Philosophie der Naturwissenschaften

Philosophische und theoretische Grundlagen der Entstehung klassischer naturwissenschaftlicher Disziplinen

Naturphilosophische und theoretische Grundlagen der Chemie als Fachgebiet der Naturwissenschaften

Die grundlegende Umgestaltung des chemischen Wissens in der Wissenschaftsgeschichte war mit dem Übergang von der rezeptbasierten Praxis, die das Handeln des Alchimisten (Wissenschaftlers, Forschers, Arztes, Metallurgen) bestimmte, hin zu einer theoretischen, konzeptuellen Grundlage verbunden. In der Entstehung dieser theoretischen Basis spielte die naturphilosophische Frage nach dem Aufbau der Materie eine Schlüsselrolle.

Der französische Denker Pierre Gassendi (1592–1655) interpretierte das vergessene Erbe der antiken Materialisten und äußerte die Idee, dass Gott eine bestimmte Anzahl von Atomen geschaffen habe, die sich in Form, Größe und Gewicht unterscheiden. Aus einigen Dutzend Atomen formt die Natur eine Vielzahl von Körpern. Große Atomverbindungen, die wahrnehmbar sind, nannte er Moleküle. Um solche für das Auge unsichtbaren Teilchen nachzuweisen, verwendete Gassendi ein Engioskop (Mikroskop).

Die Grundlage der Chemie als exakte experimentelle Wissenschaft bildete die Vorstellung vom korpuskularen Aufbau der Materie (lat. corpusculum – Körperchen, kleines Teilchen). Der englische Wissenschaftler Robert Boyle (1627–1691) legte in seinem Werk „The Sceptical Chymist“ (1661) die Auffassung dar, dass die Chemie eine eigenständige Wissenschaft mit einem unabhängigen Gegenstand ist, losgelöst von Alchemie und Medizin. Er gab die erste Definition des Begriffs „chemisches Element“, definierte die Korposkule als einfachen Körper, der nicht weiter zerlegt werden kann. Elemente – Stoffe, die nicht zersetzt werden können – bestehen aus homogenen Korpuskeln, wie Gold, Silber, Zinn oder Blei. Beispielsweise ist Zinnober, das sich in Quecksilber und Schwefel zerlegen lässt, eine Verbindung. Boyle war einer der ersten, der Wasserstoff, Phosphor und einige seiner Verbindungen entdeckte und beschrieb. Indem er die Lehre von den Elementen mit atomistischen Vorstellungen über den Aufbau der Materie verband, sah Boyle die Aufgabe der Chemie als experimenteller Wissenschaft darin, einzelne Stoffe in reiner Form zu isolieren, ihre Zusammensetzung sowie ihre spezifischen Eigenschaften zu bestimmen.

Die Entwicklung der korpuskularen Theorie im 17. Jahrhundert ist mit Newton verbunden, der viel Zeit chemischen Experimenten widmete, Säuren, chemische Reaktionen, den Zerfall und die Bildung von Stoffen untersuchte. Newton ging davon aus, dass Korpuskeln von Gott geschaffen, unteilbar und unzerstörbar sind. In seiner Theorie erfolgt die Verbindung der Korpuskeln durch Anziehungskräfte, die zugleich die chemische Affinität verschiedener Stoffe bestimmen.

Die Grundsätze der korpuskularen Theorie des Aufbaus der Materie, die von der modernen Wissenschaft vollständig anerkannt werden, formulierte M. W. Lomonossow:

• Alle Stoffe bestehen aus Korpuskeln (kleinste Teilchen);
• Die Korpuskeln befinden sich in ständiger, ungeordneter Bewegung;
• Die Korpuskeln wechselwirken miteinander.

Die Tatsache der Bewegung kleinster Teilchen wurde experimentell vom englischen Botaniker Robert Brown (1773–1858) bestätigt. Das zentrale Problem der Chemie des 18. Jahrhunderts war der Verbrennungsprozess. Zur Erklärung wurde die Phlogiston-Theorie entwickelt, die ein schwereloses Prinzip annahm, das in jedem brennbaren Stoff enthalten sei und beim Verbrennen verloren gehe. Lavoisier zeigte, dass Verbrennungs- und Röstvorgänge in Anwesenheit „reiner Luft“ ablaufen und sich wesentlich einfacher ohne Phlogiston erklären lassen. 1769 veröffentlichte er „Cours élémentaire de chimie“, in dem er das bis dahin gesammelte chemische Wissen systematisierte, die Sauerstofftheorie der Verbrennung darlegte, eine Definition des Elements gab und die einfachen Stoffe klassifizierte.

Ende des 18. Jahrhunderts entwickelte sich die Chemie von einer Ansammlung voneinander unabhängiger Rezepte zu einem konsistenten System von Wissen über Aufbau und Eigenschaften der Stoffe (einfach und komplex). Das Gesetz der Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen wurde formuliert (M. W. Lomonossow – 1756, A. L. Lavoisier – 1789): Die Masse der Stoffe, die in eine chemische Reaktion eingehen, entspricht der Masse der entstandenen Produkte.

Aus dem Gesetz der Stofferhaltung folgte, dass Materie weder aus dem Nichts geschaffen noch vollständig zerstört werden kann. Lomonossow verband das Gesetz der Stofferhaltung mit dem Energieerhaltungsgesetz. Die quantitative Ausdrucksform des Energieerhaltungsgesetzes bei chemischen Reaktionen wurde der Wärmehaushalt.

Die Etablierung der Chemie als klassische naturwissenschaftliche Disziplin, deren Gegenstand die Untersuchung der natürlichen Elemente und ihrer Verbindungen ist, hängt eng mit der Entwicklung der Atom-Molekül-Lehre (chemische Atomistik) zusammen. Den ersten Schritt zur Schaffung dieser Lehre machte der Lehrer aus Manchester, John Dalton. Die Grundsätze der atomistischen Theorie Daltons wurden erstmals in seinem Vortrag „Über die Absorption von Gasen durch Wasser und andere Flüssigkeiten“ dargelegt, den er am 20. Oktober 1803 in der literarisch-philosophischen Gesellschaft von Manchester hielt. Dalton unterschied streng zwischen den Begriffen „Atom“ und „Molekül“, das er als zusammengesetztes oder komplexes Atom bezeichnete, und betonte, dass dieses komplexe Teilchen die Grenze der chemischen Teilbarkeit der entsprechenden Stoffe darstellt. Die Zusammensetzung eines Stoffes ist in Bezug auf seine Moleküle homogen, und die Eigenschaften der Stoffe werden durch die Eigenschaften der Moleküle bestimmt.

Die korpuskulare Lehre vom Aufbau der Materie erhielt damit einen modernen begrifflichen Apparat. Es entstand das Konzept des Atomgewichts eines chemischen Elements. Eine Unterscheidung wurde zwischen dem Aufbau eines chemischen Elements (abhängig vom Atomgewicht) und der molekularen Struktur eines Stoffes sowie zwischen den Eigenschaften von Atomen und Molekülen getroffen.

1804 stellte der englische Chemiker T. Thomson die atomistische Theorie John Daltons im dritten Band seiner „New System of Chemistry“ dar. Dennoch dauerte es fast ein halbes Jahrhundert, bis sich die Atom-Molekül-Lehre endgültig durchsetzte. Dazu trugen die Entwicklung von Methoden zur Bestimmung von Atom- und Molekulargewichten sowie die Entdeckung mehrerer quantitativer Gesetze bei: das Gesetz der konstanten Zusammensetzung (J. Proust – 1808), das Gesetz der einfachen Volumenverhältnisse für Gase (J. Gay-Lussac – 1808) und das Avogadro-Gesetz (1811), die sich aus Sicht der Atom-Molekül-Lehre gut erklären ließen. Die experimentelle Bestätigung erhielt die Theorie in den Arbeiten von J. B. Berzelius. Offiziell anerkannt wurde die Atom-Molekül-Lehre auf dem ersten Internationalen Chemikerkongress (1860).

Mitte des 19. Jahrhunderts wurde die Atom-Molekül-Lehre um Vorstellungen über Valenz und chemische Bindungen erweitert, die die Grundlage für die Theorie des chemischen Aufbaus organischer Stoffe bildeten (A. M. Butlerov – 1861). Darauf aufbauend entstand die Stereochemie (J. H. van ’t Hoff – 1874), die die räumliche Struktur organischer Verbindungen untersucht.

Der allgemeine theoretische Ansatz in der Chemie, der sich im 19. Jahrhundert herausbildete, legte die Bestimmung der Eigenschaften chemischer Stoffe nicht nur in Abhängigkeit von der elementaren Zusammensetzung fest, sondern auch in Abhängigkeit von der Struktur der Elemente und ihrer Verbindungen. Die Entwicklung der Atom-Molekül-Lehre führte zur Idee eines komplexen Aufbaus nicht nur von Molekülen, sondern auch von Atomen. Als erster äußerte im 19. Jahrhundert der englische Wissenschaftler W. Prout diese Idee und fasste Messergebnisse zusammen, die zeigten, dass die Atomgewichte der Elemente Vielfache des Atomgewichts des Wasserstoffs sind. Prout formulierte die Hypothese, dass Atome aller Elemente aus Wasserstoffatomen bestehen.

Die Idee des komplexen Aufbaus der Atome wurde von D. I. Mendelejew (1834–1907) weiterentwickelt. Er nahm an, dass zwischen den chemischen Elementen der Natur eine gesetzmäßige Beziehung besteht, die durch die Zunahme des Atomgewichts bestimmt wird. In seinem Periodensystem der chemischen Elemente (1871) ordnete er die bekannten natürlichen Elemente der Reihe nach nach ihrem Atomgewicht, stellte ihre chemische Verwandtschaft fest, die sich im Ähnlichkeitsgrad ihrer Reaktionen zeigt. Mendelejews System machte die Einheit der natürlichen chemischen Elemente, ihre Verbindungen und möglichen Umwandlungen anschaulich.

Das Periodengesetz spielte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung zahlreicher chemienaher Wissenschaften sowie der chemischen Technologie und Industrie und stimulierte die Entwicklung der Atomtheorie und die Entdeckung neuer Elemente. Im 20. Jahrhundert formierte sich die Elektronentheorie des Stoffaufbaus, und es entstanden neue Richtungen der chemischen Forschung: Physikalische Chemie, chemische Kinetik (Lehre von der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen), Theorie der elektrolytischen Dissoziation und chemische Thermodynamik.