Chemie & Physik: Geschichte, Messung, Temperatur & Methode

Die Geschichte der Chemie

Die Chemie, wie wir sie heute kennen, hat eine lange und faszinierende Geschichte, die tief in den praktischen Aktivitäten früherer Zivilisationen verwurzelt ist. Schon um 1200 v. Chr. zeigten die Ägypter und Babylonier große Perfektion in der Anwendung chemischer Techniken, insbesondere in der Küche, Metallurgie und Lebensmittelverarbeitung. Sie beherrschten die Bearbeitung von Metallen wie Gold und Silber, die Glasherstellung und die Verarbeitung von Erden. Trotz dieser praktischen Errungenschaften maßen diese Völker der theoretischen Grundlage ihrer täglichen Arbeiten nur geringe Bedeutung bei.

Antike Theorien der Materie

Im sechsten Jahrhundert v. Chr. begannen in Griechenland die ersten Theorien über die Zusammensetzung der Materie aufzukommen. Philosophen wie Thales (625-545 v. Chr.) und Anaximander (611-547 v. Chr.) entwickelten die sogenannte Vier-Elemente-Theorie. Diese besagte, dass die Materie aus den vier Grundelementen Wasser, Luft, Erde und Feuer besteht. Diese Theorie wurde später von Aristoteles (383-322 v. Chr.) übernommen und prägte das Verständnis der Materie für viele Jahrhunderte. Die Kombination dieser Elemente definierte die fundamentalen Eigenschaften der Stoffe.

Einige Jahrhunderte später, im 5. Jahrhundert v. Chr., schlugen Leukipp und Demokrit vor, dass die Materie aus winzigen, unteilbaren Teilchen besteht, die sie Atome nannten. Dies war ein revolutionärer Gedanke, der jedoch erst viel später seine volle Anerkennung finden sollte.

Die Ära der Alchemie (500-1600 n. Chr.)

Die Alchemie entstand als Ergebnis der Verschmelzung ägyptischer technischer Fertigkeiten und griechischer philosophischer Konzepte. Im Gegensatz zu ihren Vorgängern wollten die Alchemisten nicht nur die natürliche Welt verstehen, sondern sie auch perfektionieren. Ihr höchstes Ideal war die Umwandlung von unedlen Metallen in Gold. Ein Großteil der alchemistischen Bemühungen konzentrierte sich auf die ganzheitliche Manipulation von Metallen und die Interaktion mit unzähligen Substanzen. Sie suchten insbesondere nach dem Stein der Weisen, einer magischen Substanz, die Metalle in Gold verwandeln und ewige Jugend verleihen sollte. Auf diesem Weg entwickelten und perfektionierten sie diverse Instrumente und Methoden, die uns heute noch bekannt sind, darunter:

• Alkohol
• Wasserbad
• Alambic (Destillierkolben)
• Destillation
• Sublimation

Die Entstehung der modernen Chemie

Im 18. Jahrhundert konnten die alten Theorien der vier Elemente die Zusammensetzung und das Verhalten der Materie nicht mehr ausreichend erklären. Zum Beispiel zeigte das fortschreitende Wissen über Gase, dass Luft nicht ein einziges Element war, sondern aus verschiedenen Substanzen bestand. Es war das erste Mal, dass nichts mehr als selbstverständlich hingenommen wurde; alles musste gemessen, gewogen und überprüft werden.

Der herausragendste Vertreter dieser neuen Denkweise war der französische Chemiker Antoine Lavoisier (1743-1794). Er legte die Grundlagen der modernen Chemie, indem er das Gesetz der Massenerhaltung formulierte: Materie kann weder geschaffen noch zerstört, sondern nur umgewandelt werden. Er demonstrierte auch, dass Luft, Wasser und Feuer keine Elemente sind.

Das 19. und 20. Jahrhundert

Während des 19. Jahrhunderts konzentrierte sich die chemische Forschung auf die Aufklärung der Natur der Materie. So präsentierte John Dalton (1766-1844) den ersten konsistenten Vorschlag zur atomaren Struktur, der später von Ernest Rutherford (1871-1937) ergänzt wurde. Rutherford begann, das Atom als aus kleineren, nicht unteilbaren Teilchen bestehend zu verstehen, entgegen der ursprünglichen Bedeutung des Wortes "Atom".

Das 20. Jahrhundert brachte große Veränderungen mit sich. Im Jahr 1905 präsentierte Albert Einstein seine Relativitätstheorie, die die theoretischen Grundlagen der Chemie und Physik maßgeblich beeinflusste. In den ersten Jahrzehnten des Jahrhunderts entdeckten die Eheleute Marie und Pierre Curie das Phänomen der Radioaktivität und zwei neue Elemente: Radium und Polonium.

Grundlagen der Messung

Die Messung ist der Prozess der Quantifizierung einer physikalischen Größe durch Vergleich mit einer definierten Standardeinheit. Das Ergebnis einer Messung ist eine Zahl, die angibt, wie oft die Einheit in der gemessenen Größe enthalten ist.

Physikalische Größen

Physikalische Größen sind Eigenschaften, die gemessen werden können. Sie können entweder von Experten oder von jeder Person mit einem geeigneten Messinstrument bestimmt werden. Es gibt zwei Haupttypen von physikalischen Größen:

• Fundamentale Größen: Dies sind Größen, die von keiner anderen gemessenen Größe abhängen, wie zum Beispiel die Temperatur oder die Masse.
• Abgeleitete Größen: Dies sind Größen, die als Kombinationen von fundamentalen Größen ausgedrückt werden, wie zum Beispiel die Dichte (Masse pro Volumen).

Temperatur und Wärme: Konzepte & Messung

Um die Energie eines Körpers auszudrücken, müssen wir dies durch einen entsprechenden Wert der mittleren Energie seiner Moleküle tun. Das Konzept der Messung ist hierbei grundlegend.

Temperatur

Die Temperatur eines Körpers ist eine Größe, die die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle misst, aus denen dieser Körper besteht. Die Temperatur eines Körpers ist unabhängig von seiner Masse; sie hängt nur von der Geschwindigkeit und der Masse jedes einzelnen Moleküls ab.

Wärme

Das Konzept der Wärme hingegen entspricht einer Messung der Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds von einem Körper auf einen anderen übertragen wird.

Einheiten der Wärmemenge

Die Menge an Wärme, die aufgrund einer Temperaturdifferenz von einem Stoff auf einen anderen übertragen wird, kann durch Messung der Temperaturänderung einer bekannten Menge des Stoffes bestimmt werden, der die Wärme aus einer Quelle absorbiert. Obwohl Wärme in Joule gemessen wird, einer Einheit der Energie, ist die Kalorie weltweit am häufigsten in Gebrauch. Eine Kalorie ist definiert als die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur von einem Gramm Wasser um ein Grad Celsius zu erhöhen.

Messung der Temperatur

Die Temperatur wird auf verschiedene Weisen gemessen:

1. Das Thermometer: Ein Thermometer besteht typischerweise aus einem Glaskolben mit einer Flüssigkeit (oft Quecksilber oder Alkohol), die sich in einem äußeren Rohr mit einer numerischen Skala ausdehnt. Die meisten bekannten Materialien dehnen sich aus, d.h., sie erfahren eine Volumenzunahme, wenn ihre Temperatur steigt, und ziehen sich zusammen, wenn sie sinkt. Das Thermometer ist ein Instrument, das entwickelt wurde, um die Temperatur durch die Ausdehnung und Kontraktion einer Flüssigkeit zu messen.
2. Thermometer-Skalen: Es gibt mehrere Temperaturskalen. Eine willkürliche Skala wird durch zwei Bezugspunkte definiert, die die Enden der Skala angeben. Der Abstand zwischen diesen Punkten wird durch eine Reihe von Teilen, die als Grade bezeichnet werden, unterteilt. Die am häufigsten verwendeten Skalen sind:
   • Celsius-Skala: Erfunden von Anders Celsius. Sie verwendet den Gefrierpunkt von Wasser als 0°C und den Siedepunkt als 100°C.
   • Kelvin-Skala: Ihr Schöpfer war Lord Kelvin. Diese Skala verwendet als Ausgangspunkt den absoluten Nullpunkt (0 K), der einer Temperatur von -273,15 °C entspricht.
   • Fahrenheit-Skala: Diese Skala wird am häufigsten in den USA verwendet. Sie unterscheidet sich von ihren Vorgängern dadurch, dass der Temperaturunterschied zwischen den beiden Bezugspunkten (Gefrierpunkt und Siedepunkt von Wasser) insgesamt 180 Teile oder Grade beträgt, anstatt 100.
   • Rankine-Skala: Der Unterschied zwischen dieser und früheren Skalen besteht darin, dass der Gefrierpunkt von Wasser als 492 °R und der Siedepunkt als 672 °R gekennzeichnet ist, obwohl der absolute Nullpunkt dieser Skala dem der Kelvin-Skala entspricht.

Die Wissenschaftliche Methode: Ein Leitfaden

Jeder Wissensbereich hat seine eigenen Methoden, Strategien und Ansätze, um Themen aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten. Doch alle experimentellen Wissenschaften teilen gemeinsame Grundprinzipien und wenden oft eine gemeinsame Methode an, die verschiedene Phasen umfasst:

1. Beobachtung von Phänomenen: Dies ist die Grundlage der wissenschaftlichen Arbeit. Wissenschaftler beobachten Phänomene, um zu verstehen, wie sie auftreten, nutzen dabei ihre Sinne und vielfältige Messgeräte und stellen dann gezielte Fragen.
2. Formulierung von Fragen: Sobald ein Phänomen definiert ist, sollten Fragen zu seinem Aussehen, den Umständen, unter denen es auftritt, und seinen Eigenschaften gestellt werden.
3. Überprüfung der bisherigen Arbeit: Es ist wichtig, verschiedene Quellen zu konsultieren, um herauszufinden, was bereits über das Thema bekannt ist.
4. Formulierung von Hypothesen: Dies ist der Zeitpunkt, um vorläufige Antworten auf die gestellten Fragen zu finden.
5. Experimentelle Bestätigung der Hypothese: Die Hypothesen werden durch Experimente überprüft, um die Antworten zu verifizieren.
6. Kontrolle von Variablen: Es müssen die Änderungen definiert werden, die einen Unterschied im Auftreten des Phänomens bewirken könnten.
7. Konzept und Verbreitung der Ergebnisse: Die aus dem Experiment gezogenen Schlussfolgerungen müssen veröffentlicht oder präsentiert werden.
8. Entwicklung von Gesetzen/Theorien: Ziel ist es, ein deduktives System zu schaffen, das vorhersagt, was in jedem Fall von Änderungen im realen Versuchsplan geschehen wird.