenn +sie Fahrradteile mit Petroleum geputzt haben, das Petroleum mit Benzin +abzuspülen. Solches benzinhaltiges Petroleum wird dann manchmal aus +Sparsamkeitsgründen noch in die Lampe gefüllt. Dies ist außerordentlich +gefährlich und sollte unter keinen Umständen geduldet werden. Auch +sollte man niemals Petroleumlampen auf den Ofen stellen. + +Unsere besondere Aufmerksamkeit verdient im Zusammenhang mit dem +soeben Gesagten die Wirkung des +Lampendochts+. Diese Wirkung, +das Aufsaugen des Petroleums, ist eine physikalische Erscheinung, +welche zu den Haarröhrchenwirkungen gehört und auf den Gesetzen +der Oberflächenspannung beruht. Wir haben diese an anderer Stelle +ausführlich besprochen. Aber am Docht gibt es auch außerdem noch +manches Merkwürdige. Ein neu eingezogener Docht kann länger als eine +Stunde gebrannt werden, ohne daß er oben schwarz wird. Warum verkohlt +er nicht? -- Warum verkohlt er später? -- Diese beiden Tatsachen +scheinen einander zu widersprechen. Außerdem müssen wir uns auch +darüber wundern, daß das Petroleum am Docht sofort durch ein Zündholz +entflammt wird, während dasselbe Zündholz in einer Tasse voll Petroleum +sich auslöscht. + +[Illustration: Abb. 36. Zur Erklärung der Saugwirkung des Dochtes. In +den drei Glasröhren 1, 2, 3 steigt das Wasser um so höher, je enger sie +sind.] + +[Illustration: Abb. 37. Ein Sandhäufchen inmitten eines Tellers voll +Petroleum brennt mit hoher Flamme.] + +Zunächst wollen wir uns durch einen einfachen Versuch überzeugen, +daß es gar nicht der Docht ist, welcher in der Lampe brennt, sondern +allein das Petroleum in den Poren des Dochtes. Wir schütten zu diesem +Zweck auf einen Teller ein Häufchen Sand, gießen rings um dasselbe +in den Teller eine Schicht Petroleum, und zünden nun das Sandhäufchen +an. So unglaublich das klingt, es geht: der Sand brennt ruhig, mit +großer, schwelender Flamme. Natürlich brennt hier in Wirklichkeit der +Sand so wenig, wie dort der Docht in der Petroleumlampe, sondern es +ist allein das Petroleum, welches in beiden Fällen brennt. Der Docht +braucht also gar nicht aus einem brennbaren Stoff zu sein, es ist +sozusagen reiner Zufall, daß die Baumwolle neben der Saugkraft, die sie +zum Docht geeignet macht, auch noch die Eigenschaft der Brennbarkeit +hat. Es ist also nicht so, als ob das Petroleum nur deshalb am Docht +leichter brennte, weil der Docht gleichsam ein bißchen mitbrennt. Der +Docht brennt nicht mit, sondern das Petroleum brennt ganz allein, +dasselbe Petroleum, in welchem ein eingetauchtes Zündholz verlischt, +ohne es zum Brennen zu bringen. Dieser scheinbare Widerspruch klärt +sich durch folgende Betrachtung auf: jeder Stoff, der ganz dicht an +eine Flamme gehalten wird, wird durch die +strahlende+ Wärme dieser +Flamme erhitzt. Dieses Erhitzen erfolgt besonders leicht, wenn man +den betreffenden Stoff auf eine Unterlage aufstreicht, von welcher +die Wärme zurückgestrahlt wird. Der Stoff befindet sich dann zwischen +der Unterlage und der Flamme im Kreuzfeuer der Wärmestrahlen. Dies +ist die Lage des Petroleums am oberen Dochtende einer brennenden +Lampe: der Docht ist die Unterlage, welche von der Flamme durch +eine ganz dünne Schicht Petroleum getrennt ist. Deshalb erhitzt die +strahlende Wärme diese dünne Ölschicht fast augenblicklich auf den +Entflammungspunkt, so daß fortwährend brennbare Dämpfe da sind. +Das verdampfende Petroleum hält dabei den Docht so kühl, daß er gar +nicht selbst zum Brennen kommen kann. Wie wenig der Docht erwärmt +wird, kann man durch zwei sehr verblüffende Versuche beweisen: wenn +man nämlich statt des Sandhäufchens ein gleiches aus Magnesiumpulver +errichtet, welches bekanntlich sehr leicht und heftig brennt, so kann +man diesen Magnesiumdocht ebenso anzünden, und das Petroleum brennt +darauf ebenso wie auf Sand, ohne daß auch nur eine Spur des Magnesiums +verbrennt. Noch auffälliger ist es aber, daß man auch trockene +Schießbaumwolle, diesen gefährlichen Explosivstoff, ohne alle Gefahr +als Docht für Petroleum verwenden kann. Man fragt sich angesichts +dieser Tatsachen, wie es nur möglich ist, daß die Dochte schließlich, +bei längerem Gebrauch, am oberen Ende doch verkohlen. Dies erklärt +sich aber leicht aus folgender Überlegung: Das obere Dochtende ist die +Verdampfungsstelle für eine große Menge Erdöl; obgleich dieses Erdöl +im Handel in sehr reiner Beschaffenheit vorkommt, hinterläßt es beim +Verdampfen doch geringe Rückstände, zumal da es sich ja beim Erhitzen +unter gewöhnlichem Druck etwas zersetzt. Diese harzigen oder teerigen +Rückstände verstopfen die Poren des Dochts und bewirken dadurch eine +Verminderung der Kühlung, weil aus den verstopften Teilen weniger +Öl verdampft. So kommt es, daß diese Teile durch die Flamme stärker +erhitzt und verkohlt werden. -- + +Mit dieser etwas altväterisch scheinenden Untersuchung des Dochtes +wollen wir unsere Betrachtung über das Erdöl schließen. Wir wollen auch +im Scheine der elektrischen und Gasglühlichtlampen nicht vergessen, +daß die gewaltigen Produktions- und Exportziffern der Erdölindustrie +deutlich genug beweisen, daß die Stunde der Petroleumlampe noch nicht +geschlagen hat. + + + + +10. Fette, Öle, Seifen und Kitte. + + +Nun, haben wir nicht soeben von Fetten und Ölen gesprochen? Ist etwa +Schmieröl kein Öl, ist Vaseline kein Fett? -- So könnte man beim +Lesen der Überschrift dieses Abschnittes erstaunt fragen. Nach dem +Sprachgebrauch besteht allerdings kein Gattungsunterschied zwischen den +soeben behandelten „mineralischen“ Ölen und den Fetten und Ölen des +Pflanzen- und Tierreichs, von welchen wir jetzt reden wollen. Aber die +chemische Zusammensetzung und die Eigenschaften beider Gruppen sind +doch recht verschieden. + +Die aus der Erde stammenden „Mineral“öle zeichnen sich, wie wir gesehen +haben, durch eine außerordentliche Widerstandskraft gegen chemische +Mittel, namentlich gegen Schwefelsäure (sogar rauchende!), Natronlauge +und Soda aus. Deshalb nennt der Chemiker die sämtlichen Bestandteile +des Rohpetroleums „Paraffine“, was auf deutsch soviel heißt wie „Stoffe +mit geringer Neigung zu chemischer Umsetzung“. Die pflanzlichen +und tierischen -- sagen wir kurz: die +organischen+ -- Fette und +Öle werden dagegen durch Säuren, durch Laugen, durch überhitzten +Wasserdampf, durch gärungsartige Vorgänge usw. recht leicht in zwei +Hauptbestandteile gespalten: in +Glyzerin+ einerseits und in eine +sogenannte +Fettsäure+ andrerseits. Das Glyzerin ist der nie fehlende +und durch nichts anderes vertretbare eine Bestandteil aller organischen +Fette und Öle, so verschieden sie auch sonst voneinander sein mögen +(denken wir nur an Olivenöl und Rindertalg). Dieses Glyzerin, eine +dicke, süßschmeckende, ölige Flüssigkeit, ist seiner chemischen Natur +nach eine ganz schwache Lauge. Die Fette sind also als salzartige +Stoffe, als Verbindungen einer Lauge mit einer Säure, aufzufassen. Ihr +zweiter Bestandteil, die Fettsäure, kommt in der Natur in verschiedenen +Arten vor: in der Butter findet sich die +Buttersäure+; die meisten +übrigen Fette und Öle enthalten drei verschiedene, aber einander +ziemlich ähnliche Fettsäuren in wechselnden Mengenverhältnissen: die ++Palmitinsäure+, die +Stearinsäure+ und die +Ölsäure+. Die Ölsäure ist +bei Zimmertemperatur flüssig, Palmitin- und Stearinsäure sind fest. Die +Stearinsäure ist wohl jedem bekannt, denn aus ihr sind die bekannten +weißen Stearinkerzen gemacht. Je mehr ein Fett von der flüssigen +Ölsäure enthält, um so weicher, ja flüssiger ist es: Schweinefett z. B. +enthält mehr als die Hälfte, Rindertalg etwa ein Viertel Ölsäure. + +Die Fette und Öle werden beim Kochen mit verdünnten Säuren, oder +wenn man sie mit überhitztem Wasserdampf unter Druck behandelt, in +ihre beiden Bestandteile gespalten. Diesen Vorgang nennt man die ++Verseifung+ der Fette, obwohl sich dabei keine Seife bildet. Die +Verseifbarkeit ist der wichtigste Unterschied zwischen den echten, +organischen Fetten und den Mineralölen. +Mineralöle sind nicht +verseifbar.+ Auf der Verseifbarkeit beruhen fast alle Anwendungen der +organischen Fette und Öle. Die Verseifung tritt unter Mitwirkung von +Bakterien von selbst ein, wenn die Fette, namentlich in der Wärme, +mit Luft und Licht in Berührung kommen: dann sagt man, sie werden ++ranzig+. Sie strömen dann einen üblen Geruch aus und sind auch +wegen ihres schlechten Geschmacks ungenießbar. Geruch und Geschmack +verraten, daß das Ranzigwerden nicht bloß in einer Spaltung der +Fette besteht, sondern daß die beiden Spaltungsprodukte durch den +Sauerstoff der Luft noch weiter verändert werden. Ranzige Butter riecht +allerdings vorwiegend nach Buttersäure. Durch +Einsalzen+ kann man das +Ranzigwerden der Fette bekanntlich ebenso verzögern, wie das Faulen +des Fleisches. Diese Wirkung des Salzes beruht darauf, daß es die +Bakterien, welche die Zersetzung erregen, lähmt und hemmt. + +Die Verseifung tierischen Talgs durch hochgespannten und überhitzten +Wasserdampf bildet eine der großartigsten Industrien der Erde. Sie +blüht in den Präriedistrikten Südamerikas und der Union, wo das +Fleisch der Herdentiere auf Büchsenkonserven, Fleischextrakt und +Kraftfuttermittel, ihr Fett auf Glyzerin und Fettsäuren verarbeitet +wird. Das Glyzerin geht in den Handel über zur weiteren Verwendung in +der Sprengstoffindustrie; die Gemische von Palmitin- und Stearinsäure +wandern teils in die Kerzenfabriken, teils in die Seifenfabriken. Die +weicheren oder flüssigen, ölsäurereichen Mischungen von Fettsäuren +werden neuerdings in einem großartigen chemischen Prozeß in harte +Fettsäuren umgewandelt, weil man die flüssigen Fettsäuren nicht +brauchen kann, während die festen sowohl für die Kerzen- als für die +Seifenfabrikation von größtem Wert sind. + +Seitdem man die Fette durch überhitzten Dampf in Glyzerin und +Fettsäuren spaltet, ist die +Seifensiederei+ ein einfacher Prozeß +geworden. Man braucht nämlich die Fettsäure nur mit Natronlauge zu +erhitzen, um sofort die schönste, härteste Kernseife ohne jeden +Abfall zu erhalten. Die +Seifen+ sind nämlich nichts anderes als die +Metallsalze der Fettsäuren. Früher, als die Seifensiederei noch ein +Kleingewerbe war, stellte man die Seife durch Kochen von +Fett+ mit ++Lauge+ dar. Dabei verband sich die Fettsäure des Fettes mit der +Lauge zu Seife, und das Glyzerin schied sich als Flüssigkeit ab. Die +Seife schwamm, da sie sich in Wasser nur in geringer Menge löst, oben +auf, während sich das Glyzerin in der darunterliegenden, braunen +Brühe (der sogenannten +Unterlauge+) vorfand. Als Lauge benutzten die +Seifensieder in der ältesten Zeit ein selbstbereitetes Präparat, das +aus +Holzasche+ durch Kochen mit gelöschtem Kalk gewonnen wurde. Die +Holzasche enthält kohlensaures Kalium, welches sich mit der Kalkbase +zu kohlensaurem Kalk und Kalilauge umsetzt. Der wirksame Bestandteil +in der alten Seifensiederlauge war also die +Kalilauge+. Da sie +zugleich die stärkste aller Laugen ist, so verseift sie die Fette +verhältnismäßig schnell und vollständig. Aber die Kaliseifen haben samt +und sonders die Eigenart, nicht hart zu werden, sondern schmierig zu +bleiben. Man nennt sie daher auch +Schmierseifen+. Dagegen sind die ++Natronseifen+ fest. Alle festen Seifen des Handels sind Natronseifen. +Zu ihrer Herstellung hat man zwei Wege: entweder, man verseift das +entsprechende Fett unmittelbar mit starker Natronlauge, oder man +stellt zuerst eine Kaliseife her und kocht diese dann mit starkem +Salzwasser. Diesen Vorgang nennt man das +Aussalzen+ der Seife. Dabei +tauschen das Kochsalz (Chlornatrium) und die Kaliseife ihre Metalle +gegeneinander aus. Außerdem erhöht das Aussalzen auch die Ausbeute, +weil die Seife in Salzwasser fast ganz unlöslich ist, während in einer +salzfreien Unterlauge noch immer ziemlich viel Seife gelöst bleibt. +Durch das Aussalzen erhält man aber niemals reine Natronseife, weil +ein erheblicher Teil des fettsauren Kalis nach dem Satz vom chemischen +Gleichgewicht (vgl. das 6. Kapitel) sich immer wieder aus Chlorkalium +und fettsaurem Natrium rückbildet. Aber dies ist kein Nachteil, sondern +ein Vorteil für die praktische Verwendung, weil reine Natronseife sehr +hart und bröckelig ist. Durch einen Gehalt an weicher Kaliseife wird +das Fabrikat geschmeidiger, es verliert seine Brüchigkeit. Für den +Weichheitsgrad ist auch das verwendete Fett von Bedeutung: harte Fette +geben harte Seifen, während die Öle sehr weiche, schmierige Seifen +(Marseiller Seifen) bilden. + +Die Seifen haben die Eigenschaft, gewisse Stoffe in sich aufzunehmen, +so daß man sie mit diesen Stoffen „füllen“ kann. Solche Verdünnungs- +oder Füllmittel sind: Wasserglas, Kaliumsulfat und namentlich +Ton+. +Wasserglas und Ton lassen sich einer guten Seife fast in beliebigen +Mengen zusetzen, ohne daß sich die Seife bei der Abkühlung wieder +vom Füllmittel trennt. So darf den deutschen Seifen während der +Kriegszeit nicht mehr als 20 %, das ist ein Fünftel ihres Gewichts, +an Fett zugrunde gelegt werden. Nahezu vier Fünftel werden also von +den Füllmitteln, namentlich von Ton, gebildet. Das Fett, welches für +Seifensiedereizwecke zugelassen ist, ist Abschöpf- und Abfallfett +der übelsten Sorte, ranzig und angefault und von pestilenzartigem +Geruch. Aber durch Umschmelzen mit oxydierenden Mitteln läßt es +sich soweit reinigen, daß man den fertigen Seifen nicht mehr viel +anmerkt von den übelduftenden Bestandteilen. Ich habe gesehen, wie in +Seifensiedereien Abfallfette von einer Metzgerei abgeliefert wurden, +welche von Springmaden geradezu wimmelten und einen entsetzlichen +Geruch verbreiteten. Diese Fette lieferten nach ihrer Reinigung eine +ausgezeichnete Kernseife. + +Der Geruch einer Seife ist, auch wenn reines Fett dazu verwendet +wurde, nicht angenehm; ranzige Fette verstärken seine unangenehme +Eigenart. Deshalb ist es üblich, die Seifen zu parfümieren, wenigstens +diejenigen für den persönlichen Gebrauch. Das Parfümieren billiger, +gewöhnlicher Seifen geschieht in der Wärme, indem man der geschmolzenen +Seife die Duftlösung zusetzt. Dieses Verfahren ist für feinere +Ware nicht anwendbar, weil gerade die feinen Duftstoffe durch die +Wärme verflüchtigt oder so verändert werden, daß ihr Wert dadurch +herabgemindert wird. Deshalb werden solche Seifen durch ein sehr +merkwürdiges Verfahren +kalt+ parfümiert. Man zerreibt die kalte Seife +zunächst zu einem feinen Pulver, vermengt es mit dem Parfüm und preßt +es dann mit großen Pressen unter gewaltigem Druck wieder zu festen +Handstücken zusammen. Dieses Verfahren nennt man „Pilieren“. Es ist +nur auf reine, ungefüllte Seifen anwendbar, weil sich gefüllte nicht +pulverisieren lassen, sondern dabei schmieren. + +Die Seifensiederei ist ein Gewerbe, das in seinen meisten +Gepflogenheiten auf uralte Erfahrungen, die wenigstens bis ins +gotische Mittelalter zurückreichen, aufgebaut ist. Zu diesen +ältesten Erfahrungen gehört namentlich das Grundprinzip der alten +Seifensiederei, die Verseifung der +Fette+ durch Kochen mit Laugen. +Dagegen bedeutete die Einführung der +Fettspaltung+ einen geradezu +ungeheuren Fortschritt, der im Seifensiedergewerbe einen völligen +Umschwung hervorrief: er bewirkte, daß die kleinen, zünftig geleiteten +Betriebe samt und sonders vor etwa 25 Jahren durch die großen +Seifenfabriken aufgeschluckt wurden, weil die Fettspaltung wegen der +teuren Anlagen nur im Großbetrieb möglich ist. Da aber die Fettspaltung +das Glyzerin besser und vollständiger zu gewinnen gestattet, so +erzeugen die Großbetriebe schon aus diesem Grunde die Seifen billiger +als die zünftigen Seifensiedereien aus Großvaters Zeiten. Das Wesen +der Fettspaltung haben wir schon kennengelernt: es besteht darin, +daß die Fette durch überhitzten und hochgespannten Wasserdampf in +Glyzerin und Fettsäure zerlegt werden. Diese Vorbehandlung der Fette +ermöglicht nicht nur die vollständige Gewinnung des Glyzerins, sondern +sie erleichtert auch die eigentliche Herstellung der Seife bedeutend. +Denn die freie Fettsäure verbindet sich mit der Lauge viel leichter +als die an Glyzerin gebundene. Ja, zur Verseifung der freien Fettsäure +braucht man nicht einmal die teure, konzentrierte Natronlauge zu +nehmen, sondern man kann billigere, verdünnte Laugen und sogar Soda +(kohlensaures Natrium) dazu benutzen, welches noch viel billiger ist. +Denn beim Kochen von Soda mit freien Fettsäuren wird die Kohlensäure +der Soda durch die Fettsäure verdrängt, indem sich gleichzeitig Seife +bildet. + +Versucht man, eine Seife mit einer anderen Base als Kali- oder +Natronlauge zu machen, so gelingt dies zwar, aber alle anderen Seifen +sind in Wasser unlöslich oder so schwer löslich, daß sie nicht +schäumen können. Dies gilt also von der +Kalkseife+, +Magnesiaseife+, ++Kupferseife+, +Eisenseife+ usw. Sie sind alle in Wasser unlöslich. +Dies ist wichtig zu wissen, wenn man gewisse Vorgänge verstehen will, +die man beim Waschen beobachten kann. Da ist es nämlich eine alte +Erfahrung, daß man nur mit +weichem+ Wasser gut waschen kann, während +mit +hartem+ Wasser die Seife durchaus nicht schäumen will. Weiches +Wasser ist reines Wasser. Hartes enthält kleine Mengen von Salzen des +Kalziums, Magnesiums oder Eisens aufgelöst. Diese Salze gehen mit der +Seife eine Wechselumsetzung ein, derart, daß z. B. aus schwefelsaurem +Kalzium und Natronseife sich schwefelsaures Natrium und Kalziumseife +bildet. Die Kalkseife ist aber in Wasser unlöslich. Infolgedessen +überzieht sich jedes Seifenstück und jeder eingeseifte Gegenstand in +hartem Wasser mit einer unlöslichen Kruste von Kalkseife. Erst wenn +auf diese Weise die letzte Spur von Kalk-, Magnesia- und Eisensalzen +in Form von unlöslicher Seife aus dem harten Wasser ausgeschieden +ist, erst dann löst sich die Alkaliseife und schäumt. Die Quellen und +Flüsse der Kalkgebirge führen stets hartes Wasser. Mit solchem dauert +es zuweilen sehr lange, bis Schäumen eintritt, und sehr viel Seife wird +zur Erreichung dieses Zieles vergeudet. Weich, d. h. nahezu chemisch +rein, sind die Quellen im Sandstein- und im Granitgebirge. Ist man auf +hartes Wasser angewiesen, so empfiehlt sich folgendes Verfahren beim +Waschen, das auch bei weichem Wasser Seife sparen hilft: man macht den +schmutzigen Gegenstand (z. B. die Hand) tüchtig naß und reibt ihn dann +an der Seife, +ohne weiter Wasser hinzufließen zu lassen+. Denn bei +so sparsamer Wasseranwendung tritt auch mit hartem Wasser rasch das +Schäumen ein, weil die Schwermetallsalze in einer kleinen Wassermenge +nicht viel Seife zu ihrer Bindung brauchen. Taucht man aber während des +Waschens die Hand immer wieder in die Wasserschüssel, so hilft alles +Reiben an der Seife nichts, und es kann nicht schäumen, weil mit dem +neuen Wasser auch neue Mengen von Kalk- oder Magnesiasalzen gebunden +werden müssen. + +Die merkwürdige Reinigungskraft der Seife beruht weniger auf +chemischen als auf physikalischen Vorgängen. Als chemische Wirkung +muß es gelten, daß Seifenlösung, besonders warme, ein gewisses +Lösungsvermögen für Fette besitzt. Doch ist dieses chemische +Lösungsvermögen (von dem man beim Kochen der Wäsche Gebrauch macht) +verhältnismäßig gering gegenüber der physikalischen Auflösungskraft +des Seifen+schaums+. Diese beruht auf der Oberflächenspannung zwischen +Seifenlösung und Luft. Diese merkwürdige Kraft, welche auch die +Ursache davon ist, daß man eine Nähnadel oder ein Stück Weißblech auf +Wasser schwimmen lassen kann, obwohl diese Stoffe acht- bis neunmal +schwerer als Wasser sind -- diese Kraft zieht den Schmutz an und hält +ihn in den millionenfachen, zarten Häutchen fest, aus welchen sich +der Seifenschaum zusammensetzt. Gleichzeitig löst die Seife das Fett, +welches den Schmutz am Körper und in der Wäsche festhält. Wendet man +zum Waschen warmes Wasser an, so schmilzt dadurch dieses Fett und wird +infolgedessen noch leichter von der Seife entfernt. Auch aus einem +anderen Grunde ist es besser, mit warmem Wasser zu waschen: in kaltem +Wasser löst sich nur ölsaures Natrium; palmitin- und stearinsaures +Natrium lösen sich nur in warmem Wasser auf. Die Seifen bestehen nun, +da sie meistens aus Talg hergestellt werden, aus solchen Gemischen +dieser drei Stoffe, welche nur etwa ein Viertel an ölsaurem Natrium +enthalten. Verwäscht man also gute Kernseife mit kaltem Wasser, so +löst sich und wirkt nur ein Viertel der Seife, die übrigen drei +Viertel scheiden sich ungelöst in Flocken ab und helfen nichts zur +Schaumbildung und Fettauflösung. Wendet man aber heißes Wasser an, so +beteiligt sich die ganze Seife am Reinigungsprozeß, weil sich alles +auflöst. + +Den Seifen sehr nahe verwandt sind die +Pflaster+. Das meistgebrauchte +und bekannteste von ihnen, das +Bleipflaster+, wird hergestellt, indem +man Bleioxyd (oder auch Bleiweiß) mit Schweineschmalz kocht. Das +anfangs dünnflüssige Schmalz wird rasch dick, zäh und dunkelbraun. +Das Fett wird dabei zerlegt in Glyzerin und seine Fettsäuren; +diese verbinden sich mit dem Bleioxyd zu fettsaurem Blei, also zu +Bleiseife, und das gleichzeitig freiwerdende Glyzerin macht diese +Seife bis zu einem gewissen Grade geschmeidig. In diesem Sinne +wirkt auch der stets vorhandene Fettüberschuß. Demnach sind also +die Pflaster nichts anderes als unreine Schwermetallseifen. Die +Pflaster dienen als Wundheilmittel, ihr wesentlicher Bestandteil ist +das Schwermetall. Damit dieses seine heilende Wirkung ausüben kann, +muß es in einer Verbindung enthalten sein, welche in die Gewebe des +Körpers einzudringen vermag. Eine solche Verbindung ist die +Seife+, +aus der das Pflaster besteht. Sie ist, als organische Verbindung, +den organischen Stoffen des Körpers näher verwandt als die einfacher +zusammengesetzten anorganischen Salze der Schwermetalle. + +In diesem Zusammenhange wollen wir auch der +Kitte+ gedenken. Sie +werden aus +Leinöl+ und einem Metalloxyd oder Metallkarbonat bereitet. +Der gewöhnliche Glaserkitt besteht z. B. aus Leinöl und Kreide, die +zu einem dicken Brei verknetet sind. Diese Kitte haben die wertvolle +Eigenschaft, nach einiger Zeit allmählich ganz fest und steinhart zu +werden, ohne dabei zu schwinden. Diese Eigenschaft erklärt sich genau +so, wie die Entstehung der Pflaster: das Leinöl wird in Glyzerin +und seine Fettsäure zerlegt; diese Fettsäure verbindet sich mit der +Schwermetallbase -- in diesem Falle dem Kalziumoxyd -- zu fettsaurem +Kalk, während die Kohlensäure aus der Kreide in die Luft entweicht. +Der fettsaure Kalk ist der erhärtete Kitt. Wer diesen Vorgang einmal +verstanden hat, begreift ohne weiteres, wie sinnlos es wäre, einen +Kitt aus Kreide und Mineralöl herstellen zu wollen. Denn das Mineralöl +kann nicht ranzig werden, es enthält überhaupt keine Fettsäure, kann +also auch niemals mit der Kreide zu fettsaurem Kalk erhärten. Trotzdem +werden solche „Kitte“ als grobe Fälschungen von betrügerischen Händlern +verkauft. Sie „erhärten“ auch bis zu einem gewissen -- natürlich sehr +geringen -- Grad, weil die Mineralöle durch Eintrocknen und geringe +Sauerstoffaufnahme verharzen. Aber diese Verhärtung ist viel zu gering, +als daß sie praktisch überhaupt in Betracht gezogen werden könnte. -- +Selbstverständlich ist aus dem gleichen Grunde auch jede Beimengung von +Mineralölen zum Leinöl unstatthaft. + ++Leinöl+ und andere Pflanzensamenöle haben noch eine zweite, viel +wichtigere Anwendung: zur Herstellung der +Ölfarben+ und +Lacke+. Eine +Ölfarbe erhält man durch Zusammenreiben eines Farbpulvers mit Leinöl. +Diese Farben, mit rohem Leinöl hergestellt, sind zwar außerordentlich +schön (weil das rohe Leinöl heller und klarer ist als das gekochte), +aber sie haben die fatale Eigenschaft, nur sehr langsam zu trocknen. +Das Trocknen der Ölfarben hat nämlich eine ganz andere Ursache als +das Erhärten der Kitte. Bei der Ölfarbe wünscht man durchaus nicht, +daß das Öl ranzig wird, und daß sich die Ölsäure mit dem Farbpulver +chemisch verbindet: denn dies würde den Farbton des Farbpulvers +zweifellos unerwünscht verändern. Das Trocknen der Ölfarbe kann also +nicht denselben Grund haben wie das Hartwerden der Kitte. Das Trocknen +der Ölfarbe kann aber auch nicht darauf beruhen, daß das Öl verdunstet, +wie das Wasser beim Trocknen der Aquarellfarbe. Denn dagegen spricht +der Umstand, daß die getrocknete Ölfarbe ganz dick und schön glänzend +und fest aufliegt und keineswegs bloß aus dem rückständigen Farbpulver +besteht. Vielmehr sieht man an der getrockneten Ölfarbe deutlich, daß +das Leinöl selbst sich in eine harte, glänzende, durchsichtige Masse +verwandelt hat. Diese Umwandlung erfolgt unter Aufnahme von Sauerstoff +aus der Luft. Es ist ein Oxydationsvorgang, den man (obgleich er +ganz anders verläuft) mit demselben Ausdruck bezeichnet, der für das +Dickwerden der Mineralöle gilt: als +Verharzung+. Man hat nun die +Beobachtung gemacht, daß das Leinöl viel schneller verharzt, wenn man +es vorher längere Zeit gekocht hat. Leider wird es dabei aber bedeutend +dunkler braun, so daß es den Farbton der meisten Farben unerwünscht +verändert. Ganz unbrauchbar ist solches dunkle Öl zum Anmachen weißer +Ölfarbe, weil es sie schmutzig gelb färbt. Man hat also von jeher +darauf gesonnen, nicht bloß das Leinöl so hell als möglich zu machen, +sondern auch seine Verharzung durch andere Mittel als das Kochen zu +beschleunigen. Was nun das Hellmachen anbelangt, so gelingt dieses +gar nicht schwer durch Ausbleichen. Man bleicht das gelbe Leinöl, wie +man Wäsche bleicht: an der Sonne, indem man es in flachen Kästen mit +hellem Boden dem direkten Sonnenlicht aussetzt. Schwieriger ist es, das +Leinöl ohne wesentliche Beeinträchtigung seiner hellen Farbe schnell +trocknend zu machen, oder, wie man sagt, in +Firnis+ zu verwandeln. +Dies geschieht durch Erwärmen mit kleinen Mengen von Braunstein oder +Zinkoxyd oder Bleiglätte. Dadurch wird das Leinölmolekül gleichsam +angenagt und ist nun der Oxydation durch die Luft viel zugänglicher +als vorher. Je stärker das Öl dabei erwärmt wird, um so besser +trocknet es nachher, aber um so dunkler wird es auch. Der bleihaltige +Firnis trocknet am schnellsten, weil er bei der Darstellung am +stärksten erhitzt werden muß, ist aber aus der gleichen Ursache auch +am dunkelsten. Man läßt deshalb gewöhnlich nicht das Leinöl, sondern +erst den fertigen Firnis bleichen. Indessen hat sich gezeigt, daß das +schnelle Trocknen eines Firnisses seiner Dauerhaftigkeit Nachteil +bringt: am dauerhaftesten ist der Firnis, der nur aus gekochtem Leinöl +besteht. Hat man aber Schwermetalloxyde hineingekocht, so soll es von +Blei nicht mehr als ½ %, von Mangan nicht mehr als ⅒ % sein. In der +Regel setzt man eine stärkere Auflösung dieser Metalloxyde in gekochtem +Leinöl, den sogenannten +Sikkativ+, zum reinen Leinölfirnis hinzu. Die +zuweilen angepriesene Verwendung +trockener+ Sikkative in Pulverform +ist zwecklos, weil ein Sikkativ die Trocknung des Leinöls nur dann +beschleunigt, wenn er darin klar (ohne Bodensatz) gelöst ist. Solche +Lösung erfolgt aber beim einfachen Vermischen trockener Sikkativpulver +mit dem kalten Leinöl niemals. + +Laien pflegen keinen großen Unterschied zu machen zwischen Ölfarbe und ++Lack+. Aber in Wirklichkeit ist dieser Unterschied recht bedeutend, +nicht bloß in Zusammensetzung und Herstellung, sondern besonders in +den Eigenschaften. Die wichtigsten Eigenschaften beider sind Glanz +und Haltbarkeit. Die Ölfarbe besitzt auch nach dreimaligem Aufstrich +nur einen sehr mäßigen, matten Glanz, der Lack dagegen einen sehr +hohen, der (bei den Kutschenlacken) bis zum vollendeten Spiegelglanz +gesteigert sein kann. Würde die +Haltbarkeit+ der Lacke auch nur im +entferntesten ihrem Glanz entsprechen, so würde kein Mensch mehr +Ölfarbe zum Anstreichen verwenden. Aber darin liegt der zweite +Unterschied: die Lacke sind nur im geschlossenen Raum, und selbst da +nur für beschränkte Zeit, haltbar; dem Wetter ausgesetzt, verlieren sie +in kurzer Zeit ihren Glanz und bekommen zahlreiche Sprünge. Die Ölfarbe +dagegen hält sich, wenn sie mit reinem Leinölfirnis hergestellt war, +auch im Wetter beträchtlich lang und bildet einen vorzüglichen Schutz +gegen Rost und Fäulnis. Lack und Ölfarbe ergänzen also einander in +bezug auf Haltbarkeit und Glanz. + +Für die Herstellung der Lacke ist maßgebend, daß sie stets ein +Harz oder eine harzartige Substanz enthalten: Bernstein, Kopal, +Fichtenharz, Dammar, Schellack, Asphalt usw. In den billigsten (und +schlechtesten) Lacken ist dieser Stoff einfach in Terpentinöl, Benzin +oder Spiritus aufgelöst, wozu oft nicht einmal erwärmt werden muß. +Beim Trocknen verdunstet das Lösungsmittel ganz, der Lacküberzug +besteht also nur aus der harzigen Substanz. Er ist oft wunderschön +glänzend, aber meistens von sehr geringer Haltbarkeit; er ist brüchig +und springt ab, oder er erblindet beim Zusammentreffen mit Wasser. +Diesen „mageren“ Lacken sind gegenüberzustellen die sogenannten ++fetten+ Lacke, welche stets mit Leinölfirnis gekocht sind. Einen +fetten Lack erhält man also z. B. durch Auflösen von Fichtenharz in +heißem Leinölfirnis. Diese fetten Lacke sind viel haltbarer als die +vorher beschriebenen. Die wertvollsten Sorten werden mit Kopal (selten +mit Bernstein) hergestellt, welches ein in Indien gewonnenes Harz ist. +Es löst sich nicht, wie das gewöhnliche Fichtenharz, einfach beim +Erwärmen im Leinöl auf, sondern erst, wenn man aus dem Kopal durch +andauerndes Erhitzen eine gewisse Menge flüchtiger Stoffe abdestilliert +hat. Der Rückstand (70 bis 88 % vom ursprünglichen Kopal) ist dann in +heißem Leinöl löslich. Die Kunst der Lacksieder besteht nun darin, +beim Erhitzen des Kopals und Bernsteins das richtige Maß zu finden. +Jetzt wird dies häufig so gemacht, daß man die herausdampfenden +Stoffe in einer gekühlten Vorlage auffängt und wägt. Wenn diejenige +Menge herausdestilliert ist, welche man durch die Erfahrung für die +betreffende Kopalsorte als richtig kennt, so ist der Rückstand zum +Auflösen im fetten Öl geeignet. -- Man sieht also, der Lackhandel +ist bis zu einem gewissen Grade eine Vertrauenssache, weil man ohne +genaueste Fachkenntnis nicht feststellen kann, ob bei der Herstellung +des Lacks mit der genügenden Sorgfalt verfahren worden ist. + +Vorhin wurde erwähnt, daß der Lacküberzug im Laufe der Zeit Sprünge +und Risse bekommt. Dies gilt, wenn auch in viel geringerem Grade, auch +für die Ölfarben und hat bei Ölfarbenanstrichen und Ölfarbenbildern +eine ganz besondere Nebenwirkung: sie +dunkeln+ im Laufe der Zeit. Über +den wahren Grund des Dunkelwerdens alter Ölbilder war man sich lange +Zeit nicht im klaren. Man vermutete eine chemische Veränderung des +Firnisses, eine Art von Verharzung unter Aufnahme von Sauerstoff aus +der Luft, und man behandelte deshalb gedruckte Ölbilder mit chemischen +Mitteln, z. B. mit Wasserstoffsuperoxyd. Viele wertvolle Gemälde alter +Meister sind dadurch für alle Zeiten verdorben worden. Eine Wendung +vollzog sich, als der berühmte Münchener Hygieniker und Chemiker ++Pettenkofer+ beauftragt wurde zu untersuchen, warum so viele Gemälde +der Schleißheimer Galerie dem Verfall entgegengingen. Er fand als den +wahren Grund des Dunkelwerdens einen physikalischen: die getrocknete +Ölfarbe bekommt Risse, und die Firnisteilchen lösen sich dabei von +den Farbpartikelchen los, so daß zwischen beiden ein haarfeiner Spalt +entsteht, der mit Luft gefüllt ist. An diesem dünnen Lufthäutchen, +welches jedes Farbteilchen eines gealterten Ölgemäldes umgibt, +erfährt das Tageslicht eine totale Reflexion: ein Teil des Lichtes +wird zurückgeworfen, bevor es überhaupt die Farbteilchen erreicht. +Dieser Umstand bewirkt den Eindruck, daß die Farbpartikelchen dunkler +aussehen, als sie in Wahrheit sind. + +Nachdem Pettenkofer einmal diese Ursache des Dunkelwerdens entdeckt +hatte, fand er auch im unmittelbaren Anschluß daran die Abhilfe. Sie +besteht in einem höchst einfachen Verfahren: das gedunkelte Ölbild +wird, mit der Bildseite nach unten, als Deckel auf eine Schüssel +gelegt, in welcher sich eine kleine Menge Brennspiritus befindet. Die +Spiritusdämpfe dringen bei gewöhnlicher Temperatur in die Haarrisse +des Ölbildes ein, bringen die Firnisteilchen zum Quellen und bewirken, +daß sich die Außenflächen der Firnisteilchen untereinander und mit den +Farbteilchen wieder fest verbinden. Diese Verbindung bleibt auch nach +dem Abdunsten des Alkohols dauerhaft. Der Erfolg ist ganz überraschend: +das Ölbild sieht nun wieder fast ebenso frisch aus, wie unmittelbar +nach seiner Entstehung. Außerdem ist diese Art der Auffrischung +unabhängig vom künstlerischen Können des Restaurators, sie ist objektiv +im wahrsten Sinne des Wortes; Fälschungen, Entstellungen des Kunstwerks +sind dabei ganz ausgeschlossen. Pettenkofers Methode hat daher +gewaltiges Aufsehen in der Sammlerwelt erregt und einen beispiellosen +Siegeslauf durch die Welt gehalten. Die allergröbsten Risse und +Sprünge im Ölbild schließen sich freilich auch durch die Behandlung +mit Spiritusdämpfen nicht. Um sie zu beseitigen, tränkt man nach +Pettenkofer die betreffenden Stellen wiederholt mit +Kopaivabalsam+. + + + + +11. Die größte chemische Fabrik der Welt. + +(Ein Gespräch zwischen einem Kommerzienrat und einem Botanikprofessor +über den Chemismus der Pflanzen, über Wachstum und Düngung und den +Kreislauf des Kohlenstoffs und Stickstoffs in der Natur.) + + ++Der Professor+: Lieber Kommerzienrat, wenn es Ihnen recht ist, so +gehen wir ein Stündchen spazieren, und ich will dabei versuchen, +Ihre Fragen über den Chemismus der Pflanzen so gut als möglich zu +beantworten. Besser wäre es freilich, wenn Ihnen Ihr Beruf gestatten +würde, in meinem Laboratorium fortlaufende Versuche über dieses Gebiet +anzustellen. + ++Der Kommerzienrat+: Dies wird mir leider vorläufig nicht möglich sein. +Aber ich bin Ihnen, lieber Professor, schon sehr dankbar, wenn Sie mir +mit einigen mündlichen Aufklärungen helfen wollen. Wenn man soviel +mit Holz und Kohlen zu schaffen hat, wie ich, dann muß man ja für die +Entstehungsgeschichte dieser Stoffe Interesse bekommen. Sehen Sie, wir +führen aus den russischen, rumänischen und bosnischen Wäldern jährlich +viele Hunderttausende von Kubikmetern Holz in unsere Papiermühlen. +Sooft ich nun die riesigen Ziffern in unserem Frachtkonto betrachte, +kommt mir eine Frage in den Sinn, auf die ich mir eine Antwort +schlechterdings nicht vorstellen kann. +Woher stammen diese riesigen +Holzmassen?+ Woraus sind sie entstanden? -- Wenn ich morgens in meinem +Garten die Bohnen gieße (wissen Sie, das bekommt mir jetzt besser als +früher die Marienbader Kur!), dann denke ich mir, das bißchen Gewicht +dieser Bohnen und Kohlköpfe könnte wohl aus dem Dung sich entwickelt +haben, den ich im Frühjahr und Herbst in meinen Garten fahren lasse. +Aber wer düngt den Wald, worin das Holz wächst? Die Blätter, die da +im Herbst fallen, könnten doch höchstenfalls im nächsten Frühjahr den +Stoff zur Bildung der neuen +Blätter+ liefern. Aber woher stammen +die ungeheuren +Holzmassen+ der Bäume? -- Ich bin kein Chemiker und +kann mir nicht wohl vorstellen, daß das verbrennliche Holz aus den +unverbrennlichen Gesteinen des Erdbodens entstanden sein soll. Welche +Möglichkeiten sollte es aber sonst geben? -- Wenn Sie mir in dieses +Fragendunkel Licht bringen könnten, wäre ich Ihnen wirklich herzlich +dankbar. + ++Der Professor+: Ihre Fragestellung nebst Begründung macht Ihnen alle +Ehre und ist ganz klar und logisch durchdacht. Nur erschrecken Sie +bloß nicht über meine Antwort: Die wichtigste Substanz im Holz, die +Kohle, stammt aus der +Luft+. Das übrige besteht größtenteils aus +umgewandeltem +Wasser+. Nur ein ganz kleiner Bruchteil vom Gewicht des +trockenen Holzes (etwa 8 bis 10 %) entstammen als Mineralstoffe dem +Erdboden. + ++Der Kommerzienrat+: Verzeihen Sie, wenn Ihre Behauptungen, die +wissenschaftlich wohl sehr richtig sein mögen, meinem mehr auf das +Praktische gehenden Verstand nicht sofort einleuchten. Ich bin ein Mann +der Zahlen und Gewichte und weiß, daß die Luft nichts oder nicht viel +wiegt, das Holz aber sehr viel. Wie reimt sich das zusammen? + ++Der Professor+: Ich glaube doch, daß Sie das Gewicht der Luft +unterschätzen. Ein Liter Luft wiegt 1¼ Gramm, ein Kubikmeter also 1¼ +Kilogramm. Ein Zimmer von mäßiger Größe faßt leicht 80 Kubikmeter Luft, +welche zusammen 2 Zentner wiegen. Wenn also die ganze Luft durch den +Baum in Kohle verwandelt würde, so könnte ein großer Waldbaum seinen +gesamten Kohlebedarf ganz leicht aus der Luftmenge decken, welche in +ein paar Häusern enthalten ist. Tatsächlich braucht er jedoch viel mehr +Luft, weil die für den Baum notwendige Kohle nur in einem ganz winzigen +Bruchteil der Luft enthalten ist, nämlich in dem Kohlensäuregas, +welches nur ¹⁄₂₅ % der Luft ausmacht. Zur Bildung von einem Kilogramm +der Holzkohle, welche man durch Erhitzen von Holz erhält, müßte also +der betreffende Baum nicht weniger als 2500 Kilogramm Luft verarbeiten. +Für seine ganze Holzmenge braucht er wohl einige Millionen Kubikmeter +-- aber was bedeutet dies angesichts des unermeßlichen Luftmeers? Es +enthält weit mehr Kohlensäuregas, als der ganze Pflanzenwuchs der Erde +jemals aufzuzehren vermöchte. + ++Der Kommerzienrat+: Ich bin nun wirklich neugierig, wie es die Pflanze +macht, um dieses Kohlensäuregas aus der Luft in sich aufzunehmen. + ++Der Professor+: Ganz einfach: sie +atmet+, wie wir auch. Nur mit +dem Unterschied, daß wir den Sauerstoff der Luft einatmen und dafür +Kohlensäure ausatmen, während die Pflanze -- wenigstens scheinbar -- +das Umgekehrte macht: sie atmet Kohlensäure ein und Sauerstoff aus. Die +Kohlensäure besteht nämlich aus Kohle und Sauerstoff; die Kohle wird +von der Pflanze zurückbehalten, der Sauerstoff wird wieder abgegeben. + ++Der Kommerzienrat+: Warum sagten Sie soeben, die Pflanze atme nur +scheinbar in umgekehrtem Sinne wie wir? + ++Der Professor+: Weil der Gasaustausch der Pflanze in Wahrheit +aus zwei Prozessen besteht, welche nebeneinander und gleichzeitig +stattfinden: der eine Vorgang entspricht unserer +Ernährung+, ich habe +ihn soeben geschildert, er besteht in der Aufnahme von Kohlensäuregas +und Abscheidung von Sauerstoffgas. Daneben findet ein zweiter, viel +schwächer entwickelter Vorgang statt, welcher eine wirkliche +Atmung+ +bedeutet. Er besteht, wie unsere Atmung auch, in der Aufnahme von +Sauerstoffgas aus der Luft und in der Abgabe von Kohlensäuregas an +sie. Dieser Atmungsprozeß ist viel schwächer als der Ernährungsvorgang +und wird daher gewöhnlich durch diesen in den Schatten gestellt. Aber +nachts, wenn die Ernährung der Pflanzen stillsteht, kann man sehr +deutlich die Atmung an der Umkehrung der Gasausscheidung beobachten. + ++Der Kommerzienrat+: Warum steht die Ernährung der Pflanzen nachts +still, da doch die Luft auch nachts zu ihrer Verfügung steht? + +[Illustration: Abb. 38. Nachweis der Atmung bei Pflanzen. Ein +Glaskolben voll Wucherblumen taucht in Kalilauge. Diese steigt im +Kolbenhals auf, indem sie die ausgeatmete Kohlensäure verschluckt.] + ++Der Professor+: Weil zur „Verdauung“ des Kohlensäuregases die +Mitwirkung des Sonnenlichts notwendig ist. Die Zerspaltung des +Kohlensäuregases in Kohle und Sauerstoff ist ein sogenannter ++endothermischer+ Vorgang (vgl. das 5. Kapitel), d. h. ein Vorgang, +der nur dann erfolgen kann, wenn dem Kohlensäuregas Energie +zugeführt wird. Diese Energie strömt der Pflanze im Sonnenlicht bei +Tage reichlich zu. Sie verschwindet in der Pflanze, hilft bei der +Zerspaltung des Kohlensäuregases und ist dann in den Spaltungsprodukten +-- in der Kohle und im Sauerstoff -- enthalten. + ++Der Kommerzienrat+: Diese Vorgänge finden wohl in den Blättern statt? + ++Der Professor+: Ja. Sie sind zugleich der Verdauungsapparat und +die Lunge der Pflanze. An der Unterseite der Blätter befinden sich +sehr kleine, spaltförmige Öffnungen in ungeheurer Anzahl; durch sie +vollzieht sich der Austausch der Gase. + ++Der Kommerzienrat+: Verzeihen Sie, wenn ich jetzt eine recht dumme +Frage stelle: Warum sind eigentlich die Blätter grün? + +[Illustration: Abb. 39. Spaltöffnungen an der Unterseite eines Blattes.] + ++Der Professor+: Diese Frage ist sehr berechtigt und ist auch von der +Wissenschaft schon gestellt und durch Versuche beantwortet worden. +Man hat gefunden, daß der grüne Farbstoff (Blattgrün oder Chlorophyll +genannt) für den Ernährungsvorgang der Pflanzen wesentlich ist. Wo er +fehlt, ist auch das Sonnenlicht nicht imstande, das Kohlensäuregas +in Kohle und Sauerstoff zu spalten. Das Blattgrün ist für die +Pflanzen gewissermaßen das, was für die Tiere das Blut ist. Nach den +Untersuchungen Willstätters besteht sogar eine gewisse Ähnlichkeit in +der chemischen Zusammensetzung beider. + ++Der Kommerzienrat+: Also könnte eine Pflanze ohne Blattgrün überhaupt +nicht wachsen? Demnach gibt es solche Pflanzen gar nicht? + ++Der Professor+: Dies wäre zuviel behauptet. Es gibt eine ganze Menge +Pflanzen ohne Blattgrün, und sie können auch ganz gut wachsen: aber +ihre Ernährung beruht nicht auf der Verdauung des Kohlensäuregases +mit Hilfe des Lichts, sondern auf der Ausnutzung anderer Stoffe. +Diese Pflanzen leben entweder als +Schmarotzer+ auf anderen Pflanzen +oder Tieren, oder sie ernähren sich von denjenigen Stoffen, welche +bei der Fäulnis und Verwesung entstehen. Zu diesen blattgrünfreien +Pflanzen gehören sämtliche +Pilze+ und +Bakterien+ und viele höher +organisierte Pflanzen, wie der Fichtenspargel, viele Orchideen usw. +Aber auch die meisten übrigen Pflanzen, welche sich im erwachsenen +Zustande der Kohlensäure, des Lichts und des Chlorophylls zur Ernährung +bedienen, ernähren sich in der frühesten Jugend ohne Chlorophyll; +sie leben in der ersten Jugend von den Vorräten, welche die Natur +zu diesem Zweck um den Keim herumgelagert hat. So lebt die junge +Getreidepflanze, bevor sie durch die Erde ans Tageslicht dringt, +vom Mehl des Getreidekorns; die Kartoffelpflanze nützt die großen +Nahrungsvorräte der Kartoffelknolle aus, und überhaupt alle Zwiebel- +und Knollengewächse sind in ihrer ersten Jugend mit einem förmlichen +Speicher von Nahrungsvorräten umgeben. Bis diese verbraucht sind, haben +die jungen Pflanzen genügend Blattgrün gebildet, um dann größtenteils +von der Luftkohlensäure weiter leben zu können. + +[Illustration: Abb. 40. (Nach C. W. Schmidt.) Die Blattgrünkörner einer +Wasserlinse stellen sich auf wechselnde Beleuchtung ein (oben schwach, +unten stark beleuchtet).] + ++Der Kommerzienrat+: Eine gewisse Vorliebe für die schmarotzende +Lebensweise ihrer Jugendzeit scheinen sich die meisten Pflanzen doch +auch mit ins spätere Leben zu nehmen, denn sonst könnte eine +Jauche+- +oder +Mistdüngung+ doch ihr Wachstum nicht so sehr fördern? Ist denn +das, was Sie über die Luftnahrung sagen, wirklich so wörtlich zu +nehmen? Mir scheint, meine Gartengewächse sind doch mehr auf den Dung +angewiesen und würden elend zugrunde gehen, wenn ich ihnen bloß die +Luft als Nahrung überlassen wollte. + ++Der Professor+: Hier haben Sie ein Schulbeispiel eines Trugschlusses. +Der Beweis ist durch folgende Versuche leicht zu führen: Hängen Sie +einen Bohnenkern mit Hilfe von etwas Watte in ein Glas voll Wasser. +Er wird auskeimen, aber die Bohnenpflanze wird bald zugrunde gehen. +Sie werden sagen: Das ist ganz klar, Wasser allein ist keine Nahrung, +und von der Luft kann nicht einmal eine Pflanze leben. Aber Sie irren +sich wirklich. Wiederholen Sie den Versuch, und setzen Sie dem Wasser ++winzige Spuren+ von Salpeter, Ammoniumphosphat und Eisenvitriol hinzu, +im ganzen nicht mehr als ein halbes Gramm von allen drei Stoffen: +nun wird die Bohne üppig und schnell wachsen, wie mit der besten +Jauchedüngung im Garten, und wird an Gewicht gar bald die zugesetzten +Nährsalze um ein Hundertfaches überragen. Sie können nun unmöglich +behaupten, die Bohne nehme an Substanz zu auf Kosten der zugesetzten +Nährsalze: denn diese machen an Gewicht nur einen winzigen Bruchteil +der Gewichtszunahme unserer zweiten Bohne aus. Diese Bohne wächst +offenbar auf Kosten der Kohlensäure der Luft, wie übrigens auch +zweifelfrei durch direkte Luftwägungen nachgewiesen wurde. + ++Der Kommerzienrat+: Das ist in der Tat eine wunderbare Sache. Also +darf man wohl annehmen, daß auch im Mist solche Nährsalze enthalten +sind, und daß sie ein beschleunigtes Verdauen der Luftkohlensäure durch +die Pflanzen erleichtern? + ++Der Professor+: Ja. Es ist sehr wohl möglich und sogar wahrscheinlich, +daß außerdem auch noch ein Teil der Dungstoffe von der Pflanze +schmarotzerisch aufgenommen wird. Aber wesentlich ist dieser Teil +nicht, sonst würden die Kunst- oder Mineraldünger (Superphosphat, +Kainit, Salpeter, Ammoniumphosphat) auf unseren Wiesen und Feldern +nicht so großen Erfolg haben, auch wenn gar keine Mistdüngung +gleichzeitig gegeben wird. + ++Der Kommerzienrat+: Also könnte man die Mistdüngung wohl ganz +entbehren und durch Kunstdüngung ersetzen? + ++Der Professor+: Das wäre wohl zu viel behauptet. Der Mist und der aus +ihm entstehende Humusboden haben die Eigenschaft, solche Nährsalze +festzuhalten, die sonst vom Regen aufgelöst und fortgeschwemmt würden. +Außerdem ist es vielleicht möglich, daß der natürliche Dünger für die +Pflanzen eine ähnliche Bedeutung hat wie für uns der Genuß des Obstes, +das beinahe gar keinen Nährwert hat, aber auf die Zusammensetzung +unserer Körpersäfte regulierend wirkt. + ++Der Kommerzienrat+: Nun sagten Sie wiederholt, die Kohlensäure würde +in den Blättern der Pflanzen gespalten in Kohle und Sauerstoff, und +Sie erwähnten auch, daß der Sauerstoff wieder ausgeatmet würde. Aber +was geschieht mit der Kohle? Als Kohle ist sie doch gewiß nicht in den +Pflanzen, sonst müßte sie sich durch ihre schwarze Farbe verraten. + ++Der Professor+: Der Kohlenstoff (so nennt der Chemiker die reine +Kohle) ist natürlich in den Pflanzen nicht als solcher, sondern er +ist mit anderen Elementen zu chemischen Verbindungen vereinigt. Die +wichtigsten dieser Verbindungen sind: der +Formaldehyd+, welcher so +zusammengesetzt ist, als ob 1 Atom Kohlenstoff mit einem Molekül Wasser +verbunden wäre; der +Trauben+- und +Fruchtzucker+ und der +Malzzucker+, +welche auf 6 Kohlenstoffatome 6 Wassermoleküle, und der Zellstoff, +welcher auf 6 Kohlenstoffatome 5 Wassermoleküle enthält. Alle diese +Verbindungen enthalten also nur Kohle und Wasser in wechselnden Mengen; +wahrscheinlich entsteht aus Wasser und Kohlensäuregas unter dem +Einfluß des Lichtes und des Blattgrüns zuerst Formaldehyd, aus welchem +sich dann durch Verdichtung und mehrfache chemische Umlagerungen die +Zuckerarten bilden. Diese werden teils durch Umwandlung in Zellstoff +zum Aufbau des Holzes verwendet, teils in Form von +Stärke+ (welche dem +Zellstoff an chemischer Zusammensetzung gleich ist) als Nahrungsvorräte +aufgespeichert. + ++Der Kommerzienrat+: Ich verstehe nun, warum die Kartoffelknollen, die +Rüben, Getreidekörner, Zwiebeln usw. so reich an Stärke sind. Aber wie +wird dieser Nahrungsvorrat von der Pflanze wieder nutzbar gemacht? Oder +ist dies nicht der Zweck des Vorrats? + ++Der Professor+: Doch! Es geschieht in der Weise, daß die Stärke +wieder in Zuckerlösung zurückverwandelt wird. Deshalb schmecken +keimende Zwiebeln und Kartoffeln süß, weil darin ein Teil der Stärke +in Verzuckerung begriffen ist, um dem wachsenden Keim als Nahrung zu +dienen. (Vgl. das 8. Kapitel.) Diese Verzuckerung der Stärke wird durch +gewisse chemische Verbindungen bewirkt, welche man Enzyme nennt. Sie +werden dabei merkwürdigerweise selbst nicht verändert. + ++Der Kommerzienrat+: Ist man schon dahintergekommen, warum diese +abermalige Umwandlung der Stärke in Zucker notwendig ist? Ich meine +dies: warum wandelt sich nicht die Stärke direkt in Pflanzenfasermasse, +in Zellstoff, um? + +[Illustration: Abb. 41. Ein Zwiebelkeim, von stärkereichen, +chlorophyllfreien Blättern umhüllt.] + +[Illustration: Abb. 42. Eine aus drei Augen keimende Kartoffel. Die +blinden (chlorophyllfreien) Keime leben vom Stärkevorrat der Kartoffel. +Die Schuppen („Augen“) am Grund der Keime sind Blattanlagen.] + ++Der Professor+: Dies hat einen sehr einfachen Grund: Stärke ist in +Wasser als solche nicht löslich, während Zucker löslich ist. Wenn nun +z. B. ein Kartoffelkeim an seiner Spitze neue Substanz ansetzt, so +muß diese in irgendeiner löslichen Form aus der Knolle in die Spitze +befördert werden. Diese Aufgabe fällt der Zuckerlösung zu. Sie ist +gleichsam das Blut der Pflanze. Die Stärkeablagerungen in der Knolle +sind dagegen mit dem Fett der Tiere vergleichbar. + ++Der Kommerzienrat+: Braucht nun die Pflanze zu ihrer Ernährung +wirklich gar nichts weiter als Kohlensäuregas und Wasser? + ++Der Professor+: Es wäre ein sehr verhängnisvoller Irrtum, dies zu +glauben. Wir erwähnten schon vorhin die Bedeutung der Nährsalze im +natürlichen und künstlichen Dünger. Von mindestens gleicher Wichtigkeit +ist für das Wachstum der Pflanze die Aufnahme eines weiteren Elements, +des Stickstoffs. Der Stickstoff ist nämlich, neben Kohlenstoff, +Wasserstoff und Sauerstoff, der wichtigste Bestandteil der sogenannten ++Eiweißverbindungen+. Diese bilden den wertvollsten Inhalt der +tierischen und pflanzlichen Zellen und sind die eigentlichen Träger +des Lebens. In den Pflanzen bilden sie einen schleimigen Belag auf der +Innenwand der Zelle, den man +Protoplasma+ nennt. Von diesem Belag aus +geht alles Wachstum und überhaupt alles Leben. Dieser Belag enthält und +verbraucht andauernd eine gewisse Menge Stickstoffgas. + +[Illustration: Abb. 43. Eine junge Pflanzenzelle. Das Plasma füllt noch +fast die ganze Zelle, mit Ausnahme weniger Safträume.] + +[Illustration: Abb. 44. Ältere Pflanzenzelle. Das Plasma ist dem +Wachstum der Zelle nicht gefolgt und liegt der Zellwand als dünner, +schleimiger Belag an. Die Vakuolen nehmen fast den ganzen Zellraum ein.] + ++Der Kommerzienrat+: Dies ist doch, wenn ich mich recht erinnere, der +Hauptbestandteil der Luft? + ++Der Professor+: Jawohl, ⅘ der Luft bestehen aus Stickstoff. + ++Der Kommerzienrat+: Nun, da hat es die Pflanze leicht genug mit der +Befriedigung ihres Stickstoffhungers, denn sie wird das Gas wohl +einfach aus der Luft aufnehmen. + ++Der Professor+: Doch nicht so einfach, wie Sie sich jetzt denken. +Das Stickstoffgas als solches ist nämlich für die Pflanzen völlig +unverdaulich. Die Chemiker haben diesem Gas schon lang angemerkt, +daß es eine unglaublich geringe Neigung hat, chemische Verbindungen +einzugehen. Die Pflanzen nehmen den Stickstoff deshalb niemals aus der +Luft, sondern stets durch die Wurzel aus dem Boden auf. Der Boden muß +ihn entweder in Form von +Nitraten+ (Salzen der Salpetersäure) oder in +Form von +Ammoniakverbindungen+ enthalten. + ++Der Kommerzienrat+: Jetzt verstehe ich auch von neuem, warum der ++Mist+ so gut düngend wirkt. Der enthält ja so viel Ammoniak, daß es +einem in Augen und Nase beißt. + ++Der Professor+: Diesmal hat Sie Ihre sinnliche Wahrnehmung auf den +richtigen Weg geführt. + ++Der Kommerzienrat+: Wie machen es aber die Bäume des Waldes und +überhaupt die wildwachsenden Gewächse mit der Befriedigung ihres +Stickstoffbedarfs? + ++Der Professor+: Sie ziehen, wohl durch den Geruch ihrer Wurzeln, +gewisse Pilze und Bakterien an. Eine ausgerissene Fichtenwurzel ist +z. B. meist von einem dichten, weißen Pilzgeflecht (~Mykorrhiza~) +bedeckt, welches mit der Wurzel in innigster Lebensgemeinschaft +steht. Diese stickstoffreichen Pilze bilden dann, absterbend, einen +stickstoffhaltigen Dünger für die Baumwurzel. Ganz ähnlich ist es bei +den Hülsenfruchtgewächsen; sie haben fast sämtlich an ihren Wurzeln +kleine Knöllchen, in welchen eine Unmenge von Bakterien eingeschlossen +sind, die durch ihr Absterben die Pflanze mit Stickstoff versorgen. + ++Der Kommerzienrat+: Ich denke, durch diesen Befund ist das Problem +nicht gelöst, sondern nur verschoben: denn nun müssen wir fragen, wie +es diese Pilze und Bakterien anfangen, stickstoffhaltig zu werden? + +[Illustration: Abb. 45. Bohnenwurzel, dicht mit Bakterienknöllchen +besetzt.] + +[Illustration: Abb. 46. Normale Stickstoffbakterien (nach Jost).] + +[Illustration: Abb. 47. Degenerierte Stickstoffbakterien aus einer +Bohnenwurzel (nach Jost).] + ++Der Professor+: Sie haben ganz recht. Ich vergaß, Ihnen zu sagen, +daß man von einigen dieser Bakterien mit aller Sicherheit nachgewiesen +hat, daß sie den Stickstoff der Luft in salpetrige und in Salpetersäure +umwandeln. Die so entstehenden Salze der Salpetersäure sind aber eines +der verdaulichsten stickstoffhaltigen Nahrungsmittel für alle Arten von +Pflanzen. + ++Der Kommerzienrat+: Sagten Sie nicht soeben, daß das Stickstoffgas +eine sehr geringe Neigung habe, chemische Verbindungen einzugehen? Wie +machen es wohl diese Bakterien, um den trägen Stickstoff zur Verbindung +mit Sauerstoff zu nötigen? + ++Der Professor+: Dies ist vorläufig ein völliges Rätsel. Es ist um +so merkwürdiger, als diese Vereinigung künstlich nur unter Anwendung +hoher elektrischer Spannungen bei der Temperatur des elektrischen +Funkens (ca. 4000 °) möglich ist. Man könnte vielleicht, wie bei der +Kohlensäurespaltung, an die Mitwirkung des Lichts denken. Aber es +ist durch Versuche fast einwandfrei festgestellt, daß die Verdauung +des Stickstoffs ohne Mitwirkung des Lichts erfolgt (vgl. Jost, +Pflanzenphysiologie, in Strasburgers Lehrbuch der Botanik, 11. Aufl., +S. 193). Wir stehen also vor der für jeden Chemiker unglaublich +klingenden Tatsache, daß die Pflanze es fertig bringt, kaltes +Stickstoffgas ohne jede Anwendung von Licht, Wärme oder Elektrizität +in beliebigem Grade zu oxydieren. Dies ist eine Leistung, welche +schlechthin alles in Schatten stellt, was die Chemiker bisher erreicht +haben. + +[Illustration: Abb. 48. Eine unförmig aufgetriebene Bakterienzelle +aus einem Wurzelknöllchen der Bohne, gefüllt mit Millionen +Stickstoffbakterien.] + ++Der Kommerzienrat+: Ist es nicht überhaupt wunderbar, daß die Pflanze +ihre Vorräte an Zellulose, Stärke und Zucker auf kaltem Wege erzeugt? +Wenn ich nicht irre, können die Chemiker auch diese Prozesse nicht ohne +Anwendung von Hitze durchführen. + ++Der Professor+: Sie haben ganz recht. Die chemische Küche der Pflanze +ist kalt. Dabei leistet sie so Unglaubliches, daß sie damit den blassen +Neid aller Chemiker weckt. Sie verwandelt auf dem Weg von der Knolle +bis zum Blatt wenigstens ein dutzendmal Stärke in Zucker und Zucker in +Stärke um, während den Chemikern zwar das erste, niemals aber bis jetzt +das zweite gelungen ist. Kein Chemiker vermag Stärke oder Zellulose +künstlich darzustellen. Dabei sind diese Dinge verhältnismäßig +als Kleinigkeiten zu bewerten im Vergleich mit der beispiellosen +Mannigfaltigkeit von Farb-, Duft- und Konservierungsstoffen, welche in +den Wurzeln, Blättern und Blüten erzeugt werden. Das Pflanzenkleid der +Erde ist in der Tat das gewaltigste chemische Laboratorium, vor welchem +sich selbst unsere leistungsfähigsten chemischen Fabriken wie ärmliche +Alchimistenküchen verkriechen müssen. + ++Der Kommerzienrat+: Hat man denn gar keine Vorstellung, welcher +Hilfsmittel sich die Pflanze bei ihren chemischen Darstellungen +bedient? Sie haben mir doch früher (vgl. das 8. Kapitel) erzählt, daß +man die +Gärungsvorgänge+ und die +Verzuckerung der Stärke+ mit Hilfe +der sogenannten Enzyme künstlich bewirken könne, ohne Mithilfe des +lebenden Pflanzenkörpers. Wäre es nicht denkbar, daß alle chemischen +Vorgänge in der Pflanze auf die Mitwirkung von Enzymen zurückführbar +sind? + ++Der Professor+: Dies ist deshalb ganz ausgeschlossen, weil die bis +jetzt bekannten Enzyme sämtlich den +Abbau+, d. h. die Zerlegung +einer komplizierten in verschiedene einfache Verbindungen, bewirken. ++Aufbauende+ Enzyme sind meines Wissens bis jetzt überhaupt unbekannt. +Gerade die wichtigsten chemischen Vorgänge in der Pflanze sind jedoch +solche +Synthesen+, d. h. aufbauende Prozesse. Das ist der Unterschied +zwischen der Verdauung bei Pflanzen und bei Tieren: die Pflanze verdaut ++einfache+ Stoffe, wie Kohlensäure, Wasser und Stickstoff, zu sehr +komplizierten; das Tier aber verdaut komplizierte Nährstoffe (Fleisch, +Pflanzeneiweiß) zu einfachen Endprodukten (Aminosäuren). Freilich baut +dann auch der tierische Körper aus diesen Zerlegungsstoffen wieder +komplizierte Eiweißmoleküle des Blutes und Fleisches auf. + ++Der Kommerzienrat+: Ich bin Ihnen, lieber Professor, für Ihre +interessanten Belehrungen sehr dankbar. Nun kann ich mir nur eine Sache +noch nicht recht vorstellen: wenn jede Pflanze während ihres Wachstums +Kohlensäure aus der Luft zieht, und wenn sich dieser Vorgang Jahr um +Jahr mit der ganzen, gewaltigen Pflanzendecke der Erde wiederholt: da +muß doch schließlich die Luft die geringe Menge Kohlensäure, welche +sie noch enthält, nach und nach ganz verlieren. Dann wäre wohl kein +Pflanzenwuchs und infolgedessen auch kein Tierleben mehr möglich. + ++Der Professor+: Sie übersehen in Ihrer Schlußfolgerung nur die +wichtige Tatsache, daß alle von den Pflanzen aufgenommene Kohlensäure +schließlich doch wieder als solche in die Luft zurückströmt. Denn +fast alle Pflanzensubstanz fällt schließlich der +Verwesung+ anheim, +und dabei wird nahezu aller Kohlenstoff schließlich in Kohlensäuregas +verwandelt, welches in die Luft zurückströmt. Auch das faulende Holz +der Wälder unterliegt dieser Veränderung. Diejenige Pflanzensubstanz, +welche nicht unmittelbar verwest, wird entweder von Tieren gefressen +oder verbrannt oder allmählich in Kohle verwandelt und dann auch +verbrannt. Da bei der Verwesung des Tierkörpers auch Kohlensäure +entsteht, so ist in allen diesen Fällen das Endprodukt wieder die +Kohlensäure. Deshalb kann der Kohlensäuregehalt der Luft nicht +abnehmen. +Der Kohlenstoff vollendet also in der Natur einen ewigen, +sich immer wiederholenden Kreislauf.+ + ++Der Kommerzienrat+: Ich dächte aber, ich hätte einmal gelesen oder +gehört, daß die Luft in einer älteren Periode der Erdgeschichte reicher +an Kohlensäure gewesen sei. Damals, ich glaube, es war in der Zeit der +Entstehung der Steinkohlen, sollen ja aus diesem Grunde die Pilze und +Farnkräuter und Bärlappgewächse eine ungeheure Größe erreicht haben. +Ist dies richtig, so widerspricht es doch der Lehre vom Kreislauf des +Kohlenstoffs. + ++Der Professor+: Ihr Einwand ist in der Tat richtig; während aber +diese, ich möchte sagen: +säkulare+ Abnahme des Kohlensäuregehaltes +der Luft Millionen von Jahren beansprucht hat, so können wir für +unsere geschichtlichen Zeiträume keine erkennbare Abnahme nachweisen. +Wir können also mit dieser Einschränkung die Lehre vom Kreislauf des +Kohlenstoffs wohl aufrechterhalten. + +[Illustration: Abb. 49. Der Siegelbaum (~Sigillaria~), ein baumgroßes +Bärlappgewächs der Steinkohlenzeit.] + +[Illustration: Abb. 50. ~Alethopteris lonchitidis~, ein +steinkohlenbildender Farn.] + ++Der Kommerzienrat+: Woher stammten denn jene großen Kohlensäuremengen? + ++Der Professor+: Man vermutet, daß die ursprüngliche Atmosphäre +hauptsächlich aus Kohlensäure und Stickstoff bestand, welche beiden +Gase von der erkaltenden Erdmasse ausgehaucht wurden. Ob Sauerstoff +schon dabei war, oder ob er erst durch Zersetzung der Kohlensäure +gebildet wurde, ist nicht sicher entschieden. + ++Der Kommerzienrat+: Aber wohin sind diese großen Kohlensäuremengen +geraten? + ++Der Professor+: Man vermutet, daß sie in den Kalkgebirgen stecken, +deren Gestein aus kohlensaurem Kalk besteht. Diese Gebirge und ihr +Material sind nämlich zweifellos erst nach jener Zeit entstanden, in +welcher die Luft so reich an Kohlensäure war. + ++Der Kommerzienrat+: Da müßte man also annehmen, daß auf der Erde +ehemals gebrannter oder gelöschter Kalk vorhanden war, und daß dieser +sich mit der Kohlensäure allmählich zu kohlensaurem Kalk verbunden hat? + ++Der Professor+: O nein, das ist ganz anders vor sich gegangen. Die +Kalkgebirge sind voll versteinerter Meerestiere; diese hätten niemals +auf gebranntem oder gelöschtem Kalk leben können, weil diese Verbindung +eine sehr scharfe, ätzende Base ist. Vielmehr weisen alle Umstände +darauf hin, daß bei der Entstehung des Kalksteins dem +Meer+ eine +wichtige Rolle zukommt. Untersucht man irgendeine Art von Kalkstein +oder Kreide unter dem Mikroskop, so erkennt man leicht, daß diese +Stoffe ganz und gar aus den Kalkschalen winziger Pflanzen (Kalkalgen) +und Tiere (Urtierchen) zusammengesetzt sind, die ohne Zweifel im Wasser +gelebt haben. + ++Der Kommerzienrat+: Zugegeben; aber diese Erklärung kann doch +unmöglich für solche Kalkgesteine gelten, welche von hohen Berggipfeln, +wie z. B. von der Zugspitze, stammen. + ++Der Professor+: Wenn Sie vom Gipfel der Zugspitze ein Stück +Wettersteinkalk abschlagen und mikroskopisch prüfen, so werden Sie +erkennen, daß es nahezu gänzlich aus den Schalen zweier Kalkalgen, +nämlich der Gattungen ~Gyroporella~ und ~Diplopora~, zusammengesetzt +ist. + ++Der Kommerzienrat+: Also müßte auch der Gipfel der Zugspitze ehemals +Meeresboden gewesen sein? + +[Illustration: Abb. 51. ~Diplopora annulata~, eine Kalkalge des +Wettersteingebirges.] + ++Der Professor+: Dies ist ganz unbezweifelbar. Die Erhebung der Alpen +ist als ein Faltungs- und Schrumpfungsvorgang der Erdrinde erst in +sehr später Zeit (in der Tertiärzeit) erfolgt; es ist sogar möglich, +daß in dieser Zeit bereits das jüngste aller irdischen Geschöpfe, der +Mensch, vorhanden oder in der Entwicklung begriffen war. Vorher waren +die Alpenlande ebener Boden, eingetrockneter Meeresboden. Und in dem +Meer, das ehemals diesen Boden überdeckte, lebten und starben jene +Kalkalgen in ungeheuren Mengen. Die toten sanken darin langsam zu +Boden und verwesten; aber ihre Kalkschalen konnten nicht verwesen und +bildeten einen tiefen und dicken Schlamm, aus welchem allmählich durch +Austrocknung und Erhärtung der Kalkstein wurde. + ++Der Kommerzienrat+: Dies klingt sehr wunderbar, ist aber immerhin +verständlich. Aber wie soll ich mir vorstellen, daß die Kalkschalen der +Algen sich mittels der Kohlensäure der Luft gebildet haben? Denn so war +es doch, so soll doch der ehemals so große Kohlensäuregehalt der Luft +sich vermindert haben? + ++Der Professor+: Auch dieser Vorgang ist an lebenden Kalkalgen +recht klar erforscht worden. Diese Kalkalgen können nur in einem +Wasser leben, welches sogenannten doppeltkohlensauren Kalk gelöst +enthält. Dies ist eine chemische Verbindung von kohlensaurem Kalk +mit Kohlensäure; sie unterscheidet sich von kohlensaurem Kalk (der +in Wasser unlöslich ist) durch ihre beträchtliche Löslichkeit. Die +Kalkalgen nun, als Pflanzen, brauchen zu ihrer Ernährung Kohlensäure. +Da sie nicht in der Luft leben, sondern im Wasser, so entziehen sie +ihren Kohlensäurebedarf aus dem doppeltkohlensauren Kalk, welcher in +ihrer wässerigen Umgebung gelöst ist. Dadurch verwandelt sich aber der +lösliche doppeltkohlensaure Kalk in unlöslichen kohlensauren Kalk, +der nun auf irgendeine Weise zum Vorschein kommen muß. Die allzeit +erfinderische Natur verwendet ihn zum Bau steinerner Gehäuse und +Stützgerüste: der Kalkschalen dieser Algen. + ++Der Kommerzienrat+: Das ist freilich ein merkwürdiger Vorgang, auf den +man durch bloßes Nachdenken nicht kommen kann. Nun fragt sich bloß, wie +die Kohlensäure der Luft dazu kommt, als doppeltkohlensaurer Kalk in +das Wasser einzutreten? + ++Der Professor+: Diese Frage ist durch die Geologie recht zuverlässig +beantwortet worden. Das Regenwasser löst beim Niederfallen um so +mehr Kohlensäure auf, je kälter es ist und je reicher die Luft an +Kohlensäure ist. Diese Lösung wirkt auf die meisten Gesteine zersetzend +ein und entzieht ihnen langsam, aber sicher alle Basen, indem es diese +in doppeltkohlensaure Salze verwandelt und in gelöster Form fortführt. +Der Kalkgehalt unserer Kalkgebirge stammt also vermutlich aus den +Urgneisen und vielleicht auch aus den älteren Graniten. Die Kohlensäure +stammt aus der Luft. + ++Der Kommerzienrat+: Wie kam aber die Kohlensäure in die Luft? + ++Der Professor+: Sie ist ein Entgasungsprodukt der erkaltenden Erde. +Noch heute strömt die Erde an allen Orten früherer vulkanischer +Tätigkeit große Mengen von Kohlensäure aus (z. B. in der Eifel am +Rhein). Da die vulkanischen Vorgänge in früheren Erdperioden viel +stärker und weiter verbreitet waren, so muß dadurch auch viel mehr +Kohlensäure in die Luft gekommen sein. Noch heute hält dieses aus der +Erde kommende („juvenile“) Kohlensäuregas dem durch den Pflanzenwuchs +verbrauchten das Gleichgewicht, so daß der Kohlensäuregehalt der Luft +nicht merklich abnimmt. + ++Der Kommerzienrat+: Da sollte man eigentlich erwarten, daß die Luft +im Winter mehr Kohlensäure enthält als im Sommer, weil im Winter der +Verbrauch durch die Pflanzen größtenteils wegfällt, während der Zustrom +aus dem Erdinnern doch in gleicher Stärke weiter besteht. + ++Der Professor+: Ihre Vermutung ist tatsächlich richtig (vgl. Jost, +Pflanzenphysiologie, in Strasburgers Lehrbuch der Botanik, 11. Aufl., +S. 186). In 10000 Liter Luft sind im Winter 3,0 bis 3,6, im Sommer nur +2,7 bis 2,9 Liter Kohlensäure enthalten. + ++Der Kommerzienrat+: Ich wundere mich jetzt geradezu, daß der +Kohlensäuregehalt der Luft nicht fortwährend +größer+ wird. Denn die +von den Pflanzen verzehrte Luftkohlensäure gelangt doch, wenn die +Pflanzen verwesen, wieder unvermindert in die Luft zurück; und die +gewaltigen Kohlensäuremengen, welche der Erde entströmen, kommen doch +hinzu. + ++Der Professor+: Sie vergessen, daß der Kreislauf der Kohlensäure sich +in einer Bahn vollzieht, welche, sozusagen, nicht ganz dicht hält. +Sie hat zwei undichte Stellen, an welchen viel Kohlensäure aus dem +Kreislauf nach außen sickert: die eine Stelle ist Ihnen schon bekannt, +es ist die Bildung der Kalkgesteine aus dem Meeresbodenschlamm. Das +andere Leck in der Bahn des Kreislaufs der Kohlensäure ist die Bildung +der +Kohlenlagerstätten+ der Erde. Hier verwandeln sich ungeheure +Mengen von Pflanzensubstanz durch mangelhafte Verwesung in Torf, +Braunkohle, Steinkohle, Anthrazit und Graphit und binden so eine Menge +Kohlenstoff in der Erdrinde, der ehedem als Kohlensäuregas in der Luft +war. + ++Der Kommerzienrat+: Sie erwähnten vor einiger Zeit, daß der +Sauerstoffgehalt der Luft möglicherweise auf jene großen +Kohlensäuremengen zurückzuführen ist, welche früher in der Luft +enthalten waren. Wie wäre dies zu erklären? + ++Der Professor+: Wenn die Kohlensäure durch Kalkalgen gebunden und +als Nahrung aufgenommen wurde, so muß eine entsprechende Menge von +Sauerstoff von ihnen abgeschieden worden sein. Dieser Sauerstoff, das +Verdauungsprodukt der kohlensäureverzehrenden Pflanzen, kann nur in die +Luft entwichen sein. + ++Der Kommerzienrat+: Freilich haben dieselben Pflanzen zum Zweck der ++Atmung+ Sauerstoff verbraucht und Kohlensäure abgeschieden. Aber +anscheinend ist die Atmung der Pflanzen weniger rege als ihre Ernährung. + ++Der Professor+: So ist es tatsächlich. Wohl werden durch die +Atmung, namentlich durch die der Bodenbakterien, ungeheure Mengen +Kohlensäuregas in die Luft geschickt; aber diese Mengen sind dennoch +verschwindend klein im Verhältnis zu denjenigen, welche bei der +Ernährung derselben Pflanzen verbraucht werden. Für die Bewegung des +Sauerstoffs gilt natürlich dasselbe im umgekehrten Sinn: bei der +Ernährung wird viel mehr Sauerstoff frei, als bei der Atmung verzehrt +wird. + ++Der Kommerzienrat+: Das Nebeneinanderbestehen dieser beiden Vorgänge, +der Atmung und der Ernährung, mit ihren entgegengesetzt verlaufenden +Stoffwechselprozessen erscheint einem doch recht unverständlich. Was +hat es für einen Sinn, daß bei der Atmung einer Pflanze Kohlensäure +entbunden wird, welche von derselben Pflanze zum Zweck der Ernährung +wieder verbraucht wird? + +[Illustration: Abb. 52. Aus den abgeschnittenen Stielenden der +Wasserpflanze ~Helodea canadensis~ entweicht im Sonnenlicht +Sauerstoffgas.] + ++Der Professor+: Der Sinn dieser einander widersprechenden +Vorgänge ist in den thermochemischen Beziehungen, also in den +Bewegungen der Wärme bei diesen chemischen Prozessen, zu suchen. Der +Ernährungsvorgang ist ein endothermischer Prozeß; bei der Spaltung +der Kohlensäure wird Energie (in Form von Sonnenlicht) verbraucht. +Der Atmungsvorgang ist dagegen ein exothermischer Prozeß, bei welchem +Energie frei wird. Diese freiwerdende Energie wird von der Pflanze +verbraucht, um ihre sämtlichen +Bewegungen+ zu bestreiten, nämlich die +Wachstumsbewegungen, das Aufrichten und Strecken, das Entrollen der +Blätter aus den Knospen usw. Bewegungen erzeugen wir ja auch in den +Maschinen durch freiwerdende Energie, z. B. in der Dampfmaschine durch +die freiwerdende Wärme der brennenden Kohlen. Diese Wärme ist, nebenbei +bemerkt, nichts anderes als die Energie des Sonnenlichts, welche in +der Karbonzeit in den Blättern der Steinkohlenbäume die Kohlensäure +in Kohlenstoff und Sauerstoff gespalten hat. Indem wir die Kohle +verbrennen, gewinnen wir diese aufgestapelte Sonnenenergie als Wärme +wieder. + ++Der Kommerzienrat+: Wenn ich Sie also recht verstehe, so +atmet die Pflanze nur, um dadurch Verbrennungsenergie für ihre +Wachstumsbewegungen zu gewinnen? + ++Der Professor+: Daß sie +nur+ deshalb atmet, wäre wohl zu viel gesagt. +Denn die Atmung wird, wie bei den Tieren, wohl auch die Reinigung des +Körpers durch Oxydation unbrauchbarer Stoffe bewirken. + ++Der Kommerzienrat+: Nach allem, was Sie soeben gesagt haben, könnte +man wohl auch von einem +Kreislauf der Wärme+ sprechen? Denn die Wärme, +welche bei der Verbrennung der Kohlen an die Natur zurückgegeben wird, +ist doch nichts anderes als die Sonnenenergie, welche ehemals die +Kohlensäure in Kohlenstoff und Sauerstoff spaltete? + ++Der Professor+: So ist es allerdings; aber die Bezeichnung +„+Kreislauf+“ können wir für diesen Weg der Wärme doch nicht gut +anwenden, weil diese Wärme nicht wieder an ihren ursprünglichen Platz +(die Sonne) zurückgelangt. Nach dem bisherigen Stand unseres Wissens +ist es ganz unmöglich, daß die Wärme von einem kälteren auf einen +wärmeren Körper übertragen wird. Diese Tatsache ist deshalb wichtig, +weil die Umwandlung der Wärme in die Energie der Bewegung nach unseren +Erfahrungen nur bei ihrem Übertritt von einem Körper auf einen anderen +möglich ist. Also haben alle Bewegungen, welche wir überhaupt kennen, +ihren letzten Ursprung darin, daß Wärme (und zwar verwandelte oder +aufgespeicherte Sonnenwärme) von einem wärmeren auf einen kälteren +Körper übergetreten ist. + ++Der Kommerzienrat+: Meinen Sie damit auch z. B. die Bewegung eines +Wasserrades im Fluß? + ++Der Professor+: Ja. Das Wasserrad kann nur so lange getrieben werden, +als das Wasser bergab läuft. Das Wasser läuft aber nur so lange bergab, +als es durch Regengüsse aus den Wolken auf die Gipfel der Berge +befördert wird. Es ist die Sonnenwärme, welche das zu Tal geflossene +Wasser immer wieder in Dampf- und Dunstform auf Wolkenhöhen erhebt. Sie +ist es also letzten Endes, welche das Wasserrad treibt. + ++Der Kommerzienrat+: Wie ist es aber mit der Bewegung eines +Elektromotors, in den ich elektrischen Strom sende? Das hat doch gewiß +nichts mit der Sonnenwärme zu tun? + ++Der Professor+: Doch insofern, als Sie Elektrizität auf keine +andere Weise erzeugen können als durch Umwandlung aus Sonnenwärme: +denn Sie müssen die Dynamo entweder mit Wasserkraft betreiben, deren +Zusammenhang mit der Sonnenwärme wir soeben dargelegt haben; oder Sie +verwenden Dampfmaschinen oder Gasmotoren, deren Energie aus der Kohle +stammt, also wieder indirekt aus der Sonne. -- Alle Energie stammt von +der Sonne und ist in ihrer Entstehung an die Bedingung gebunden, daß +die Sonne ihre Wärme an einen kälteren Körper abgibt; denn nur bei +diesem Übergang können Umwandlungen in andere Energieformen erfolgen. + ++Der Kommerzienrat+: Dann müßte also die Welt einmal zum Stillstand +kommen, wenn alle Körper ihre Temperatur gegenseitig ausgeglichen +haben, weil dann keine Wärme mehr von einem wärmeren auf einen kälteren +Körper übertreten könnte. Widerspricht dies nicht dem Gesetz der +Erhaltung der Energie? Denn die Wärme ist dann doch in der Welt noch +vorhanden, nur ist sie nicht mehr in Arbeit umwandelbar. + ++Der Professor+: Der Streit über diese Frage (des Physikers ++Boltzmann+), ob die Welt am „Wärmetod“ zugrunde gehen wird oder nicht, +ist auch unter den Gelehrten noch nicht entschieden. Für uns ist sie +deshalb nicht gerade aktuell, weil der Sonnenball ein so ungeheures +Reservoir von Energie darstellt, daß das Menschengeschlecht keine +„Energieteuerung“ erleben wird. + + + + +12. Das periodische System der Elemente. + +(Ein Gespräch zwischen einem Chemiker und einem Studenten.) + + ++Der Chemiker+: Sie möchten also gern von mir wissen, ob und wie die +chemischen Eigenschaften der Elemente mit ihren +Atomgewichten+ (vgl. +das 4. Kapitel) zusammenhängen. + ++Der Student+: Ja, denn ich bilde mir ein, diesem Zusammenhang bereits +auf die Spur gekommen zu sein. Ich glaube entdeckt zu haben, daß die +chemischen Elemente um so +metallischere+ Eigenschaften haben, je +größer ihr Atomgewicht ist. + ++Der Chemiker+: Diese Entdeckung läßt sich freilich bestreiten. Ich +führe Ihnen zum Beleg meines Widerspruchs drei nichtmetallische +und drei ausgesprochen metallische Elemente an, deren Atomgewichte +das Gegenteil beweisen könnten: die Metalle Lithium, Natrium und +Magnesium haben die (abgerundeten) Atomgewichte 7, 23 und 24; die +nichtmetallischen Elemente Phosphor, Schwefel und Brom haben die viel +höheren Atomgewichte 31, 32 und 80!? + ++Der Student+: Meine Vermutung gründete sich darauf, daß die +Mehrzahl der hohen Atomgewichte doch unzweifelhaft zu metallischen +Elementen gehört, während die Mehrzahl der niederen Atomgewichte den +nichtmetallischen Elementen eigen ist. + ++Der Chemiker+: In dieser unbestimmten Form ausgesprochen, ist Ihre +Ansicht zweifellos richtig und enthält ein Naturgesetz. Nur, sobald +Sie dieses Gesetz genau beschreiben wollen, so daß es ohne Ausnahme +gelten soll --: da entschlüpft es Ihnen unter den Händen und läßt sich +nicht fassen. Dies ist in einer sehr merkwürdigen Tatsache begründet, +welche zuerst im Jahr 1865 von John A. B. Newlands erkannt wurde. +Er ordnete die chemischen Elemente nach der Größe der Atomgewichte +in eine fortlaufende Reihe derart, daß die Reihe mit dem kleinsten +Atomgewicht begann und mit dem größten endigte. Er fand nun, daß zwar +die benachbarten Elemente keine besonders deutliche Ähnlichkeit in +ihren Eigenschaften zeigten, daß aber diese Ähnlichkeit ganz auffallend +bemerkbar wurde, wenn man sieben Elemente übersprang. Also das +achte+ +war dem +ersten+, das +neunte+ dem +zweiten+, das +zehnte+ dem dritten +Element ähnlich usw., und diese Ähnlichkeit wiederholte sich beim +fünfzehnten Element mit dem ersten und achten, beim sechzehnten mit dem +zweiten und neunten, usf. -- Newlands nannte seine Entdeckung deshalb +das +Gesetz der Oktaven+. Damit Sie sich von der Richtigkeit überzeugen +können, schreibe ich Ihnen den Anfang der Oktavenreihe hier und setze +über den Namen jedes Elements sein Atomgewicht: + + 7 9 11 12 14 16 19 + Lithium Beryllium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor + + 23 24 27 28 31 32 35,4 + Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor + + 39 40 44 48 51 52 55 + Kalium Kalzium Skandium Titan Vanadin Chrom Mangan + +Außerdem habe ich in jede Zeile nur sieben Elemente geschrieben +und die drei Zeilen so untereinander gesetzt, daß die ähnlichen +Elemente untereinander zu stehen kommen. Ich weiß nicht, ob Ihnen die +Ähnlichkeit dieser untereinanderstehenden Elemente überall überzeugend +klar ist. + ++Der Student+: Ich könnte dies eigentlich nur von den drei Elementen +sagen, welche ganz links stehen. Sie sind mir als +Alkalimetalle+ +wohlbekannt. + ++Der Chemiker+: Um die Ähnlichkeit zu erkennen, bedarf es nur eines +kleinen Fingerzeigs: Sie müssen auf die +Wertigkeit+ achten (vgl. das +4. Kapitel). Die Elemente der ersten Gruppe (von links) sind Ihnen +zweifellos als +einwertig+ bekannt: jedes Atom von ihnen vermag in +einer Säure nur +ein+ Atom Wasserstoff zu ersetzen. Wenn Sie nun auch +nur wenig mit den Eigenschaften der übrigen Elemente vertraut sind, +so werden Sie leicht erkennen, daß die Elemente der zweiten Gruppe +(von links) sämtlich zweiwertig, die der dritten Gruppe dreiwertig, +der vierten vierwertig sind. Die Elemente der drei letzten Gruppen +treten, wie Ihnen bekannt sein wird, in verschiedenen Wertigkeiten +auf. Untersucht man aber ihre +beständigsten+ Verbindungen, so findet +man eine sehr auffallende Tatsache: in ihnen sind die Elemente der +fünften Gruppe entweder fünfwertig oder dreiwertig, die der sechsten +Gruppe entweder sechswertig oder zweiwertig, die der siebenten entweder +sieben- oder einwertig. + ++Der Student+: Dies ist ganz unbegreiflich wunderbar, da wir doch bei +der Zusammenstellung der Oktaven nur von den Atomgewichten ausgegangen +sind und auf die Wertigkeit gar keine Rücksicht genommen haben. + ++Der Chemiker+: Beachten Sie auch, daß die Wertigkeit nicht nur von +links über die Mitte nach rechts stetig und gleichmäßig ansteigt, +sondern auch von rechts nach links, allerdings nur bis zur Mitte. + ++Der Student+: Es ist gerade so, als ob die Natur zwischen links und +rechts keinen Unterschied gelten lassen wollte. + ++Der Chemiker+: Dieser Eindruck wird noch durch die Tatsache verstärkt, +daß die Elemente der +vierten+ Gruppe ganz überwiegend, in ihren +meisten Verbindungen, +vierwertig+ sind. Die vierte Gruppe ist als +Mittelgruppe sowohl von links als auch von rechts aus die vierte, +wodurch sich dieses Überwiegen der Vierwertigkeit sehr interessant +erklärt. + ++Der Student+: Bezieht sich die Ähnlichkeit der Elemente jeder solchen +Gruppe auch noch auf andere Eigenschaften als die Wertigkeit? + ++Der Chemiker+: Selbstverständlich! Sie umfaßt alle Eigenschaften, und +zwar nicht bloß der Elemente selbst, sondern auch ihrer Verbindungen. +Also: die Elemente der ersten Gruppe sind einander nicht bloß +darin ähnlich, daß sie leichte Metalle sind, welche das Wasser bei +gewöhnlicher Temperatur zersetzen, sondern auch ihre Verbindungen (z. +B. mit Chlor) haben eine unverkennbare Ähnlichkeit in Aussehen und +Kristallform, Wasserlöslichkeit, Schmelzpunkt usw. + ++Der Student+: Gilt nun dieses Newlandssche Gesetz der Oktaven auch für +alle übrigen Elemente, die Sie oben nicht angeschrieben haben? + ++Der Chemiker+: Es gilt für alle Elemente; aber es hat vieler +Untersuchungen bedurft, um dies klar zu erkennen. Es war das Verdienst +des russischen Chemieprofessors Mendelejeff (von der Universität St. +Petersburg) und des Deutschen Lothar Meyer, hier einige Klarheit +geschaffen zu haben. Die Schwierigkeiten beginnen nämlich gerade da, +wo unsere dritte Periode endigt, also hinter dem Element +Mangan+. +Dieses und das vorhergehende +Chrom+ gleichen den beiden übergeordneten +Elementen ihrer Gruppen bei weitem nicht in dem Grade, wie man erwarten +sollte, wenn auch in der Wertigkeit und in den sauerstoffreichsten +Oxyden eine unverkennbare Ähnlichkeit besteht. Verlängert man aber +die dritte Periode von 7 auf 17 Elemente, so zeigt sich sowohl in den +Eigenschaften der ersten als auch der letzten Glieder dieser 17teiligen +Periode eine geradezu verblüffende Ähnlichkeit mit den Gliedern der +beiden kurzen Perioden. Diese „große“ Periode heißt also (unter +Verwendung der Abkürzungszeichen für die Namen der Elemente): + + ~K~ ~Ca~ ~Sc~ ~Ti~ ~V~ ~Cr~ ~Mn~ ~Fe~ ~Co~ + ~Ni~ ~Cu~ ~Zn~ ~Ga~ ~Ge~ ~As~ ~Se~ ~Br~. + ++Der Student+: Aber 17 Elemente können doch nicht mit 7 zur +Deckung gebracht werden? Wie kann man in dieser Anordnung von +korrespondierenden Eigenschaften sprechen? + ++Der Chemiker+: Die kurzen, siebengliedrigen Perioden stimmen in ihren +Eigenschaften sowohl mit den sieben ersten als auch mit den sieben +letzten Elementen dieser langen Periode überein. Die lange Periode +zerfällt also sozusagen in zwei kurze und ein Mittelstück, das aus den +drei Elementen Eisen, Nickel und Kobalt besteht. + ++Der Student+: Wenn ich mir diese kurzen Perioden betrachte, die Sie +aus der langen herausschneiden, so finde ich, daß ihre Elemente mit den +beiden ersten kurzen Perioden nur teilweise übereinstimmen wollen. Die +vordere Hälfte, ~K~–~Mn~, stimmt nur in ihren drei ersten, die hintere +mit den Elementen ~Cu~–~Br~ nur in ihren drei letzten Elementen gut mit +den beiden kurzen Perioden zusammen. Dagegen scheint mir das Ende der +~K~–~Mn~-Periode und der Anfang der ~Cu~–~Br~-Periode nicht so gut zu +passen: denn ~Mn~ müßte doch ein Halogen sein, wie ~Cl~ und ~Br~, und +~Cu~ müßte ein Alkalimetall sein, wie ~Li~, ~Na~ und ~K~. + ++Der Chemiker+: Sie haben ganz recht, die Übereinstimmung dieser +Elemente mit den Halogenen bzw. Alkalimetallen läßt zu wünschen übrig. +Immerhin wollen Sie bedenken, daß das +Kupfer+ im einwertigen Zustand +Salze bildet, welche im Aussehen und Verhalten den Alkalimetallsalzen +nicht unähnlich sind: so ist das Kupferchlorür, ~CuCl~, +weiß+ +und nähert sich damit einigermaßen dem Chlornatrium, ~NaCl~, und +Chlorkalium, ~KCl~. Denn die zweiwertigen Kupfersalze sind doch alle +blau oder grün. Andrerseits bildet das +Mangan+ mit viel Sauerstoff +ein flüssiges, leicht verdampfendes Oxyd ~Mn~_{2}~O~_{7}, welches +den entsprechenden Oxyden des Chlors und Broms nicht unähnlich ist. +Wenn Sie nun überhaupt die Wertigkeit der Elemente durch die ganze +17gliedrige Periode verfolgen, so können Sie an der Berechtigung dieser +Unterteilung nicht wohl mehr zweifeln. + ++Der Student+: Gibt es denn noch mehr große Perioden? + ++Der Chemiker+: Ja; mindestens noch +eine+ mit den folgenden Elementen: +~Rb~ ~Sr~ ~Y~ ~Zr~ ~Nb~ ~Mo~ -- ~Ru~ ~Rh~ ~Pd~ ~Ag~ ~Cd~ ~In~ ~Sn~ ~Sb~ +~Te~ ~J~. Sie sehen: in dieser Periode ist +ein+ Element, zwischen +Molybdän und Ruthenium, noch nicht entdeckt. Es müßte dem Mangan der +ersten großen Periode entsprechen. + ++Der Student+: Offenbar gilt für diese zweite große Periode dasselbe +wie für die erste: das dreigliederige Mittelstück ~Ru~, ~Rh~, ~Pd~ muß +ausgeschaltet werden; die beiden Reste sind kleine Perioden, welche +wiederum nur in den drei ersten bzw. den drei letzten Gliedern gut mit +den eigentlichen kleinen Perioden zusammenstimmen. + ++Der Chemiker+: Ja; aber beachten Sie die gute Übereinstimmung in ++allen+ Gliedern der beiden großen Perioden. Auch die Mittelstücke +Eisen, Nickel, Kobalt und Ruthenium, Rhodium, Palladium stimmen doch +auffallend gut überein. -- Ich will Ihnen nun das ganze „periodische +System“ mit allen Atomgewichten anschreiben (nach B. Brauner): + + --------+------+------+------+------+-------+------+------+------+-------------- + |Gruppe|Gruppe|Gruppe|Gruppe|Gruppe |Gruppe|Gruppe|Gruppe| Gruppe + | 0 | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII + --------+------+------+------+------+-------+------+------+------+-------------- + Reihe 1 | | 1 | | | | | | | + | | H | | | | | | | + --------+------+------+------+------+-------+------+------+------+-------------- + Reihe 2 | | 7 | 9 | 11 | 12 | 14 | 16 | 19 | + | | Li | Be | B | C | N | O | F | + --------+------+------+------+------+-------+------+------+------+-------------- + Reihe 3 | | 23 | 24 | 27 | 28 | 31 | 32 | 35,5| + | | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | + --------+------+------+------+------+-------+------+------+------+-------------- + Reihe 4 | | 39 | 40 | 44 | 48 | 51 | 52 | 55 |56 58,97 58,63 + | | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe Co Ni + --------+------+------+------+------+-------+------+------+------+-------------- + Reihe 5 | | 63 | 65 | 70 | 72 | 75 | 79 | 80 | + | | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | + --------+------+------+------+------+-------+------+------+------+-------------- + Reihe 6 | | 85 | 87 | 89 | 90 | 94 | 96 |100 | 102 103 106 + | | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | ? | Ru Rh Pd + --------+------+------+------+------+-------+------+------+------+-------------- + Reihe 7 | | 108 | 112 | 114 | 119 | 120 | 127,5|126,92| + | | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | J | + --------+------+------+------+------+-------+------+------+------+-------------- + Reihe 8 | |133 |137 |138 |140–178| 182 |184 | 190 | 191 193 195 + | | Cs | Ba | La |Ce usw.| Ta |W | ? | Os Ir Pt + --------+------+------+------+------+-------+------+------+------+-------------- + Reihe 9 | | 197 | 200 | 204 | 207 | 209 | 212 | 214 | + | | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | ? | ? | + --------+------+------+------+------+-------+------+------+------+-------------- + Reihe 10| |220 |225? |230 |233 |235 |239 | | + | | ? |Ra | ? |Th | ? | U | | + --------+------+------+------+------+-------+------+------+------+-------------- + ++Der Student+: Das soll also nun bedeuten, daß die untereinander +stehenden Elemente in jeder Gruppe einander chemisch verwandt sind und +diejenige Wertigkeit besitzen, welche der Gruppenzahl entspricht? + ++Der Chemiker+: So ist es. Bei genauerem Zusehen werden Sie erkennen, +daß ich die Elemente der Gruppen I–VII nicht genau untereinander +geschrieben habe, sondern abwechselnd etwas nach links und nach rechts +gerückt habe. Die links untereinanderstehenden bilden die sogenannte ++Hauptgruppe+, die nach rechts ausgerückten faßt man als „Nebengruppe“ +zusammen. + ++Der Student+: Aber ist das nicht eine rein willkürliche Maßregel? + ++Der Chemiker+: Nicht so ganz. Denn obwohl dieses Ausrücken nach links +und rechts mit mathematischer Strenge genau abwechselnd erfolgte, +ist es offenbar kein Zufall, daß jede dieser beiden Teilgruppen eine +unverkennbare Verwandtschaftsgruppe bildet. In der I. Hauptgruppe +stehen z. B. nur Alkalimetalle, in der II. Hauptgruppe nur alkalische +Erdmetalle, in der VII. Nebengruppe nur Halogene. Dagegen umfaßt die +erste Nebengruppe die unter sich ähnlichen Schwermetalle ~Cu~, ~Ag~, +~Au~, welche zu den Elementen der Hauptgruppe eine viel geringere +Ähnlichkeit haben als zueinander. Dieselbe Erscheinung wiederholt sich +in jeder der sieben ersten Gruppen. + ++Der Student+: Ich verstehe! Diese Anordnung trägt also auch den +Unstimmigkeiten Rechnung, welchen wir oben bei der Zerschneidung der +großen Perioden begegneten: das Mangan, als Element der siebenten +Hauptgruppe, braucht den Elementen der siebenten Nebengruppe nicht +völlig zu gleichen. Außerdem sehe ich, daß die mittleren drei Elemente +der großen Perioden dadurch ganz von selbst in eine achte Gruppe nach +rechts hinaus gedrängt werden. Stimmen diese Elemente denn in ihren +Eigenschaften so zusammen, daß sie mit Recht in eine Gruppe vereinigt +werden dürfen? + ++Der Chemiker+: Ohne Zweifel. Die Elemente Eisen, Nickel, Kobalt und +die sechs Platinmetalle haben sowohl in ihren metallischen als auch +in ihren chemischen Eigenschaften eine unverkennbare Verwandtschaft. +Die Platinmetalle finden sich z. B. in der Natur fast stets mit Eisen +legiert, in den Meteoriten sind Eisen, Nickel und Kobalt miteinander +vergesellschaftet. Ganz besonders zeigt sich die Verwandtschaft +dieser Metalle der achten Gruppe miteinander in ihrer großen Neigung +zur Bildung sogenannter komplexer Salze, in welchen um ein zentrales +Metallatom 6 Atomgruppen gelagert sind. Auch die +Farben+ ihrer +einfachen Salze, die meist grün, braun oder weinrot sind, zeigen eine +große Ähnlichkeit. Endlich ist die Zuteilung dieser Metalle zur achten +Gruppe dadurch gerechtfertigt, daß sie wohl die einzigen Elemente +sind, bei welchen zweifellos die Achtwertigkeit beobachtet wurde: so im +Osmiumtetroxyd ~OsO₄~. + ++Der Student+: Die Existenz einer solchen achten Gruppe stört aber das +Wertigkeits-Gleichgewicht unseres Systems, denn nun ist die vierte +Gruppe nicht mehr die Mitte. + ++Der Chemiker+: Dieser schwerwiegende Einwand wurde durch die +Entdeckung der sogenannten +Edelgase+ entkräftet. Dies sind die +Elemente mit den Atomgewichten: Helium 4, Neon 20, Argon 40, Krypton +82, Xenon 128. Da sie sich absolut gar nicht mit anderen Elementen +verbinden lassen, so besitzen sie offenbar gar keine Wertigkeit: sie +sind +nullwertig+ und müssen, wenn sie überhaupt dem periodischen +System zugeteilt werden sollen, eine +nullte+ Gruppe bilden. Diese +stellt dann das durch die achte Gruppe gestörte Gleichgewicht wieder +her. + ++Der Student+: Sollte man denn nicht erwarten dürfen, daß auch die +Elemente der achten Gruppe als nullwertig im Sinne der Symmetrie +auftreten? + ++Der Chemiker+: Sie entsprechen auch dieser Anforderung insofern, als +sie -- wenigstens die Platinmetalle -- +edle+ Eigenschaften haben, also +eine gewisse Neigung, blank und unverbunden zu bleiben. + ++Der Student+: Das ist in der Tat sehr merkwürdig. -- Gibt es noch +weitere gesetzmäßige Beziehungen zwischen den chemischen Elementen, +welche ihren Ausdruck im periodischen System finden? + ++Der Chemiker+: O, eine ganze Menge. Zunächst haben Sie wohl selbst +schon beobachtet, daß innerhalb jeder Gruppe sich die Eigenschaften +der Elemente mit den steigenden Atomgewichten beträchtlich ändern. Das +spezifische Gewicht, der Glanz und überhaupt der metallische Charakter +nimmt zu, die Farben werden dunkler. Betrachten Sie z. B. die Elemente +der siebenten Gruppe +Fluor+, +Chlor+, +Brom+ und +Jod+. Ich stelle +hier in einer Tabelle ihre wichtigsten Eigenschaften zusammen: + + ===================+================+=========+========+============== + | +Fluor+ | +Chlor+ | +Brom+ | +Jod+ + -------------------+----------------+---------+--------+-------------- + Farbe |schwach gelbgrün|gelbgrün |braunrot|schwarzviolett + -------------------+----------------+---------+--------+-------------- + Spez. Gewicht | 1,108 | 1,33 | 3,18 | 4,97 + (fest oder flüssig)| | | | + -------------------+----------------+---------+--------+-------------- + Schmelzpunkt | -233 ° |-102 ° | -7 ° | +113 ° + -------------------+----------------+---------+--------+-------------- + Siedepunkt | -187 ° | -33 ° | +63 ° | +200 ° + -------------------+----------------+---------+--------+-------------- + Atomgewicht | 18,91 | 35,18 | 79,36 | 126,01 + +Sie sehen, wie alle Eigenschaften sich im gleichen Sinne verändern wie +das Atomgewicht. + ++Der Student+: Das ist so merkwürdig, daß man fast versucht wäre zu +prüfen, ob die Abstufung dieser Zahlen nach einem mathematischen Gesetz +erfolgt. + ++Der Chemiker+: Sie haben einen guten Spürsinn, denn ein solches Gesetz +besteht in der Tat. Wenn Sie die Atomgewichte der drei Elemente Chlor, +Brom und Jod betrachten, so erkennen Sie leicht, daß das Atomgewicht +des Broms das arithmetische Mittel zwischen den beiden andern ist: + + Chlor = 35,18 + Jod = 126,01 + -------- + Summe = 161,19 : 2 = 80,59 (statt 79,36). + +Die Rechnung stimmt nicht +ganz+ genau, aber doch sehr angenähert. +Dieselbe Gesetzmäßigkeit gilt mit etwa gleicher Genauigkeit für +die spezifischen Gewichte und die Schmelzpunkte und sogar für die +Wasserlöslichkeit der Metallverbindungen. + ++Der Student+: Wer hat dieses merkwürdige Gesetz entdeckt? + ++Der Chemiker+: Es rührt von dem deutschen Chemiker Döbereiner, der es +als „Gesetz der Triaden“ bezeichnet hat. Denn selbstverständlich können +daran stets nur drei Elemente beteiligt sein. Sie können sich daher +leicht überzeugen, daß das vierte Halogen, das Fluor, im Atomgewicht +und in den übrigen Eigenschaften einen geradezu sprunghaften Abstand +von unserer Triade hält. + ++Der Student+: Gibt es noch andere solche Triaden? + ++Der Chemiker+: Fast in jeder Gruppe ist eine enthalten. + +Die wichtigsten sind wohl: Argon, Krypton, Xenon; Kalium, Rubidium, +Zäsium; Kalzium, Strontium, Baryum; Aluminium, Gallium, Indium; +Silizium, Germanium, Zinn; Phosphor, Arsen, Antimon; Schwefel, Selen, +Tellur. + ++Der Student+: Was sagt nun das periodische System der Elemente über +den Unterschied zwischen Metallen und Nichtmetallen? + ++Der Chemiker+: Ziehen Sie von der linken oberen Ecke bis zur rechten +unteren einen Diagonalstrich durch das System, dann befinden sich +oberhalb des Striches die Metalloide, unterhalb die Metalle. + ++Der Student+: Das ist allerdings eine verblüffend klare Antwort auf +unsere Frage. Aber welche Stellung nehmen diejenigen Elemente dazu, +welche von diesem Strich geschnitten werden oder ganz nahe bei ihm +stehen? Vermutlich bilden sie Übergänge in ihren Eigenschaften zwischen +Metallen und Metalloiden? + ++Der Chemiker+: Sie meinen also Elemente, wie das Arsen, Antimon, +Molybdän, Wolfram, Tellur. Diese zeigen zugleich metallische und +nichtmetallische Eigenschaften in sich vereinigt. Als Metalle lösen +sie sich in Säuren meistens unter Wasserstoffentwicklung auf und gehen +in kristallisierende Salze über. Als Nichtmetalle bilden sie durch +die Vereinigung ihrer Oxyde mit Wasser Säuren, welche ihrerseits mit +Basen Salze bilden können. So gibt es z. B. einerseits +schwefelsaures +Antimon+, andrerseits +antimonsaures Kalium+. Je höher ein Element über +dem Diagonalstrich steht, um so mehr überwiegen seine säurebildenden +Eigenschaften über die metallischen (basenbildenden). Wenn Sie das +System allerdings sehr aufmerksam betrachten, kann Ihnen eine gewisse +Ungleichförmigkeit in dieser Beziehung nicht entgehen. + ++Der Student+: Sie meinen wahrscheinlich das ungleiche Verhalten von +Haupt- und Nebengruppen in bezug auf diesen Unterschied zwischen +Metall- und Nichtmetallcharakter? + ++Der Chemiker+: Allerdings. Links von der Mitte des Systems enthalten +die Nebengruppen viel schwerere, glänzendere, „metallischere“ Metalle +als die Hauptgruppen; rechts von der Mitte ist es umgekehrt. Betrachten +Sie nur die V., VI. und VII. Gruppe: da stehen die drei ausgesprochen +metallischen Elemente Vanadin, Chrom und Mangan zwischen ebenso +ausgesprochen nichtmetallische eingekeilt: zwischen Phosphor und Arsen, +Schwefel und Selen, Chlor und Brom. Der metallische Charakter eilt also +in der Nebengruppe dem in der Hauptgruppe voraus. + ++Der Student+: In dem, was Sie da sagen, scheint mir ein gewisser +Widerspruch zu liegen, wenn ich es auf die erste Gruppe anwende. Was +soll da das eigentliche Kennzeichen des Metallischen sein? -- Ist es +Glanz und Dichte, so ist die Nebengruppe (Kupfer, Silber, Gold) die +metallischere. Ist es aber die Neigung zur Basenbildung, so muß die +Hauptgruppe (Kalium, Rubidium, Zäsium) als die metallischere gelten, +weil ihre Oxyde nicht bloß die stärksten Basen, sondern schlechthin ++nur+ Basen sind. Dagegen bildet das Gold doch bereits ein saures Oxyd. +Also, was soll nun gelten? + ++Der Chemiker+: Sie haben ganz recht. Hier liegt ein offenkundiger +Widerspruch verborgen. Die chemische und die physikalische Definition +des Begriffs „metallisch“ decken sich zwar häufig, aber nicht +immer, und hier handelt es sich um einen Fall, in dem sie merklich +auseinandergehen. + ++Der Student+: Gibt es auch innerhalb der wagrechten Reihen solche oder +ähnliche Gesetzmäßigkeiten, wie wir sie in den senkrechten Gruppen +festgestellt haben? + ++Der Chemiker+: Allerdings. Beobachten Sie nur z. B. die Unterschiede +der Atomgewichte zweier benachbarter Elemente in den Reihen 2 und 3: + + Reihe 2: 2--2--1--2--2--3, + Reihe 3: 1--3--1--3--1--3,5. + ++Der Student+: Das sind allerdings sehr regelmäßige Sprünge, aber mir +scheint, sie sind doch nicht ganz symmetrisch verteilt: sonst müßte +am Anfang der beiden Reihen noch eine Differenz von derselben Größe +stehen, wie am Schluß? + ++Der Chemiker+: Sie haben sehr richtig beobachtet; aber diese Forderung +ist inzwischen durch die Entdeckung der Edelgase bereits erfüllt +worden. In der nullten Gruppe steht nämlich am Anfang der Reihe 2 das +Helium mit dem Atomgewicht 4; die Differenz zum benachbarten Lithium +beträgt also 3, wie es die Theorie fordert. Am Anfang der Reihe 3 steht +aber das Neon mit dem Atomgewicht 20, seine Differenz zum benachbarten +Natrium beträgt 3. + ++Der Student+: Entspricht dieser auffallenden Gesetzmäßigkeit auch eine +solche in den physikalischen oder chemischen Eigenschaften? + ++Der Chemiker+: Sie wollen also wissen, ob bestimmte physikalische oder +chemische Eigenschaften der Elemente einer wagrechten Reihe gegen die +Mitte ab- oder zunehmen? -- In bezug auf die +Wertigkeit+ der Elemente +konnten wir diese Frage schon insofern bejahen, als wir gesehen +haben, daß die Wertigkeit gegenüber dem Wasserstoff für alle Elemente +der zweiten Reihe von beiden Seiten her gegen die Mitte anwächst +bis zum Höchstwert der Vierwertigkeit. Dasselbe gilt aber auch für +physikalische Eigenschaften, z. B. für die spezifischen Gewichte, wie +folgende Vergleichung zeigt: + + Reihe 3: ~Na~ ~Mg~ ~Al~ ~Si~ ~P~ ~S~ ~Cl~ + spez. Gewicht: 0,97 1,7 2,5 2,5 2,0 1,9 1,3 + +Diese dritte Reihe ist, wie wir wissen, eine vollständige Periode. +Für die vierte und fünfte Reihe gilt das Gesetz scheinbar nicht, da +in der vierten Reihe die spezifischen Gewichte von links nach rechts +fortwährend zunehmen, in der fünften aber ebenso gleichmäßig abnehmen. +Der Grund ist, daß die vierte und fünfte Reihe zusammen eine große +Periode bilden, für welche das Gesetz des Anwachsens der spezifischen +Gewichte bis zur Mitte genau so gilt, wie für die kleinen Perioden: + + ~K~ ~Ca~ ~Sc~ ~Ti~ ~V~ ~Cr~ ~Mn~ ~Fe~ ~Co~ + 0,86 1,6 3,8 ? 5,5 6,8 7,2 7,9 8,5 + + + ~Ni~ ~Cu~ ~Zn~ ~Ga~ ~Ge~ ~As~ ~Se~ ~Br~ + 8,8 8,8 7,1 5,9 5,5 5,6 4,6 2,9 + ++Der Student+: Sie haben in unserer Tabelle des periodischen Systems +an einigen Stellen Fragezeichen statt der Symbole von Elementen +angebracht, weil die betreffenden Elemente offenbar noch nicht bekannt +sind. Aber wenn ich die Fülle von Gesetzmäßigkeiten bedenke, welche +wir bis jetzt am periodischen System erkannt haben, so sollte ich doch +meinen, daß man damit die Eigenschaften dieser Elemente ziemlich gut +voraussagen könnte. + ++Der Chemiker+: Dies ist auch möglich, und zwar mit um so größerer +Sicherheit, je vollständiger die Umgebung des unbekannten Elements +bekannt ist. +Mendelejeff+ hat auf diese Weise die wichtigsten +Eigenschaften der drei Elemente +Skandium+, +Germanium+ und +Gallium+ +vor ihrer Entdeckung vorausgesagt, und es war geradezu verblüffend, +wie genau die meisten seiner Angaben mit den späteren Beobachtungen +übereinstimmten. Er hatte für das noch unentdeckte Skandium den Namen +Ekabor, für das Gallium Ekaaluminium, für das Germanium Ekasilizium +gewählt. Seine so überraschend eingetroffenen Prophezeiungen +beschränkten sich durchaus nicht bloß auf die Eigenschaften der +Elemente selbst, sondern sie beschrieben auch diejenigen einiger +Verbindungen. + ++Der Student+: Wie konnte er diese Angaben so genau machen? + ++Der Chemiker+: Er leitete sie als arithmetisches Mittel aus denjenigen +vier Elementen ab, welche das zu bestimmende umgeben. Diese vier nannte +er die Atomanaloge. Für das Germanium (Mendelejeffs Ekasilizium) +waren es die vier Elemente Silizium, Zinn, Gallium und Arsen. Die +Atomgewichtsbestimmung erfolgte in diesem Fall also dadurch, daß er die +Atomgewichte dieser vier Elemente addierte und durch vier teilte: + + ~Si~ 28 + ~Sn~ 119 + ~Ga~ 70 + ~As~ 75 = 292 + 292 : 4 = 73. + +Das wirkliche Atomgewicht des Germaniums wurde als 72 bestimmt. + ++Der Student+: Sind nun solche kleinen Abweichungen der berechneten +und gefundenen Werte, wie wir sie auch an den Döbereinerschen +Triaden beobachtet haben, als Fehler in den Atomgewichtsbestimmungen +zu betrachten, oder kann man sagen, daß die Gesetze selbst nicht +mathematisch genau verlaufen? + ++Der Chemiker+: Noch vor 20 Jahren glaubte man allgemein, daß diese +Unstimmigkeiten auf Beobachtungsfehler, also auf ungenau bestimmte +Atomgewichte, zurückgeführt werden müßten. Jetzt ist diese Ansicht +endgültig als Irrtum erkannt. Die Atomgewichte der meisten Elemente +sind mit so außerordentlicher Zuverlässigkeit bestimmt, daß die +Ungenauigkeiten der Triaden unbedingt nicht auf Bestimmungsfehler +zurückgeführt werden können. Noch merkwürdiger sind aber einige andere +Ausnahmen. Das +Tellur+ müßte, da es in der sechsten Gruppe steht, ein +kleineres Atomgewicht haben als das in derselben Reihe folgende Element ++Jod+ der siebenten Gruppe. Das Atomgewicht des Tellurs ist aber 127,5, +das des Jods 126,92. Vertauscht können diese Elemente natürlich nicht +werden, denn ihre Zugehörigkeit zur sechsten bzw. siebenten Gruppe ist +über alle Zweifel erhaben. Also bleibt nur die Annahme möglich, daß die +Eigenschaften der Elemente zwar im großen und ganzen, aber doch nicht +im einzelnen als periodische Funktionen der Atomgewichte zu betrachten +sind. + ++Der Student+: Das ist ja ungemein merkwürdig! Sie sprachen davon, daß +es noch andere solche Fälle gäbe? + ++Der Chemiker+: Ja. Dasselbe gilt, wie Sie aus unserer Tabelle ersehen, +für das Paar Kobalt (58,97) -- Nickel (58,68) und für das Paar Argon +(39,6) -- Kalium (38,85), endlich für das in unserer Tabelle nicht +enthaltene Paar Neodym (143,6) -- Praseodym (140,5). Ja, selbst in +diesen Unstimmigkeiten offenbart sich eine Gesetzlichkeit: nicht +bloß darin, daß es stets Element-+Paare+ sind, sondern auch in ihrer +symmetrischen Verteilung im periodischen System; das Paar Argon -- +Kalium liegt am Ende der zweiten +kleinen+ Periode, das Paar Tellur -- +Jod am Ende der zweiten +großen+ Periode. Um fünf bis sechs Elemente +hinter jedem dieser beiden Paare folgen, gleichsam als Trabanten, die +beiden anderen Atompaare Kobalt -- Nickel und Neodym -- Praseodym. +Diese beiden sind noch überdies durch eine andere Eigenschaft in +korrespondierende Beziehungen zueinander gebracht; das erste Element +beider Paare bildet rote, das zweite grüne Salze. -- Doch alle diese +Unregelmäßigkeiten sind noch weit davon entfernt, erklärt oder auch nur +genauer erforscht zu sein. Dies bleibt eine Aufgabe der zukünftigen +Chemie. + +[Illustration] + + + + +Welt und Wissen-Bibliothek + + +Bis jetzt sind folgende Bände erschienen: + + =1. Illustrierte Himmelskunde= von +Felix Erber+. + + =2. Entdeckungsreisen am Nord- und Südpol= von ~Dr.~ +J. + Wiese+. + + =3. Das illustrierte Buch der Technik= von +Oskar Hoffmann+. + + =4. Luftschiffahrt und Flugtechnik= von +A. V. von + Frankenberg+ und +Ludwigsdorff+. + + =5. Asien, Land und Leute= von ~Dr.~ +Alfred Berg+. + + =6. Der Bau des menschlichen Körpers= von ~Dr.~ +G. + Zehden+. + + =7. Illustrierte Tierkunde= von ~Dr.~ +Heinz Welten+. + + =8. Illustriertes Buch der Chemie= von ~Dr.~ +Heinrich + Wiesenthal+. + + =9. Körper- und Schönheitspflege= von +Reinhold Gerling+. + + =10. Afrika, Land und Leute= von ~Dr.~ +Alfred Berg+. + + =11. Streifzüge im Reiche der Physik= von +L. Wunder+. + + =12. Bilder aus dem Leben der Pflanze= von ~Dr.~ +C. W. + Schmidt+. + +Jeder Band ist abgeschlossen und reich illustriert. + + + +*** END OF THE PROJECT GUTENBERG EBOOK 75670 *** |