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10 chemische Reaktionen, die die Welt veränderten
Die Chemie umgibt uns jeden Tag. Vom Kochen unserer Speisen über das Fahren mit unseren Autos bis hin zu unserem eigenen körperlichen Stoffwechsel können wir der ständigen Umlagerung von Atomen und dem Energieaustausch, der Chemie ist, nicht entgehen.
Obwohl diese ständige Verschiebung von Atomen einen fast unmerklichen Hintergrund in unserem täglichen Leben bildet, gibt es einige Reaktionen, die sich wirklich verändert haben oder sich ändern werden, wie die Menschheit gelebt hat. Einige wegen dem, was wir mit ihnen machen könnten. Andere wegen dem, was sie uns gezeigt haben. Aber alle wurden zu Meilensteinen auf der Reise der Menschheit.
Hier sind 10 chemische Reaktionen, die die Welt verändert haben.
10 Ammoniaksynthese
Stickstoff ist eines der wichtigsten Elemente für das Leben, vielleicht hinter Kohlenstoff. Es ist eine Schlüsselkomponente in DNA, RNA, Proteinen und Chitin (einem biologischen Polymer, das Zellulose ähnlich ist, wie es in Pilzen, Insekten, Hummern, Garnelen und einigen Fischen vorkommt. Stickstoff ist auch eines der am meisten vorkommenden Elemente der Erde und macht etwa 78 Prozent der Erdatmosphäre aus. Stickstoff in der Atmosphäre liegt jedoch in Form von N2 vor, das sehr unreaktiv ist und für die meisten Lebensformen nicht nützlich ist.
Daher muss Stickstoff fixiert werden, indem er in reaktivere Formen wie Ammoniak, Nitrate und Nitrite umgewandelt wird. In der Natur geschieht dies normalerweise durch spezialisierte Bakterien. Diese Bakterien bilden eine symbiotische Beziehung (das heißt, beide Organismen profitieren) mit vielen Pflanzen, die in Knötchen in den Wurzeln leben.
Allerdings bilden nicht alle Pflanzen diese Beziehung. Insbesondere in der kommerziellen Landwirtschaft kann Getreide wie Mais keinen Stickstoff binden, sondern ihn aus dem Boden aufnehmen. Wenn eine Kultur, die keinen Stickstoff bindet, über mehrere Saisons angebaut wird, muss Dünger hinzugefügt werden. Nur wenige natürlich vorkommende Materialien haben jedoch genügend Stickstoff, um als Dünger zu wirken. Um den steigenden Bedarf an Lebensmitteln zu decken, war es daher notwendig, einen besseren Weg zur Herstellung von Stickstoffdünger zu finden.
Der Haber-Bosch-Prozess war der erste Schritt. Das von Fritz Haber und Carl Bosch im Jahr 1918 entwickelte Verfahren verwendete sowohl hohe Temperaturen als auch hohe Drücke und einen Eisenkatalysator, um aus gasförmigem Wasserstoff und Stickstoff eine große Menge Ammoniak herzustellen.
Da das Ammoniak relativ billig herzustellen war, wurde es eine Alternative zu natürlichen Düngemitteln. Heute ist Ammoniak nach Schwefelsäure die zweithäufigste Chemikalie.
9 Polymerisation von Polyethylen
Plastic revolutionierte die Welt. Da sie sich leicht formen lassen, sowohl hitze- als auch chemikalienbeständig sind und billig hergestellt werden können, sind Kunststoffe im Alltag zu einem allgegenwärtigen Material geworden, insbesondere aus Polyethylen. Es kommt in einer Vielzahl von Formen, wie Polyethylen hoher Dichte und Polyethylen niedriger Dichte, in Plastikbeuteln, Milchflaschen und sogar kugelsicheren Westen zum Einsatz.
Polyethylen wurde zufällig 1933 von zwei Wissenschaftlern entdeckt, die im Imperial Chemical Industries Research Laboratory versuchten, Ethylen und Benzaldehyd umzusetzen. Stattdessen wurde ein wachsartiges Material entdeckt, das sich als Ethylenpolymer erwies. Ein Polymer ist eine Substanz, die aus vielen wiederkehrenden Einheiten besteht. Andere Polymere umfassen Cellulose und DNA.
Bis 1937 war das Material als Film entwickelt worden und wurde von den Briten im Zweiten Weltkrieg als Isolierung für Drähte und Radarkomponenten verwendet. Da elektrische Bauteile leicht genug waren, um sie in Ebenen zu platzieren, waren ihre Struktur und Herstellung ein streng gehütetes Geheimnis. Heute ist Polyethylen der am meisten produzierte Kunststoff der Welt, mit 81,8 Millionen Tonnen im Jahr 2015 und fast 100 Millionen Tonnen im Jahr 2018.
8 Verbrennung von Wasserstoff
In den späten 1700er Jahren war Chemie eine unterentwickelte Wissenschaft. Die meiste Chemie wurde in den griechischen Elementen Luft, Wasser, Erde und Feuer verwurzelt, wobei Ergänzungen notwendig waren, um Beobachtungen zu erklären.
Eine der bemerkenswertesten Ergänzungen war Phlogiston. Das von Georg Stahl entwickelte Konzept besagte, dass alle brennbaren Substanzen ein Feuerelement namens Phlogiston enthielten. Bei der Verbrennung würde dieses Phlogiston in die Luft gehen. Dies schien zu erklären, warum verbrannte Holzkohle weniger wog als die ursprüngliche Holzkohle. Diese Theorie konnte jedoch nicht erklären, warum einige Substanzen wie Phosphor und Schwefel während der Verbrennung an Masse zunahmen.
Betreten Sie Antoine Lavoisier, einen französischen Wissenschaftler, der der Theorie des Phlogistons sehr skeptisch gegenüberstand. In seinem vielleicht berühmtesten Experiment verbrannte er brennbare Luft (Wasserstoffgas) mit normaler Luft. Das Produkt war Wasser. Lavoisier glaubte, dass Wasser eine Kombination aus einer Substanz in der Luft (die er Sauerstoff genannt hat) und der brennbaren Luft sein muss.
Er stützte seine Hypothese weiter, indem er Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zersetzte. 1789 wurde Lavoisiers neues Chemiesystem vollständig in seinem Lehrbuch veröffentlicht Traite elementaire de Chimie ("Elements of Chemistry"), das das griechische System aufgab und den Grundstein für die moderne Chemie legte.
7 Reduktion und Oxidation von Zink und Silber
Als Alessandro Volta 1745 in Como (Italien) geboren wurde, war Elektrizität ein kaum verstandenes Phänomen. Es war bekannt, dass Elektrizität geleitet werden kann und dass es zwei Formen gab (was später als positiv und negativ bezeichnet werden würde).
Kurz nach Voltas Geburt wurde von Benjamin Franklin gezeigt, dass der Blitz tatsächlich Strom war. Obwohl Volta keine Universitätsausbildung hatte, wurde er zu seiner Zeit weithin als Wissenschaftler bekannt. Im Jahr 1775 entwickelte er den ewigen Elektrophorus, eine Verbesserung gegenüber früheren Versionen des Elektrophorus. Eine andere Erfindung sollte jedoch seine wichtigste sein.
Im Jahr 1780 machte der Wissenschaftler Luigi Galvani die Behauptung geltend, dass die Muskeln der Tiere bei ihrer Kontraktion Elektrizität erzeugten. Er nannte dies "tierische Elektrizität" und glaubte, dass es sich von normaler Elektrizität unterscheidet.
Volta widersprach und stellte fest, dass Galvanis Froschschenkel während der Experimente mit zwei verschiedenen Metallen verbunden waren. Volta fuhr fort zu demonstrieren, dass er durch das Stapeln abwechselnder Metallscheiben aus Silber und Zink mit mit Salzlösung getränkten Tüchern zwischen jeder Scheibe einen stabilen elektrischen Strom ohne Tiere erzeugen konnte.
Es wurde jedoch sofort erkannt, dass Voltas Erfindung weitaus nützlicher war, als nur seinen Streit mit Galvani beizulegen. Alle bisherigen Stromquellen konnten es nur in Stößen erzeugen. Durch die Erzeugung eines konstanten Stroms ermöglichte Voltas Erfindung eine strengere Untersuchung und legte den Grundstein für die revolutionäre Arbeit von Faraday im Elektromagnetismus.
6 Synthese von Harnstoff
Der Vitalismus war eine Theorie, nach der lebende Systeme von völlig anderen Prinzipien bestimmt werden als nicht lebende Systeme. Außerdem glaubte man, dass die Komponenten, aus denen lebende Systeme bestehen, nicht aus nicht lebenden Komponenten bestehen können. Diese Überzeugung war im 19. Jahrhundert weit verbreitet und wurde verwendet, um zu erklären, warum viele lebende Systeme im Vergleich zu nicht lebenden Systemen unverständlich erschienen.
Der deutsche Wissenschaftler Friedrich Wohler hat das jedoch geändert. 1825 war Wohler bereits für seine Isolierung aus reinem Aluminium bekannt. Er versuchte 1828 an der Synthese von Ammoniumcyanat. Als er jedoch Silbercyanat und Ammoniumchlorid umsetzte, um das Ammoniumcyanat herzustellen, erzeugte er stattdessen weiße Kristalle. Er identifizierte die Substanz später als Harnstoff.
Der Harnstoff wurde 1773 vom französischen Chemiker Hilaire-Marin Rouelle isoliert. Dies bedeutete, dass Wohler gerade eine organische Verbindung synthetisiert hatte, was eine der grundlegenden Prinzipien des Vitalismus widerlegte. Wohlers Arbeit würde den Grundstein für die organische Chemie legen.
5 PCR
Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist bei weitem die komplizierteste Reaktion auf dieser Liste, aber möglicherweise die nützlichste und aufregendste. PCR wurde 1983 von Kary Mullis erfunden, der schließlich einen Nobelpreis für seine Arbeit erhielt.
Der Prozess arbeitet durch Erhitzen der DNA, so dass sie sich in zwei Einzelstränge trennt. (DNA ist doppelsträngig.) Dann können Primer an die einzelnen DNA-Stränge angehängt werden. Enzyme, so genannte DNA-Polymerasen, heften sich an die Primerstellen und replizieren den Rest des DNA-Strangs. Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden, wobei bei jeder Wiederholung die Anzahl der exakten DNA-Kopien theoretisch verdoppelt wird.
Die Fähigkeit, DNA zu replizieren, öffnete Türen in vielen Bereichen. Es erlaubte Forensikern, genetische Techniken anzuwenden, selbst wenn am Tatort nur wenig genetisches Material vorhanden war. In der Medizin hilft es dabei, die Ursache von Infektionen zu ermitteln. In der Forschung war dies eine wesentliche Technik, die bei der Sequenzierung des menschlichen Genoms verwendet wurde.
Darüber hinaus ist es mittlerweile eine allgegenwärtige Technik in Biologie- und Biochemielabors weltweit.
4 Fetthydratation
Haben Sie ein Glas Crisco in Ihrer Speisekammer? Würde es Sie überraschen, wenn ich Ihnen erzählte, dass Crisco das Ergebnis eines der revolutionärsten Fortschritte der Welt in der Lebensmitteltechnologie ist?
Es beginnt alles mit dem Unterschied zwischen tierischen und pflanzlichen Fetten. Fette in Tieren neigen dazu, gesättigt zu sein, was bedeutet, dass der gesamte Kohlenstoff im Fett an die maximale Anzahl von Atomen gebunden ist. Fette in Pflanzen neigen dazu, ungesättigt zu sein, was bedeutet, dass ein Teil des Kohlenstoffs in diesen Fetten nicht an die maximale Anzahl von Atomen gebunden war.
1902 entwickelte Wilhelm Normann ein Verfahren, mit dem ungesättigten Fetten Wasserstoff zugesetzt werden konnte, wodurch diese in gesättigte oder zumindest stärker gesättigte Fette umgewandelt wurden. Im Jahr 1909 erwarb Procter & Gamble das Patent von Normann. Zwei Jahre später veröffentlichten sie Crisco, ein hauptsächlich aus gehärtetem Baumwollsamenöl hergestelltes Backfett, das billiger war als herkömmliches Schmalz.
Das war jedoch nur der Anfang. Bis 1979 waren etwa 60 Prozent aller in den Vereinigten Staaten konsumierten Fette hydriert worden. Die Hydrierung hatte jedoch eine dunkle Seite. Natürliche ungesättigte Fettsäuren kommen fast ausschließlich in der cis-Konfiguration vor, was dazu führt, dass die Fettmoleküle gebogen oder geknickt werden und nicht in der Lage sind, zusammen zu passen. Aus diesem Grund sind die meisten ungesättigten Fette Flüssigkeiten.
Während der Hydrierung nehmen jedoch einige ungesättigte Fettsäuren die trans-Konfiguration ein. Ab den 1990er Jahren zeigte die Forschung, dass ein hoher Konsum von Transfetten gesundheitliche Beeinträchtigungen zur Folge hatte. Kurz darauf begann die FDA, die Menge an Transfetten in Lebensmitteln zu regulieren, und einige Orte verbieten diese Substanzen sogar. Dies führte zu einem späteren Rückgang der hydrierten Fette.
3 Ozonzerstörung
Mechanische Kältetechnik war mindestens seit den 1870er Jahren üblich. Es gab jedoch ein riesiges Problem, das die Technologie damals einschränkte. Die meisten Kältemittel (Substanzen, mit denen Wärme aus den Kühlschränken nach außen transportiert wird) waren entweder hochgiftig oder leicht entflammbar. Unglücklicherweise starben die Menschen aufgrund von austretendem Kältemittel relativ häufig.
Um dieses Problem zu lösen, suchten Frigidaire, Dupont und General Motors nach einem Kältemittel, das viel sicherer wäre. Das Ergebnis war Freon, ein Gemisch aus einer Klasse von Chemikalien, die als Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) bezeichnet werden. Freon war so sicher, dass sein Erfinder es direkt einatmete und dann vor der American Chemical Society auf eine Kerze ausatmete.
Zu diesem Zeitpunkt hatten CFCs jedoch ein unbekanntes Problem. Bei so vielen Kühlschränken, die FCKWs verwenden, erreichte die Chemikalie schnell ein signifikantes Niveau in der Atmosphäre.Wenn sie in der oberen Atmosphäre ultraviolettem Licht ausgesetzt werden, geben FCKW häufig ein Chloratom ab.
Chlor ist hochreaktiv und katalysiert den Abbau von Ozon (O3) zu molekularem Sauerstoff (O2). Da Katalysatoren nur die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigen und nicht in der Reaktion verbraucht werden, kann ein FCKW-Molekül Tausende oder sogar Millionen von Ozonmolekülen zerstören, was zu einer massiven Abnahme der Ozonschicht führt.
Heutzutage sind FCKW stark durch das Montrealer Protokoll geregelt und werden nicht mehr als Kältemittel verwendet. Sie wurden durch eine ähnliche Klasse von Verbindungen ersetzt, die als Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) bekannt sind. Während HFKW auch Nachteile haben (sie sind ein sehr starkes Treibhausgas), gab es keine neu entwickelten Kühlmittel, die sowohl ungiftig als auch nicht entflammbar sind.
2 Wasser mit Kohlendioxid
Kohlendioxid ist vielleicht am besten für seine Rolle als Treibhausgas bekannt. Mit dem Anstieg der Kohlendioxidgehalte in der Atmosphäre nahmen auch die durchschnittlichen globalen Temperaturen zu. Es gibt jedoch eine zweite dunkle Seite für Kohlendioxid, und es passiert jeden Tag, wenn wir ein Soda trinken.
Kohlendioxid reagiert reversibel mit Wasser unter Bildung von Kohlensäure. Ein Teil dieser Kohlensäure zerfällt dann in Bicarbonat- und dann Carbonationen, während H + freigesetzt wird (H + freisetzen ist das bestimmende Merkmal von Säuren, die als Bronsted-Lowry-Säuren bezeichnet werden). Diese Säure ist Teil des scharfen Gefühls einer frischen Soda.
Kohlendioxid in der Atmosphäre kann jedoch genauso mit dem Wasser im Ozean reagieren. Tatsächlich absorbiert der Ozean ungefähr ein Viertel des jährlich freigesetzten Kohlendioxids.
Infolgedessen ist der pH-Wert der Meeresoberflächengewässer seit Beginn der industriellen Revolution um etwa 0,1 pH-Einheiten gesunken, was einen Säuregehalt von fast 30 Prozent bedeutet. Während diese Erhöhung des Säuregehalts einigen Organismen wie Algen und Seegras dient, ist sie für viele Organismen wie Austern, Muscheln, Schalentiere und Korallen schädlich.
Ein UN-Bericht schätzte, dass die Versauerung der Ozeane bis 2100 1 Billion Dollar kosten könnte.
1 Verseifung
Es ist allgemein bekannt, dass sich Öl und Wasser nicht mischen. Der Grund dafür liegt in einem Konzept namens Polarität. Einfach ausgedrückt, sind Wassermoleküle polar und Ölmoleküle nicht. Da Wassermoleküle polar sind, ist es günstiger, nebeneinander zu sein als neben einem unpolaren Ölmolekül. Jeder Koch weiß jedoch, dass dies ein Problem beim Reinigen des Geschirrs darstellen kann. Das Fett vermischt sich nicht mit dem Wasser und bleibt auf dem Teller.
Die Antwort ist Seife. Seifenmoleküle haben sowohl polare als auch unpolare Teile. Der polare Teil vermischt sich mit dem Wasser, während sich der unpolare Teil mit dem Öl vermischt, wodurch das Öl kleine Tröpfchen im Wasser bilden kann, die leichter entfernt werden können.
Die zur Herstellung von Seife verwendete Reaktion ist die Verseifungsreaktion. Ursprünglich wurde Seife durch Erhitzen von Salz, Asche und tierischen Fetten in Wasser hergestellt. Die ersten bekannten Seifen wurden 2800 v. Chr. In Babylon nach diesem Verfahren hergestellt. Heute wird Seife hergestellt, indem entweder Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid mit Fettsäuren (die aus Fettmolekülen stammen) umgesetzt wird.
Zu anderen Zwecken als der Körperhygiene wurden Seifen jedoch weitgehend durch Reinigungsmittel ersetzt. Diese Reinigungsmittel sind Seifen ähnlich, werden jedoch in der Regel von Petrochemikalien abgeleitet und weisen gegenüber Seifen mehrere Vorteile auf. Sie neigen dazu, länger zu dauern, ohne sich zu zersetzen. Sie neigen auch dazu, in kaltem Wasser oder hartem Wasser (Wasser mit relativ hohem Kalziumgehalt) löslicher zu sein, was bedeutet, dass wir nicht so wahrscheinlich diesen widerlichen Seifenschaum sehen.