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Ein Lehrmärchen über die Chemie – für Chemiker.

Ein Märchen über die Sicht der Chemie auf die Welt
Es geschah vor vielen Jahren, als die Welt noch nicht so global und hektisch war. Da wurde ein Jüngling mit seiner Schule fertig und wollte mehr lernen. So verließ er seine Heimat und ging in die Welt hinaus.
Was er machen wollte, war ihm nicht klar. "Irgendetwas wird sich schon finden", dachte er bei sich selbst. Kaum hatte er es gesagt, da trug der Wind des Lebens ihm ein Blatt von einer Chemiezeitung zu. Darin wurde über einen berühmten Professor berichtet, der eine Frage berühmt war. "Wie geht eine reversible Diels-Alder-Reaktion?"
'Das ist eine Aufgabe nach meinem Geschmack', dachte der Jüngling. 'es gibt so viel, was ich noch lernen kann - Diels-Alder-Reaktion oder reversibel klingen so schön fremdlich.' Die Neugier war geweckt und der Jüngling machte sich auf den Weg. Leider fehlte der Anfang des Artikels fehlte, wo die Heimatstadt des Professors erwähnt war. Da jede Richtung gleich gut war, ging auf gut Glück nach Süden Und das war wirklich sein Glück.
Schon bald kam er in ein Dorf. Dort fragte er nach dem Professor, aber niemand kannte den berühmten Professor oder eine Diels-Alder-Reaktion. Am Ende des Dorfes traf er auf den verständigen Dorfschmied und fragte auch diesen: "Ach, bei uns ist nur wichtig, ob die Pferde ihre Hufeisen haben und ob die Ernte gut wird. Vielleicht kann Dir der Chemiker im verwunschenen Stoffwald helfen." Der Junge ließ sich die Richtung zeigen und ging dorthin.
Schon bald kam er in dem Wald. Dieser war nicht wie ein normaler Wald. Jeder Baum trug einen eigenen Namen und überall auf den Bäumen waren Begriffe wie "ESR", "solid" zu lesen. Manche Zeichnungen glichen verwunschenen Strichmännchen. Nach einer Weile kam er zu einem Häuschen. Davor sah er einen kleinen hageren Mann mit Glatze in einer Schonung arbeiten. Er war damit beschäftigt, an der einen Stelle Bäume auszureißen, um sie dann an anderer Stelle einzusetzen. Der Junge näherte sich der Schonung und sprach den merkwürdigen Mann an.
"Ach, wenn du die Frage des Professors beantworten willst, dann musst du viel über Stoffe wissen. Bleibe ein Jahr bei mir und helfe mir beim Ordnen der Stoffe. Dann will ich Dir den Weg wohl weisen." Da siegte die Neugier über den Wunsch nach Ehre und der Jüngling blieb beim Chemiker im Stoffwald. Er erlag schon bald der Faszination des Stoffwaldes. Wenn man ein HCl-Baum neben einen NaOH-Baum pflanzte, starben beide Bäume und es entstanden ein H2O-Baum und ein NaCl-Baum. Die neu entstandenen Bäume hatten natürlich nicht sofort ihre Aufschrift. Diese musste man erst mit verschiedenen Nachweisverfahren sichtbar machen. Die Nachweise offenbarten Eigenschaften, Kenngrößen und Molekülformeln der Stoffbäume. Durch seinen Meister im Stoffwald lernte der Jüngling viele Stoffklassen kennen. Diese ließen sich meist an den Molekülformeln erkennen. Bei vielen Stoffbäumen war auch der Aggregatzustand wichtig, denn am besten reagierten die flüssigen Stoffbäume. Festes Stoffbäume musste der Jüngling erst neben Lösungsmittelbäume oder Wasserbäume pflanzen, damit sie auf andere Stoffbäume reagieren konnten. In der Anfangszeit arbeitete der Jüngling in der Grundschonung, um die grundlegenden Stoffklassen, ihre Molekülformeln und die dazugehörigen Reaktionsmechanismen kennen zu lernen. Aber schon bald konnte er dem Chemiker in dessen Highlightschonung helfen und die eine oder andere Idee zur Ordnung der Stoffbäume einbringen. Hier lernte er auch die Stoffbäume kennen, die eine Diels-Alder-Reaktion machen konnten. Schon bald experimentierte der Jüngling mit verschiedenen Stoffbäumen und suchte vergeblich die reversible Diels-Alder-Reaktion.
Aber langsam lernte der Jüngling Reaktionsmechanismen und erkannte den Sinn der Stoffordnungen. Nach zwei Jahren sprach er:
"Meister, ich habe viel gelernt. Ich möchte aufbrechen, um das Geheimnis der reversiblen Diels-Alder-Reaktion zu entdecken." Da zeigte der Chemiker des Stoffwaldes dem Jüngling den Weg zum berühmten Professor. Der Jüngling machte sich auf den Weg und gelobte mit der Antwort zurückzukehren.
Nach drei Tagen Fußmarsch kam er an eine Weggabelung. Am Ende des rechten Weges sah er am Horizont ein Dorf. Da er sich für keine Weg entscheiden konnte, wollte er im Dorf nach dem Weg fragen. Am Abend der vierten Tages erreichte er die Gaststätte. Dort fragte er nach dem Weg zum berühmten Professor, aber es kannte ihn keiner. Der Wirt meinte: "Vielleicht kennt der Alchemist auf dem Berg der verwunschenen Umwelten den Weg."
Nachdem er die Nacht in der Gaststätte verbracht hatte, wollte er nach dem Frühstück zum Berg der vielen Umwelten aufbrechen. Der Wirt schärfte ihn ein, nicht den Weg zu verlassen, weil es rechts und links des Weges nicht geheuer sei. Der Jüngling gelobte Vorsicht und wanderte los. Am Nachmittag erreichte er das Haus in der Nähe des Gipfels. Da niemand zu Hause war, wartete er. Die Umgebung sah recht unheimlich aus. An manchen Stellen waren richtig gleißend hell. An anderen Stellen schien überhaupt kein Licht die Erde zu erreichen. An wieder anderen Stellen waberten Nebelschwaden, die plötzlich an einer Stelle plötzlich im Nichts zu verschwinden schienen. 'Das sind also die vielen Umwelten', dachte er bei sich. Nach einiger Zeit wurde er der Umgebung überdrüssig und ging umher. Hinterm Haus fand er eine kleine Schonung von Stoffbäumen. Alle kannte er aus der Grundschonung. Die meisten gehörten zu den eher langweiligen Stoffbäumen. Irgendwann ging er zum Haus zurück. Da schritt plötzlich aus einer absolut dunklen Umwelt der Chemiker heraus.
Der Jüngling fragte den Chemiker nach dem Weg zum berühmten Professor.
"Den Weg weiß ich wohl. Aber kennst du die Antwort auf die Frage?"
"Nein, aber ich werde sie schon noch auf meinem Weg herausfinden. Beim Chemiker im Stoffwald lehrte ich viel über die Stoffe. Er hatte auch viel mehr Stoffbäume als Sie hinter Ihrem Haus. Ich werde die richtige Antwort noch finden."
"Ach, was versteht schon der Chemiker im Stoffwald von Chemie. Nichts. Der glaubt doch wirklich, dass nur die Stoffe die Chemie bestimmen. Dummes Zeug. Der merkt doch überhaupt nicht, wie seine Umwelt seine Experimente mal gelingen und mal misslingen lässt. Bleibe ein Jahr bei mir und ich werde dich lehren, wie die Umwelt die Stoffbäume und ihrer Wechselwirkungen verändert." Wieder siegte beim Jüngling die Neugier und er blieb. Zu Anfang musste er ersteinmal die Mathematik lernen. Im "Lehrpraktikum" lernte der Jüngling verschiedenen Umweltkräfte kennen, Kräfte wie die Elektrizität bei Elektrolysen, das Licht bei radikalischen Substitutionen, den Ausschluss von Magnetismus bei der Fällung von Nickelhydroxid oder den Schall zur Erzeugung von Hot-Spots in Lösungen. Er lernte verschiedene Umwelten auf dem Berg der vielen Umwelten zu erzeugen. Anschließend untersuchte er, was die Änderungen von Temperatur und/oder Druck zum Beispiel bei Gleichgewichtsreaktionen bewirkt. Mit der Thermodynamik verstand er zum ersten Mal richtig, was das reversibel in der Frage meinte. Der Chemiker lehrte ihn auch, welchen Einfluss der Mengenverhältnisse der Stoffbäume die Geschwindigkeit die Reaktion der Stoffbäume hatte. Hier bekam die Reaktionsgleichung eine Bedeutung, die über die Beschreibung der Stoffumwandlung hinausging. Der Jüngling brauchte lange, bis er verstand, warum der Chemiker die Lösungsmittelbäume und Katalysatorbäume in seinen Reaktionsgleichung mit dem stöchiometrischen Koeffizienten Null angab. Auch der relative stöchiometrische Index irritierte den Jüngling lange, bis er irgendwann verstand, das damit die Ausbeute bzw. der Überschuss ausgewählter Edukte gemeint war.
Den Jüngling faszinierte die Beobachtung, dass bei manchen Stoffbaumkombinationen schon die Anwesenheit von kleinsten Wasserbäumen oder Sauerstoffbäumen ausreichten, um die Reaktion der Stoffbäume echt zu ändern. Auf diese kleinen Wasserbäumchen hatte er bei seiner Arbeit im Stoffwald kaum geachtet, weil er glaubte, dass nur die Stoffe die Reaktion bestimmen. So lernte der Jüngling auf die Reaktionsbedingungen selbst bei den einfachsten Reaktionen zu achten. Aus dem einen Jahr wurden schnell drei Jahre. Irgendwann aber erinnerte sich der Jüngling seines Zieles und sprach::
"Meister, ich habe viel gelernt. Ich möchte aufbrechen, um das Geheimnis der reversible Diels-Alder-Reaktion zu lüften." Da zeigte der Chemiker vom Berg der vielen Umwelten dem Jüngling den Weg zum berühmten Professor. Der Jüngling gelobte mit der Antwort zurückzukehren und wanderte los.
Die Wanderschaft führte den Jüngling durch viel schöne Täler und Landschaften. Immer wieder sah er am Wegesrand verschiedenen Gruppierungen von Stoffbäumen und erfreute sich daran. Nach Wochen kam er schließlich an eine Weggabelung mit fast unzählbar vielen Wegen.
An der Kreuzung stand ein einsames Haus, das bewohnt schien. Da der Junge sich keine Rat wusste, beschloss er zu warten. Gegen Abend kam dann der Chemiker der vielen verkoppelten Wege auf einem der vielen Wege zum Haus. Es war der merkwürdigste unter den Chemikern. Der Jüngling fragte ihn nach dem Weg zum berühmten Professor.
"Den weiß ich wohl. Aber kennst du die Antwort auf seine Frage?"
"Nein, aber ich werde die Antwort auf meinem Weg noch herausfinden. Der Chemiker im Stoffwald lehrte mich die Stoffe. Der Chemiker auf dem Berg der vielen Umwelten lehrte mich die Reaktionsbedingungen. So bin ich guten Mutes, eine Antwort finden zu können."
"Die beiden haben wichtige Erkenntnisse gefunden. Vielleicht entdeckst du eine Antwort. Ich beschäftige mich mit den Wegen der Stoffe vor und nach der Reaktion. Wie bestimmen das Vorher und Nachher den erfolg einer Reaktion zwischen Stoffbäumen. Möchtest du mein Schüler werden?" Da die Neugierde immer noch größer als der Ehrgeiz waren, blieb der Jüngling.
Im ersten Jahr kam der Jüngling kaum über das Trennungspraktikum hinaus. Er lernte die vier Trennungsprinzipien bei den chemischen Trennung die Fällung und die Maskierung. Er lernte die thermische Sublimatrion, Destillation und Umkristallisation kennen. Er experimentierte lange mit Zentrifunge, Filtern Sieben und Mikroskopen. Und auch die verschiedenen chromatographischen Verfahren beanspruchten die Zeit. Im zweiten Jahr nutzte die Destillation, um bei Veresterungen das Gleichgewicht zu überlisten. Er lernte den Fehler der Mitfällungen am Beispiel der BaSO4-Fällung kennen. Hier verfälscht der mangelhafte Abtransport der nicht reagierenden Edukte das Ergebnis. Besonders schwer fiel ihm das Verstehen von Redoxreaktionen, bis er den provisorischen Koppelpfeil erfand.

Porth ©2009 (www/∗)

Koppelpfeil

Erst dann begriff der Transfer der Elektronen. Auch liess der Pfeil sich gut auf den katalysierten Transfer von Energie oder Molekülfragmenten anwenden, wie man ihn oft in biochemischen Systemen beobachtet. Insbesondere führte der Koppelpfeil zur Idee, dass die Enzyme in Zellen die Edukte auf spezifischen Wegen führen, so dass mache biologische Enzyme eine Reaktion nur in eine Richtung katalysieren, weil das Enzym die Rückkehr der Produkte zum katalytischen Reaktionszentrum versperrt. Der Chemiker der vielen Wege entwickelte dafür das Bild der katalytischen Falltür. Sobald die beiden Edukte durch die katalytische Wirkung des Enzyms miteinander verbunden sind, fallen sie durch die Falltür. Diese klappt sofort wieder zu, so dass eine Rückbildung unmöglich wird..
Als das vierte Jahr begann, erinnert sich der Jüngling seines eigentlich Zieles und bat:
"Meister, ich habe viel gelernt. Ich möchte das Geheimnis der reversible Diels-Alder-Reaktion lüften." Da zeigte der Chemiker der vielen Wege dem Jüngling den Weg zum Professor. Der Jüngling gelobt mit der Antwort zurückzukehren und wanderte los..
Im Laufe der Zeit war der Jüngling zum jungen Mann gereift. Während seiner Wanderschaft zum Professor dachte er immer wieder über die Frage nach. Aber erfand keine Antwort, wie man eine reversible Diels-Alder-Reaktion durchführen könne. Bald kam er beim Professor an und sprach bei ihm vor:
"Als ich mich auf den Weg machte, war ich optimistisch, eure berühmte Frage lösen zu können. Ich bin jetzt hier und kenne die Antwort immer noch nicht. Der Chemiker im Stoffwald lehrte mich viel über die Stoffe, ihrer Eigenschaften und ihre liebsten Reaktionsmechanismen. Aber ich fand keine Stoffe, deren Energieniveaus so ähnlich sind, dass sie zu einer reversiblen Diels-Alder-Reaktion führen würden. Beim Chemiker der vielen Umwelten forschte ich über die Reaktionsbedingungen, aber ich she in Temperaturerhöhung und Druckerhöhung keine Weg zur reversiblen Diels-Alder-Reaktion. Auch mein letzter Lehrer, der Chemiker bei tausend Wegen, hilft hier nicht weiter, weil ein Diels-Alder-Produkt nach der Reaktion zusammengeführt bleibt. Ich weiß die Antwort nicht. Aber eines würde gerne wissen: Wie seid Ihr auf die Frage gestoßen?"
Da erzählte der berühmte Chemiker: "Ich wollte früher einmal analog zur Nitrierung eine Perchlorieung von Benzen durchführen. Dazu kippte ich einfach einen kleinen Schuss konzentrierte Perchlorsäure in ein offene Glas mit Benzen und ließ es kurz stehen. Nach der Zugabe von Wasser und nach dem Dekantieren habe ich das Benzen verdampfen lassen. Es blieb ein fester Rückstand zurück. Der Feststoff hatte laut H-NMR nur aliphatische Protonen. Ich dachte lange über die Frage nach, wie aus Benzenprotonen aliphatische Protonen wurden. Da ich den Stoff nicht genau identifizieren konnte, verlor ich irgendwann die Lust, über die die Frage nachzudenken. Ich definierte das Benzen als Trien, welches mit sich selbst im Sinne einer Diels-Alder-Reaktion reagiert haben muss. Als Startschritt nahm ich an, dass an der Phasengrenze Benzen-Perchlorat-Ionen als hochaktive Diene gebildet wurden, die dann mit anderen aktivierten Benzen-Perchlorsäure-Ionen oder mit Benzen im Sinne einer Diels-Alder-Reaktion reagiert haben. So bildetet sich ein Diels-Alder-Polymer. Da der Stoff im Laufen von Tagen im offenen Gefäß langsam verdampfte, redete ich mir ein, dass das Diels-Alder-Polymer zum Benzen zurückreagierte. Ich habe dies aber nie überprüft, weil mir damals die richtige Forschungsumgebung fehlte."
"Das klingt nach einer Herausforderung. Wollen wir die Frage zusammen lösen?", fragte der junge Mann. Er blieb lange beim Professor. Aus der Zeit stammt das Mind-Map, dass einen Überblick über die Parameter gibt, die bei der Interpretation einer Reaktion hilfreich sind. Das Mind-Map ist vielleicht auch heute noch dem einen oder anderen Studenten nützlich, um die vielfältigen Sichtweisen der Chemie als System zu begreifen.

Anlage: Mind-Map als Checkliste für chemische Reaktionsgleichungen und Experimentiervorschriften (Link zur mm-Datei im FreeMind-Format) (14 kBytes)
Mein Märchen nimmt Bezug auf meine Doktorarbeit. Dr. Dieter Porth.

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