Noch mehr Experimente mit Supermarktprodukten

Das Periodensystem als Wegweiser

Georg Schwedt

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2012
• ISBN:
  9783527661398
• Auflage: 2
• Thema: Ciencias físicas
• Thema: Química

Hollenstein und Borax! Das klingt ja wie ein Hexenspruch - hat Chemie etwa mit Zauberei zu tun? Wer wei? schon, welche Geheimnisse hinter Rote-Beete-Saft und pH-Indikator steckt? Georg Schwedt erklart es muhelos Lehrern, Schulern, Studienanfangern und allen anderen, die es wissen wollen.
Erstaunlich, wie viel einpragsamer das Lernen und Begreifen ist, wenn man mit Alltagsgegenstanden und Haushaltsmitteln spannende aber gefahrlose Experimente durchfuhren kann! Im Unterschied zu Georg Schwedts erfolgreichem, nunmehr in dritter Auflage vorliegenden Buch "Experimente mit Supermarktprodukten" sind die Versuche hier nicht anhand einer chemischen Warenkunde strukturiert, sondern orientieren sich an der Ordnung des Periodensystems der chemischen Elemente - vom Wasserstoff hin zu den Halogenen.
Mit handelsublichen Supermarktprodukten und ein paar gewohnlichen Reagenzien sind alle Versuche durchzufuhren. Die Rezepturen sind an das aktuelle Angebot der Supermarkte angepasst. Also, kann's doch gleich losgehen, oder?

Vorwort zur 1. Auflage

Im Jahre 2001 erschien mein Buch Experimente mit Supermarktprodukten. Eine chemische Warenkunde. Das darin vorgestellte neuartige Konzept, stoffliches Basiswissen in der Chemie durch Experimente fast ausschließlich unter Verwendung von Supermarktprodukten zu vermitteln, also mit einer Warenkunde zu verbinden, wurde 1999 mit einem Förderpreis des Stifterverbandes für die Deutsche Wissenschaft ausgezeichnet und wird seitdem in dem aus den Mitteln dieses Preises eingerichteten Clausthaler SuperLab – einem Schüler-Mitmachlabor – praktiziert.

Im vergangenen Jahr konnten zahlreiche neue, wiederum auf einfache Weise durchführbare Experimente entwickelt werden. Die qualitativen Experimente zur Erkennung von Stoffeigenschaften in Verbindung mit dem Vorkommen der ausgewählten Stoffe (Stoffgruppen) in Supermarktprodukten wurden durch klassische Titrationsverfahren erweitert.

Chemiker denken »stofflich« und systematisch – und orientieren sich auf diese Weise auch an Alltagsprodukten und ihren Inhaltsstoffen.

Chemiker beschäftigen sich mit den Eigenschaften ihrer stofflichen Umwelt und mit den zwischen verschiedenen Substanzen stattfindenden Umwandlungen.

Unter diesem Motto erfolgt im vorliegenden Buch im Unterschied zur chemischen Warenkunde eine Einteilung nach dem Periodensystem der chemischen Elemente.

Nicht alle Experimente sind neu, einige wurden (mit kleinen Änderungen versehen) aus dem oben genannten Buch entnommen, wenn sie als grundlegende Experimente zur Vervollständigung neuer Versuchsreihen zu einem bestimmten Element erforderlich schienen. Darüber hinaus wird in einem Anhang eine Zuordnung der Experimente aus dem ersten Buch zu den Kapiteln dieses Buches vorgenommen (soweit es sich in den früheren Experimenten um definierte Substanzen handelte).

In den Fällen, in denen zusätzlich zu den Supermarktprodukten Laborchemikalien erforderlich werden, ist in der Materialien-Übersicht das Stichwort Reagenzien zu finden. Die bewährte, im vorangegangenen Buch ausführlich beschriebene experimentelle Grundausstattung aus Schnappdeckelgläsern und Bechergläsern (in Verbindung mit einer Heizplatte) wurde weitgehend beibehalten.

Clausthal, im März 2003

Georg Schwedt

1

Eine kurze Geschichte des Periodischen Systems der Elemente

Das Periodische System der chemischen Elemente, kurz Periodensystem (PSE) genannt, ordnet die chemischen Elemente nach ihrem Atombau und ihren davon abhängigen chemischen und physikalischen Eigenschaften.

Der griechische Philosoph Demokrit von Abdera (um 460 bis 370 v. Chr.) entwickelte die von seinem Lehrer Leukipp von Milet begründete Lehre der antiken Atomistik. Er bezeichnete Atome als Grundbausteine der materiellen Welt. Seine philosophischen Gedanken, dass sich Atome (griechisch átomos = der letzte unteilbare Urstoff der Materie) nach Form, Größe und Schwere unterscheiden, haben ihre naturwissenschaftliche Erklärung erst im 19. und 20. Jahrhundert erhalten. Aus dem Zusammenspiel der Atome erklärte Demokrit auch die grundsätzlichen Eigenschaften der Dinge und deren Veränderungen – Begriffe, die wir heute chemisch durch Substanz oder Stoff für Dinge und chemische Reaktionen für Veränderungen ersetzen.

Eine naturwissenschaftlich orientierte Atomlehre entwickelte sich erst ab dem 17. und 18. Jahrhundert. Der Engländer Robert Boyle (1627–1691) stellte in seinem Werk The Sceptical Chemist (1661) seine Auffassung von der Existenz einer Urmaterie als Grundbaustein aller Körper vor und erklärte deren unterschiedliche Eigenschaften ähnlich wie Demokrit aus der ungleichen Größe, Gestalt, Bewegung und Lage der Teilchen. Mit dem Begriff »Teilchen« wurde aus der philosophischen Atomistik eine atomistische Korpuskulartheorie (lateinisch corpusculum = Körperchen; Korpuskel als kleinste Teilchen der Materie, Elementarteilchen). Boyle vertrat die Meinung, ein zusammengesetzter Körper, nach unserem Verständnis eine chemische Verbindung, könne nur zersetzt, d.h. zerlegt werden, wenn die Annäherung der kleinsten Teilchen untereinander (die chemische Bindung) durch einen zersetzenden Körper mit stärkerer Annäherungskraft überwunden würde. Er forderte zu einer Analyse, zur Zerlegung eines Stoffes in seine Grundbestandteile, die Elemente, auf und stellte damit die Elemente Feuer, Wasser, Luft und Erde des Aristoteles (384 –322 v. Chr.) und Salz, Schwefel und Quecksilber des Paracelsus (1493–1541) in Frage. 1680 wurde Boyle Präsident der Royal Society, der 1668 in London gegründeten ältesten Akademie der Wissenschaften.

Im 17. Jahrhundert wurde ein bis dahin unbekanntes Element entdeckt, der Phosphor (1669). Der Hamburger Alchemist und Chemikalienhändler Hennig Brand (gest. 1710) hatte auf der Suche nach Gold und nach dem Stein der Weisen beim Glühen des Rückstandes von Harn ein »kaltes« Leuchten beobachtet, hervorgerufen durch weißen Phosphor.

Im Altertum waren nur 9 Stoffe bekannt, die wir heute als Elemente bezeichnen: Kohlenstoff, Schwefel, Eisen, Zinn, Blei, Kupfer, Quecksilber, Silber und Gold. Bis 1600 kamen Arsen, Antimon, Wismut (Bismut) und Zink hinzu. Erst im 18. Jahrhundert wurden 17 weitere Elemente entdeckt, unter ihnen das Gas Sauerstoff (1774), womit auch Oxidationsvorgänge wie das Rosten von Eisen erklärt werden konnten. Der französische Chemiker Antoine Lavoisier (1743–1794), dessen Leben in der Zeit der französischen Revolution wegen seiner Tätigkeit als Steuereinnehmer unter dem Fallbeil endete, entwickelte eine Theorie der Oxidations- und Reduktionsvorgänge auf der Grundlage des Sauerstoffs und wurde zu einem Wegbereiter der wissenschaftlichen Chemie. In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden weitere 27 Elemente als solche erkannt oder in Mineralien entdeckt. Von den 92 natürlichen Elementen auf unserer Erde – mit Uran als Nr. 92 – waren 1844 erst 57 bekannt.

Hundert Jahre nach Robert Boyle, der zwischen den Elementen, die aus gleichen Teilchen aufgebaut sind, und den Verbindungen, die aus verschiedenen Elementen bestehen, unterschieden hatte, entwickelte John Dalton (1766–1844) »die Form der Atomtheorie, die drei Forschergenerationen als Grundlage diente«. Darüber schrieb der Chemiehistoriker Günther Kerstein (1904–1974; Rathsapotheker in Hameln) in seinem 1962 erschienenen Buch Entschleierung der Materie – vom Werden unserer chemischen Erkenntnis wie folgt:

»Dalton, der Sohn eines armen englischen Webers, war schon als Kind an den Naturwissenschaften interessiert. Bereits mit 15 Jahren bekam er von seinem Vetter eine Stellung als Lehrer in dessen Klosterschule. (…) Seine Atomtheorie fußt deutlich auf Newtons (1643–1727) Gravitationsprinzip. Er ist also durch physikalische Überlegungen dazu gekommen. (…) Dalton zog aus Newtons umwälzender Lehre die richtige Konsequenz, indem er die Materie als Anhäufung einer ungeheuren Zahl von äußerst kleinen Atomen ansah, die durch mehr oder weniger starke Anziehungskraft miteinander verbunden sind. Folgerichtig tat er den Schritt: Er postulierte die völlige Gleichheit aller Atome eines Grundstoffes und ihre Unzerstörbarkeit. Erst die Beobachtung der Radioaktivität und ihrer Gesetzmäßigkeiten widerlegte diese Anschauung, die zusammen mit Lavoisiers Satz der Unzerstörbarkeit der Elemente Grundlage der chemischen Forschung dieser Zeit war. Als wesentliches Charakteristikum der verschiedenen Atomarten führte Dalton ihr relatives Gewicht an. Jedem Element entspricht eine einzige, durch ihr Gewicht bestimmte Atomart. Die Verbindungen bestehen aus kleinsten Teilchen, die sich aus einer definierten Anzahl von Elementatomen zusammensetzen und infolgedessen auch ein festes Gewicht besitzen. (…)«

Der schwedische Chemiker Jöns Jacob Baron Berzelius (1779–1848), der ebenfalls zu den Pionieren der wissenschaftlichen Chemie zählt, entwickelte zwischen 1807 und 1812 basierend auf Daltons Hypothesen seine erste Atomgewichtstabelle (veröffentlicht 1814), in der er das Atomgewicht des Sauerstoffs gleich 100 setzte. Berzelius sah dieses vierzig Jahre zuvor entdeckte Element als den »Angelpunkt der Chemie«. Später bezog er die von ihm ermittelten relativen Atomgewichte auf das leichteste Element, den Wasserstoff mit der Zahl 1.

Mit der Bestimmung der relativen Atommassen war die wichtigste Grundlage für die Entwicklung des periodischen Systems der chemischen Elemente geschaffen worden. Für zwei Gelehrte, den englischen Arzt William Prout (1785–1850) und den deutschen Physiker Johann Meinecke (1781–1823), war die Feststellung, dass die Atomgewichte vieler Elemente offensichtlich fast ganzzahlige Vielfache des Gewichts von Wasserstoff waren, Anlass, den Wasserstoff als Urstoff anzusehen. Man lese dazu das Buch von Hoimar von Ditfurth (1921–1989) Am Anfang war der Wasserstoff (Hoffmann & Campe, Hamburg 1972) (siehe auch Kapitel 3).

Ein von Johann Wolfgang von Goethe geförderter Chemiker, der Professor für Chemie an der Universität Jena Wolfgang Döbereiner (1780–1849), entdeckte 1817, dass die relativen Gewichte der Oxide von Calcium (Kalkerde), Strontium (Strontianerde) und Barium (Baryterde) in einem gesetzmäßigen Zusammenhang stehen und stellte fest, dass sich diese Stoffe auch chemisch ähnlich verhalten, so z.B. Basen (Laugen) bilden. Er entwickelte eine Triadenregel, d.h. er fasste die drei genannten Elemente – und später auch Chlor, Brom und Iod – zu einer Gruppe mit ähnlichen Eigenschaften zusammen. Döbereiner fand heraus, dass unter drei chemisch ähnlichen Elementen die relative Atommasse des einen (mittleren) ungefähr dem arithmetischen Mittel der Atommassen der beiden anderen Elemente entsprach – z.B. Calcium 40, Strontium 88, Barium 137 (88 ist ungefähr gleich der Hälfte von 40 + 137 = 177). Weitere Gruppen kamen durch den französischen Chemiker Jean Baptist André Dumas (1800–1884), Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur (1851/52), sowie durch den deutschen Chemiker und Hygieniker Max von Pettenkofer (1818–1901), Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon (1850), hinzu. 1860 stellte der italienische Chemiker Stanislaus Cannizzaro (1826–1910) auf dem Chemiker-Kongress in Karlsruhe eine »tellurische Helix« vor, auf der die damals bekannten Elemente in einer Spirale nach der relativen Atommasse angeordnet waren. Seine Vorschläge, die auf wesentlich genaueren Bestimmungen der Atomgewichte beruhten, fanden jedoch wenig Beachtung. 1862 veröffentlichte Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois (1820–1886), Professor für Geologie in Paris, eine Arbeit, in der er die bekannten Elemente ebenfalls in der Reihenfolge ihrer relativen Atommassen in Form einer Schraubenlinie auf einem Zylinder so anordnete, dass Elemente mit ähnlichen Eigenschaften (wie die so genannten Alkalien Lithium, Natrium, Kalium, die Erdalkalien Magnesium, Calcium, Barium oder die Halogene Fluor, Chlor, Brom, Iod) in senkrechten Linien erschienen. Ein weiterer Schritt in Richtung des heute verwendeten Periodensystems gelang dem englischen Chemiker John Alexander Reina Newlands (1837–1898). Er stellte fest, dass bei der Anordnung der Elemente nach steigendem Atomgewicht nach jeweils sieben Elementen ein Element folgt, das dem Anfangsglied der Reihe chemisch ähnlich ist. Daraus entwickelte er, begrifflich angelehnt an die Musiktheorie, das Gesetz der Oktaven (1865).

Der Chemiehistoriker Otto P. Krätz stellte in seiner Arbeit »Zur Frühgeschichte des Periodensystems der Elemente« (in: RETE Strukturgeschichte der Naturwissenschaften, 1, Heft 2 (1972) S. 145–166) jedoch fest, dass bereits fünf Jahre vor Döbereiner der Baseler Doktor der Philosophie und Medizin Johann Ludwig Falckner (1787–1831), Mitglied der schweizerischen Gesellschaft von Naturforschern, ein System natürlicher Familien in seinen Beyträgen zur Stöchiometrie und chemischen Statik (1824) vorschlug. Noch früher beschäftigte sich der Hallenser Professor der Technologie Johann Ludwig Georg Meinecke (1781–1823) in einer Veröffentlichung unter dem Titel »Ueber den stöchiometrischen Werth der Körper, als ein Element ihrer chemischen Anziehung« (Journal für Chemie und Physik, Bd. 27 (1819) S. 39–47) mit der Formulierung von »Familien der Sippschaften«. Dazu schrieb Krätz: »Wir haben hier fraglos eine Idee vorliegen, die der Döbereinerschen Triadenregel vorausgeht.« Meinecke hatte »drei Paare zunächst ähnlicher Körper« zusammengestellt: »Baryt und Strontian«, »Kalk und Talk« sowie »Kali und Natron«. Krätz bescheinigt Meinecke, dass aus seinen »Worten eine Vorahnung des Periodensystems der Elemente zu erblicken« sei und fährt fort: »Tatsächlich hat dann auch bald ein eifrige Leser des Schweiggerschen Journals für Chemie und Physik den Versuch gewagt, ein großes System der natürlichen Elementfamilien zu entwickeln. 1824 trat der Baseler Arzt Johann Ludwig Falckner mit einem kleinen in Basel gedruckten Büchlein hervor. [Titel siehe oben.] Über das Leben Falckners scheint wenig bekannt zu sein. Aus seinem Büchlein kann man nur entnehmen, dass er selbst in einem eigenen Laboratorium stöchiometrische Versuche anstellte, Schweiggers und Gilberts Journal las, an einer geschwächten Gesundheit litt und erstaunlich viel über Zahlentheorie wusste. Seine Betrachtungen nahmen offensichtlich von den Werken Leibnizens über Dualzahlen ihren Ausgang, und dies scheint ihn in die Richtung der Proutschen Hypothese gedrängt zu haben.«

Über die fast gleichzeitige Entdeckung des periodischen Systems der chemischen Elemente durch zwei Wissenschaftler, in Deutschland und in Russland, schrieb Günther Kerstein:

»Zu dem noch heute gültigen periodischen System der Elemente kamen in den Jahren 1864–1870 unabhängig voneinander Dimitri Mendelejew (1834–1907) und Lothar Meyer (1830–1895). Mendelejew war das 14. Kind eines russischen Schuldirektors. Er studierte mit einem staatlichen Stipendium in Petersburg Naturwissenschaften und wurde danach Oberlehrer, dann Dozent für Chemie in Petersburg. Lothar Meyer war Professor der Physik und Chemie in Eberswalde, Karlsruhe und Tübingen.

1864 veröffentlichte Meyer eine Untersuchung der bekannten analogen Elementgruppen, in der er deren konstante Atomgewichtsdifferenzen feststellte. 1868 stellte er eine Tabelle zusammen, die er jedoch nur in Vorlesungen gebrauchte. Im nächsten Jahr trat Mendelejew in der Russischen Chemischen Gesellschaft mit einer Anordnung der Elemente in 19 Spalten an die Öffentlichkeit, 1870 erschien in den »Annalen der Chemie« – durch die Veröffentlichung Mendelejews angeregt – eine verbesserte Zusammenstellung Lothar Meyers, und im selben Jahr stellte Mendelejew das periodische System der Elemente fast in der heute noch gültigen Form auf. Beide Forscher kamen zu den gleichen Vorstellungen, doch hat Mendelejew die Bedeutung seiner Erkenntnisse tiefer erfasst. Er stellt die These auf, dass die Größe des Atomgewichtes den Charakter eines Elementes bestimme, er berichtigte durch die Kenntnis der Analogien einige Atomgewichte, entdeckte neue Analogien und erwartete die Entdeckung neuer Elemente, deren Eigenschaften er voraussah.«

Der Chemiehistoriker Günther Kerstein kommt zu dem Schluss:

»Die Entwicklung des periodischen Systems der Elemente war eine der größten Leistungen der Naturwissenschaften des vorigen Jahrhunderts. Die neuen Erkenntnisse bildeten das Fundament, auf dem die anorganische Chemie weiter aufbauen konnte.«

Abb. 1 Erste Darstellung des periodischen Systems – Übertragung einer handschriftlichen Aufzeichnung von Mendelejew durch B. M. Kedrov (1903–1985, Direktor des Instituts für Geschichte der Naturwissenschaft und Technik in Moskau)

Wilhelm Strube hat in seinem Buch Der historische Weg der Chemie (Köln 1989) das »Periodensystem der Elemente« wie folgt charakterisiert (er verwendet die Transkription »Mendeleev«):

»Mendeleev liebte die Kühnheit des Gedankens. Sein Grundsatz lautete: >Die meßbaren chemischen und physikalischen Eigenschaften der Elemente und ihrer Verbindungen stehen in periodischer Abhängigkeit von den Atomgewichten der Elemente.< Nach dem Vorbild seiner Vorgänger unterschied er >typische Elemente<. Aber er erkannte Lücken in dem System und erkühnte sich zu der Behauptung, daß sie von noch zu entdeckenden Elementen ausgefüllt werden würden. (…)

Die Arbeit von Mendeleev ermunterte L. Meyer noch im gleichen Jahr, 1869, zur Publikation seiner Abhandlung >Die Natur der chemischen Elemente als Funktion ihrer Atomgewichte<. Meyer bezog sich auf Mendeleevs Periodensystem, das er durch einige Umstellung verbesserte. Mendeleev selbst nahm 1870 weitere Verbesserungen vor; das neue System erwies sich als ausbaufähig wie jedes richtig gegründete.«

Strube berichtet weiterhin:

»Die Entdeckung des Germaniums im Jahre 1886 durch Clemens Winkler [1838–1904; Professor für Chemie an der Bergakademie in Freiberg/Sachsen] überzeugte schließlich die meisten Chemiker von der Richtigkeit des Periodensystems. Mendeleev hatte das zur vierten Gruppe zählende unbekannte Element Ekasilicium (ES) genannt…«

Die von Mendelejew (eine dritte gebräuchliche Transkription des Namens!) vorausgesagten Eigenschaften des Germaniums, – z.B. Atomgewicht 72/gefunden 72,60; spezifisches Gewicht 5,5/5,323 u. a. – stimmten außerordentlich gut mit den gemessenen Größen nach der Gewinnung des Metalls aus einem silberhaltigen Mineral überein. Germanium war das wichtigste Metall der Halbleiterindustrie in deren Anfangszeit, heute ist es weitgehend durch Silicium abgelöst.

Bevor die Geschichte der Entdeckung durch Mendelejew nach einem vor kurzen erschienenen Sachbuch mit dem Titel Mendelejews Traum. Von den vier Elementen zu den Bausteinen des Universums (Ullstein, München 2000) von Paul Strathern wiedergegeben wird, sei zur Entwicklung des Periodensystems abschließend Hans Joachim Störig (Kleine Weltgeschichte der Wissenschaft, Fischer Verlag, Frankfurt 1982) zitiert:

»Das periodische System schließt wie jede wissenschaftliche Großtat eine lange Entwicklungsreihe ab. In unserem Falle reicht diese Reihe von den ersten philosophischen Fragen nach den Bausteinen der Welt über d...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Series Page
• Title Page
• Copyright
• Vorwort zur 2. Auflage
• Vorwort zur 1. Auflage
• 1: Eine kurze Geschichte des Periodischen Systems der Elemente
• 2: Vom praktischen Nutzen des Periodensystems
• 3: Am Anfang war der Wasserstoff. Das erste Element im Periodensystem
• 4: Die erste Gruppe im Periodensystem: Alkalimetalle
• 5: Magnesium und Calcium: Mineralstoffe aus der zweiten Gruppe
• 6: Bor und Aluminium: Elemente der dritten Gruppe
• 7: Kohlenstoff, Leitelement der vierten Gruppe
• 8: Silicium: Mitglied der Kohlenstoff-Gruppe
• 9: Stickstoff und Phosphor: Elemente der fünften Gruppe
• 10: Sauerstoff, das Leitelement der sechsten Hauptgruppe: Nicht nur in der Luft
• 11: Schwefelsalze: Verbindungen mit Sauerstoff, dem Partner aus der sechsten Gruppe
• 12: Halogene, die Salzbildner aus der siebenten Gruppe
• 13: Eisen, Kupfer und Silber: Nebengruppenelemente und Übergangsmetalle
• 14: Reaktionstypen – charakteristische Reaktionen
• Register