Dem britischen Pfarrer und Wissenschaftler Joseph Priestley wird im Allgemeinen die Entdeckung des Sauerstoffs zuerkannt. Er entdeckte auch die Gase Stickoxid, Stickstoff-Dioxid, Lachgas, Chlorwasserstoff, Ammoniak, Schwefeldioxid, Kohlenstoffmonoxid, Stickstoff und Siliziumtetrafluorid. Und er brachte die Bläschen ins Sodawasser.
Vor Priestleys Arbeit kannte man drei Sorten »Luft«: Luft im Sinne unseres gängigen Sprachgebrauchs, Kohlendioxid und Wasserstoff. Priestley hatte Kohlendioxid in einer Brauerei in Leeds beobachtet, wo es sich über gärendem Bier anlagerte.
Kohledioxid ist ein Nebenprodukt der Gärung. Wenn Hefe gärt, wird Zucker in Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt. Priestley fand heraus, dass ein angenehm perlendes Wasser entstand, wenn man Wasser mittels Kohlendioxid sprudeln ließ. Bei Sodawasser handelt es sich einfach um Wasser, das mit Kohlensäure (H2CO3) versetzt wird. Diese wiederum ist eine Kombination aus Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) und verleiht dem Sodawasser seinen charakteristischen »Biss«, wenn sie mild auf der Zunge brennt.
Priestley entwickelte dann eine Methode zur Herstellung von Sodawasser, bei der er Wasser, Schwefelsäure (H2SO4) und Kalk (Kalziumkarbonat: CaCO3) mischte. Die Säure reagierte mit dem Kalk und es entstanden Kohlendioxid, Calciumsulfat (CaSO4) und noch mehr Wasser. Das Kohlendioxid wird dann in das Wasser eingeleitet, um Kohlensäure herzustellen (siehe Gleichung 118.1). Priestley beschrieb diesen Prozess 1772 in seinem Buch Directions for Impregnating Water with Fixed Air.
Phlogiston, Feuer und Oxidation
Das nicht existierende Element Phlogiston kann man sich als Anti-Sauerstoff vorstellen – Phlogiston wurde vermeintlich freigesetzt, wenn ein Material verbrannt wurde oder oxidierte (etwa wenn Eisen rostet). Im späten 17. und 18. Jahrhundert nahmen die Wissenschaftler an, dass Materialien nicht länger brennen oder oxidieren würden, wenn die Luft mit Phlogiston gesättigt war, und das Tiere in dieser Luft nicht überleben könnten. Das Gegenteil war der Fall (wie Lavoisier bewies) – es ist das Vorhandensein von Sauerstoff, das die entsprechenden Prozesse ermöglicht. Sauerstoff ist die Hauptkomponente der Oxydation, die beim Rosten, Anlaufen, Verbrennen und Atmen eintritt.
Man kann sich die Oxydation auf drei Arten vorstellen: als Hinzufügen von Sauerstoff, als Entfernen von Wasserstoff oder als Verlust von Elektronen. Die Oxydation wird jeweils von einer äquivalenten Gegenreaktion begleitet, die man sich als Verlust von Sauerstoff, Hinzufügen von Wasserstoff oder die Gewinnung von Elektronen vorstellen kann. Diese komplementären Reaktionen werden Redox genannt.
Wenn beispielsweise Eisen (Fe) rostet, oxidiert es zu Eisenoxyd (Fe2O3). In diesem Fall wird Sauerstoff zum Eisen hinzugefügt (Oxidation) und das Sauerstoffgas geht vollständig verloren (Reduktion), weil die drei Sauerstoffmoleküle vollständig für die Oxidation verwendet werden. Dies sehen Sie in der chemischen Gleichung 118.2.
Bei den in Haushalten üblichen Warmwasser-Boilern wird Methan (CH4) verbrannt. Der Kohlenstoff im Methan oxidiert. Dabei verliert er alle vier Wasserstoffatome (Oxidation) und zwei der Sauerstoffatome gewinnen Wasserstoff und bilden Wasser (Reduktion). Die Verbrennung von Methan wird in der chemischen Gleichung 118.3 dargestellt.
Am genauesten lässt sich die Redox-Reaktion über den Elektronentransfer oder die Änderung der Gesamtladung beschreiben. Wird Sauerstoff hinzugefügt, wird die chemische Bindung dadurch gebildet, dass Elektronen zum Sauerstoff wandern. Wird Sauerstoff entfernt, wandert ein Elektron vom Sauerstoff ab.
Das Blitzlicht alter Kameras enthielt zum Beispiel eine kleine Menge Magnesium (Mg), das sehr hell brannte, wenn man es entzündete. Wenn Magnesium verbrennt, entsteht in einer Redox-Reaktion Magnesiumoxyd (MgO). Hier gewinnt das Magnesium Sauerstoff und verliert gleichzeitig Elektronen. Aus dem Magnesium wird Mg2+ (es verliert zwei Elektronen) und Sauerstoff O2- gebildet. Magnesiumoxyd ist ein Beispiel für eine ionische Bindung, die bei der Oxidation von Metall (wie dem Rosten in Abbildung 118-2) üblich ist und bei der das Metall Elektronen an den Sauerstoff abgibt, um die Bindung herzustellen.
Eine Oxidation kann auch eintreten, ohne dass überhaupt Sauerstoff vorhanden ist. Wo immer Elektronen wandern, gibt es eine Redox-Raktion. Magnesium kann auch mir Chlorgas (Cl2) reagieren Dabei entsteht dann Magnesiumchlorid (MgCl2). Das Magnesium verliert zwei Elektronen und wird zu Mg2+ (Oxidation). Jedes Chloratom gewinnt ein Elektron und wird zu Cl– (Reduktion). Dies ist in Gleichung 118.4 dargestellt.
Wie auch immer es also zur Redox-Reaktion kommt, es ist definitiv kein Phlogiston beteiligt.
Doch sein größter Erfolgt war 1774 die Entdeckung des Sauerstoffs. Priestley nutzte eine Linse, um Sonnenlicht auf Quecksilberoxid (HgO) zu fokussieren. Dieses wurde so auf über 400°C erhitzt und zerfiel in Quecksilber und Sauerstoff. Er bemerkte, dass das Gas, das er »dephlogistionierte Luft« nannte, Kerzen heller scheinen ließ, das Mäuse mit einer bestimmten Menge dieses Gases länger lebten als mit der gleichen Menge Luft, und das das Einatmen dieses Gases ein wohliges Gefühl erzeugte.
Er nannte Sauerstoff »dephlogistionierte« Luft, weil er glaubte, dass es sich um Luft handelte, aus der das »Phlogiston« entfernt worden war. Von diesem mystischen Element nahm man zu jener Zeit an, dass es für die Entflammbarkeit von Materialien verantwortlich war. Man glaubte, dass bei der Verbrennung von Dingen Phlogiston freigesetzt würde. Priestley beobachtete, dass Sauerstoff die Verbrennung verlängerte, und erklärte dies damit, dass mehr Phlogiston freigesetzt würde als bei normaler Luft (von der er annahm, dass sie bereits eine bestimmte Menge an Phlogiston enthielt). Er blieb seiner Phlogiston-Theorie auch dann noch treu, als der Franzose Antoine Lavoisier bewiesen hatte, dass diese nicht stimmt. Lavoisier gab Wasserstoff und Sauerstoff dann auch ihre Namen und zeigte, dass Menschen Sauerstoff atmen, um Leben zu können.
Priestley war ein englischer Dissident, ein Priester, der mit der anglikanischen Kirche gebrochen hatte, und ein politischer Theoretiker, der die französische Revolution unterstützte. 1791 führten seine Ansichten dann zu den Birmingham-Unruhen, bei denen sein Heim, seine Kirche und andere Gebäude bis auf die Grundmauern niedergebrannt wurden. 1794 emigrierte Priestley in die Vereinigten Staaten, wo er in Northumberland, Pennsylvania, eine neue Heimat fand und 1804 starb.
Heute ist das Joseph Priestley House ein Museum, das Priestleys Lebens und Arbeit würdigt. Obwohl sein Hab und Gut nach seinem Tod in alle Winde verstreut wurde, versetzte man das Haus wieder in den Zustand, in dem es sich zu seinen Lebzeiten befand, einschließlich seines Laboratorium, das nun Nachbildungen seiner Gerätschaften beherbergt.
Von Zeit zu Zeit werden in seinem Haus Heritage Days organisiert, bei denen kostümierte Darsteller die Rolle der Priestley-Familie übernehmen und Priestleys Experimente demonstriert werden. An den übrigen Tagen werden Priestleys chemische Experimente und seine Zeit in den USA im Rahmen geführter Rundgänge veranschaulicht.
Das Haus ist auch eine Wallfahrtsstätte der American Chemical Society, die dort besonderer Momente in der Geschichte der Chemie gedenkt.
Die Website des Joseph Priestley House finden Sie unter http://www.josephpriestleyhouse.org/.