Chemische Unterhaltungen

(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:

und die Mennige als eine Verkettung von drei Bleiatomen mit vier Sauerstoffatomen:

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 Wertigkeitstheorie, 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:

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!