AIC002 – Skript – Alles ist Chemie

Hallo,

und willkommen zum Podcast „Alles ist Chemie“, ich bin Nicholas Jankowski. Schön, dass ihr zuhört.

Das ist die zweite Folge des Podcasts, heute geht es um ein Thema aus der Geschichte, die eventuell erste bewusste chemische Reaktion der Menschheit.

Es geht um das Feuer. Die Beherrschung des Feuers ist eines der wesentlichen Merkmale, das den Menschen von den Tieren unterscheidet. Sprache und auch Werkzeuggebrauch findet man in Ansätzen bei Tieren. Das Feuer allerdings nicht. So gehen einige Forscher davon aus, dass Feuer das wesentliche Merkmal der Menschwerdung war. Es ermöglicht längere nutzbare Tage, da die Nacht erhellt wird, Schutz vor wilden Tieren, die sich vor Feuer fürchten, die Ausbreitung in kältere Gebiete, da man sich warmhalten kann und das Kochen von Lebensmitteln, welches eine eigene Folge verdient.

Heute ist das Feuer ebenfalls überall zu finden. Die meisten Heizungen verbrennen heute noch Öl oder Gas zur Wärmegewinnung. Auch die Stromgewinnung erfolgt häufig durch das Verbrennen von Kohle oder Gas. Zudem gibt es natürlich noch die Gasherde zum Kochen oder der Verbrennungsmotor in dem Diesel und Benzin verbrannt werden. Wir haben die Oberfläche mit dem Feuer verlassen und verbrennen Kerosin im Flugzeug, oder spezielle Raketentreibstoffe, um unseren Planeten sogar zu verlassen. Das Feuer ist zentral für unsere Zivilisation doch müssen wir inzwischen auch sehen, dass es uns zerstören könnte. Denn das Hauptprodukt der Verbrennung, CO₂, führt zum Klimawandel und wenn wir nicht die Kurve kriegen, auch in die Klimakatastrophe.

Wir beginnen mit dem geschichtlichen Hintergrund.

Die Kontrolle des Feuers führt uns zurück in die Vorgeschichte der Menschheit. Das heißt wirklich weit zurück, über eine Millionen Jahre.

Die Vorgeschichte beginnt in Europa vor ca. 1.3 Millionen Jahre als die ersten menschlichen Vorfahren einwanderten, in Afrika beginnt sie bereits vor 3.4 Millionen Jahren. Regional können also die Zeitalter sehr unterschiedlich sein.

Und das setzt sich fort: Der Übergang in die Frühgeschichte ist regional unterschiedlich und ist dann erreicht, wenn ein Schriftsystem entwickelt wurde. Für Ägypten ist dies um 3000 vor Christus der Fall, für Mitteleuropa deutlich später.

Doch wir sind erstmal in der Vorgeschichte. Diese wird nach den Materialien Materialien eingeteilt, die für Werkzeuge eingesetzt werden. Die großen Begriffe werden den meisten wohl auch bekannt sein, die Stein-, Bronze- und Eisenzeit.

Wir widmen uns der Steinzeit, diese beginnt vor ca. 3.4 Millionen Jahre. Sie wird eingeteilt in die Alt-, Mittel- und Jungsteinzeit, wobei die Menschen das Feuer in der Altsteinzeit entdeckten.

Die ältesten proklamierten Funde sind umstritten und liegen bis zu 2 Millionen Jahre zurück. Gesicherte und allgemein anerkannte Funde sind ca. 1 Millionen Jahre alt. Diese Fundstelle liegt in Südafrika in der Wonderwerk-Höhle. Dieser Zeitrahmen legt die Kontrolle des Feuers vor dem Auftauchen des modernen Menschen, Homo sapiens. So wäre in diesem Falle unser Vorfahre Homo erectus für die Kontrolle des Feuers verantwortlich.

Doch wie kommen die Forscher darauf, dass dort wirklich Feuer kontrolliert eingesetzt wurde und warum sind die vorherigen Funde umstritten?

Die Überreste die Archäologen heute ausgraben können, sind verbrannte pflanzliche und tierische Materialien oder bestimmte Steine. Doch an der Oberfläche, zum Beispiel in Steppen, können solche Spuren auch durch natürliche Brände entstehen. Ausgelöst werden können diese zum Beispiel durch Blitzeinschläge. Das Fachgebiet dazu heißt Feuerökologie und es gibt Bereiche der Erde die wirklich häufig brennen, alle paar Jahre sogar.

Daher ist ein Fund tief in einer Höhle bedeutsam, da es für ein natürlich entstandenes Feuer eher unwahrscheinlich ist dort Knochen zu verbrennen. Und so ist es in der Wonderwerk-Höhle, tiefer im Inneren wurden verbrannte Knochen im Sediment gefunden, wodurch geschlossen werden kann, dass dort Menschen Feuer benutzt haben.

Zweifellos kann gesagt werden, dass das Feuer genutzt wurde, aber ob dieses bewusst erzeugt wurde oder von natürlichen Bränden bewahrt wurde, kann nicht gesagt werden. Interessant dabei auch, dass es eventuell immer wieder erfunden und vergessen wurde, bis sich das Wissen erhielt.

Strittig bzw ungeklärt ist auch, ob die Besiedlung von Europa oder zumindest Nordeuropa nur durch die Beherrschung des Feuers möglich war. Wenn die Temperatur zu gering war, dann wäre diese eben nur mit Feuer möglich.

Ebenso ungeklärt ist, wann Feuer wirklich regelmäßig eingesetzt wurde. Spätestens allerdings vor 100 bis 50 Tausend Jahre, denn dort steigt die Anzahl an Funden sehr stark an.

Erzeugt werden konnte das Feuer wahrscheinlich zunächst durch Reibung, indem man Holz in verschiedenen Formen aneinander rieb. Eine andere Möglichkeit ist das gezielte Schlagen von Funken mit Feuersteinen. Bekannt sind diese bereits seit der Steinzeit. Auch die bekannte Mumie Ötzi aus der Jungsteinzeit trug einen Feuerstein bei sich.

Auch wenn nicht ganz klar ist wie und wann alles begann, kann festgehalten werden, dass das Feuer extrem wichtig für die Entwicklung des Menschen ist und war.

Damit kommen wir jetzt zur Chemie des Feuers.

Chemisch betrachtet ist das Feuer eine Verbrennung. Wow, das war auch für mich zu stumpf.

Aber gucken wir mal was passiert:

Vielleicht habt ihr es schon einmal gehört, es gibt da das Verbrennungsdreieck. Das zeigt auf, dass für ein Feuer drei Bestandteile nötig sind.

Ein Brennstoff, zum Beispiel Holz oder Wachs,
Ein Oxidationsmittel, in der Regel Sauerstoff,
Und Wärme, beziehungsweise Energie.

Wird zur richtigen Mischung von Holz und Sauerstoff also genug Energie zum Beispiel durch einen Funken zugefügt, dann kommt es zur Entzündung und eine Verbrennung kommt zu Stande. Die Verbrennung ist exotherm, das bedeutet, dass bei der Reaktion Energie frei wird. Wenn dann genug Holz und Sauerstoff vorhanden sind, dann bleibt die Verbrennung erhalten. So fängt man klassischerweise mit Zunder an, ein Nest an Feuer breitet sich aus, bis genug Energie vorhanden ist, dass auch größere Holzscheite kontinuierlich anfangen zu brennen.

Zunder ist in der Regel gut zu trocknen und wird sehr trocken aufbewahrt. Zudem hat er eine große Oberfläche, zum Beispiel als ein Schwamm. Dadurch hat Zunder viel Kontakt mit der Luft und kann sich besser entzünden.

Der Zunder wird in die Nähe von kleineren Holzscheiten gelegt. Je trockener die sind, desto besser. Denn es wird zunächst das Wasser verdampft, das in dem Holz noch steckt. Das Verdampfen führt zur Kühlung und das sich das Holz zunächst nicht entzündet. Erst wenn es weg ist, kann das Holz sich zersetzen. Die Zersetzung, auch Pyrolyse genannt, führt zur Freisetzung von gasförmigen Stoffen, die leicht entzündlich sind, sodass sie anfangen zu brennen und wir auch eine Flammenerscheinung sehen, was man im Allgemeinen als Feuer bezeichnet. Irgendwann werden keine flüchtigen Stoffe mehr produziert, sodass nur noch die Glut verbleibt. Auch das ist noch eine Verbrennung im chemischen Sinne, aber ohne Flamme.

Also was ist jetzt eine Verbrennung im chemischen Sinne? Achtung Definition: Eine chemische Verbrennung bezeichnet exotherme Redoxreaktionen bei deinen ein Brennstoff mit einem Oxidationsmittel reagiert.

Nehmen wir das mal so hin und dann auseinander.

Exotherme Redoxreaktion: exotherm hatten wir schon, das bedeutet, dass bei der Reaktion mehr Energie frei wird, als verbraucht wird. Oder anders ausgedrückt, Feuer ist heiß, bleibt heiß und kann noch heißer werden.

Eine Redoxreaktion ist zusammengesetzt aus drei Wörtern: Reduktion, Oxidation und Reaktion. Redox ist dabei gemixt aus Red-uktion und Ox-idation. Das dieses Kofferwort existiert ist ziemlich logisch, treten beide Prozesse doch stets gleichzeitig auf.

In der Reaktion bekommt ein Oxidationsmittel Elektronen und ein Reduktionsmittel verliert Elektronen. Es sind demnach zwei sich ergänzende Prozesse. Im Beispiel eines Lagerfeuers nimmt Sauerstoff (als Oxidationsmittel) Elektronen auf, während die Bestandteile des Holzes Elektronen abgeben. Man spricht davon, dass der Sauerstoff das Holz oxidiert, während er selbst reduziert wird.

Wenn alles optimal läuft, dann kommen am Ende Wasser und Kohlenstoffdioxid bei raus (H₂O und CO₂). Aber bis es da angelangt ist sind sehr viele radikalische Schritte nötig, die ich nicht alle aufschlüsseln möchte. Nur so viel: Radikale haben ein ungepaartes Elektron und sind deswegen sehr reaktionsfreudig.

Die meisten Feuer brennen allerdings nicht vollständig zu CO2 und H2O, daher gibt es ganz oft giftige Nebenprodukte. Darunter sind dann Ruß beziehungsweise Kohlenstoff, Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide, und verschiedene flüchtige Verbindungen.

Wir wissen inzwischen wie ein Feuer entsteht und was dafür nötig ist: Brennstoff, Oxidationsmittel und Energie. Außerdem wissen wir jetzt, dass bei einer vollständigen Verbrennung nur Wasser und CO₂ rauskommen.

Doch wie entsteht das Licht, wie kommt es zu der klassischen gelben Farbe?

Der größte Anteil, den wir dort sehen, ist der Ruß. Wir sehen die Wärmestrahlung, die Kohlenstoff abgibt, bei ca. 1200 °C. Und das Lustige daran? Das ist der gleiche Grund, warum eine altmodische Glühbirne a) gelb leuchtet und b) so heiß wird. Im Innern ist ein Wolframdraht, der bei ca. 2400 °C glüht. Ein weiteres Beispiel ist Metall in einer Schmiede. Die Schmiedin kann anhand des Leuchtens die Temperatur abschätzen und je kälter das Eisen wird, desto röter wird es zunächst, bis es nicht mehr im für uns sichtbaren Bereich abstrahlt. Im Infrarot-Bereich, dort wo auch wir bei ca. 36 °C strahlen.

So sieht es zumindest in einer Kerze aus. Vielleicht kennt ihr ja einen Bunsenbrenner, der hat die Möglichkeit unten an der Basis aufgedreht zu werden. Dadurch wird Luft hineingezogen und es kann sich ein vorgemischtes Gas/Luftgemisch bilden. Das führt zu drei Dingen, erstens die Vebrennung verläuft vollständig, zweitens sie ist heißer und drittens sie hat nur noch eine schwächere bläuliche Färbung.

Und diese Färbung ist sehr interessant. Denn die ist charakteristisch für die Moleküle oder auch Atome, die im Feuer enthalten sind. Dieser Effekt kann für buntes Feuerwerk genutzt werden, aber auch um herauszufinden, welche Elemente in einem Stern vorhanden sind

Doch was passiert? Wir wissen, dass im Bunsenbrenner Gas verbrannt wird. Im Falle von Erdgas besteht es hauptsächlich aus Methan (CH₄). Es folgen Verbrennungsreaktionen bei denen Energie frei wird. Diese Energie kann im Molekül oder Atom Elektronen anregen. Das bedeutet, dass sie Energie aufnehmen und auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. Was das genau ist kommt vielleicht einmal später, aber in Kürze: für die Elektronen ist das nicht günstig und sie würden die Energie gerne wieder abgeben. Aufgrund ihrer quantenchemischer Natur müssen sie das in ganz definierten Paketen tun. Das geschieht in der Form von Licht und hat in unserem Falle eine leicht bläuliche Färbung. Diese kommt von CH-Radikalen oder diatomaren Kohlenstoff (C₂) und ist eben für verschiedene Atome/Ionen/Moleküle charakteristisch.

Das Phänomen heißt Atomabsorption bzw. Atomemission, jeweils für Auf- oder Abgabe von Licht, bzw. für farbiges Feuer: Flammenfärbung.

Die berühmteste Anwendung dieser sogenannten Flammenfärbung ist das bereits erwähnte Feuerwerk. So ist zum Beispiel Lithium rot, Natrium gelb, Kupfer grün oder blau, oder Magnesium weiß.

Ein erschreckendes Beispiel hingegen war der Brand beim Indy 500 1981. Dort hatte sich beim Tankvorgang Methanol (CH₃OH) über den Fahrer Rick Mears ergossen. Methanol verbrennt sehr sauber, sodass die Flamme fast gar nicht zu sehen ist. Im Dunklen womöglich noch ein schwaches blaues Leuchten, im Sonnenlicht quasi unsichtbar. Das Video zeigt Szenen, wie die Personen versuchen das Feuer zu löschen und sich zu retten. Glücklicherweise sind nur geringe Verletzungen erlitten worden. Das Video inklusive des Kommentars von Rick Mears selbst verlinke ich (https://www.youtube.com/watch?v=Rh6VO9_GhLY).

Kommen wir dazu wofür Feuer in der Vorzeit eingesetzt wurde. Das unterscheidet sich erstmal kaum von unserem Gebrauch. Insbesondere nämlich für Kochen und Wärme.

Darüber hinaus sind wahrscheinlich Holzspeere gehärtet worden. Dabei wird Holz über eine Flamme oder Glut gehalten. Ab 180 °C soll die im Holz enthaltene Hemicellulose kristallisieren und dadurch das Holz härter machen. Wobei in einer Studie auch festgestellt werden konnte, dass die Härte zwar erhöht wird, aber sie auch brüchiger werden.

Ein weiteres frühes Einsatzgebiet ist, das Erhitzen von Steinen. Genauer gesagt das Tempern von Feuerstein. Bestimmte Arten von Gestein wurden kontrolliert erhitzt und abgekühlt. Dadurch wird die Gesteinsstruktur verändert und das Abschlagen von Bruchstücken erleichtert.

Über das Kochen werde ich bald eine eigene Folge machen.

Wir werden in Zukunft auch sehen, dass wir in vielen Bereichen Feuer antreffen werden. Sei es zum Beispiel in der Töpferei, dem Verhütten und bearbeiten von Metall und vielen weiteren Prozessen.

Feuer bietet damit die in gewissem Sinne die Grundlage unsere Zivilisation.

Fassen wir die heutige Folge zusammen:

Wir haben uns heute die erste geplant durchgeführte chemische Reaktion der Menschheit angeguckt: das Feuer.

Die Menschheit hat wahrscheinlich vor 1 Mio. Jahren angefangen das Feuer kontrolliert einzusetzen, deutlich später vor ca. 100-50k Jahre nimmt die Anzahl der Funde stark zu, sodass man davon ausgehen kann, dass sich das Feuer machen verbreitet und gehalten hat.

Chemisch gesehen handelt es sich beim Feuer um eine exotherme Redoxreaktion. D.h. es wird mehr Energie frei, als verbraucht wird und, dass einerseits etwas oxidiert und etwas anderes reduziert wird.

Oxidiert wird der Brennstoff, z.B.: Holz oder Gas, vom Oxidationsmittel, z.B.: Sauerstoff. Damit die Reaktion beginnen kann, muss eine gewisse Menge Energie vorhanden sein (z.B.: durch einen Blitzschlag). Solange alle drei Zutaten vorhanden sind, breitet sich ein Feuer aus.

Die wichtigsten Anwendungen für Feuer waren damals wie heute vor allem Wärme, um bei Kälte zu überleben und das Kochen, um Nährstoffe besser verfügbar zu machen.

Weitere wichtige Anwendungen sind dabei natürlich nicht zu vergessen. Es spendet Licht in dunkelster Nacht oder in Höhlen und es bietet Schutz vor wilden Tieren, die sich davor fürchten. Außerdem wurden Steine und Holz mit Feuer behandelt, um in der Steinzeit bessere Werkzeuge zu erhalten.

Damit sind wir auch schon am Ende der Folge. Das Skript, die benutzten Quellen, weiterführende Links, Bilder und einen Zeitstrahl findet ihr auf der Website allesistchemie.de, zusammen geschrieben ohne Leerzeichen.

Das war Alles ist Chemie Folge Nr 2, ich bin Nicholas Jankowski, danke fürs Zuhören.

Quellen:

1. J. Weyer, Geschichte der Chemie Band 1.

2. J. Goudsblom, Feuer und Zivilisation.

3. S. Cornel, Das Feuer ist kein Ungeheuer.

4. PDF! A. Seed, R. Byrne Curr. Biol. 2010, 20, 23, 1032-1039.

5. https://en.wikipedia.org/wiki/Animal_language.

6. https://de.statista.com/infografik/27327/anteil-der-energietraeger-beim-heizen-des-wohnungsbestandes-in-deutschland/.

7. https://www.destatis.de/DE/Presse/Pressemitteilungen/2023/03/PD23_090_43312.html

8. F. Berna et al., PNAS 2012, 109, 20, 1215-1220; DOI: 10.1073/pnas.1117620109.

9. https://smokeybear.com/en/about-wildland-fire/benefits-of-fire/fire-in-nature.

10. B. Aranguren et al., PNAS 2018, 115, 9, 2054-2059; DOI: 10.1073/pnas.1716068115