HH + JJ = HJ + HJ

Um die Grundlagen für die Thermochemie zu schaffen, mußte *Hess*

zunächst die Methoden für die Wärmemessung ausgestalten. Er tat dies,

indem er ein für seine Zwecke geeignetes Kalorimeter herstellte und die

gewonnenen Ergebnisse berechnen und vergleichen lehrte.

Die Einrichtung des von *Hess* konstruierten Kalorimeters wird durch

nebenstehende Abbildung 53 erläutert. In dem Kasten, der zur Aufnahme

des Wassers dient, das die erzeugte Wärme aufnehmen soll, befindet sich

ein drehbarer Zylinder A. In diesen Zylinder schüttet man die eine von

den Substanzen, die man aufeinander wirken lassen will, während die

andere zunächst in die Gefäße (a, a) gebracht wird. Darauf wird der

Zylinder verschlossen und der Kasten, in dem er sich befindet, mit

Wasser gefüllt. Wird der Zylinder jetzt gedreht, so mischen sich die

Stoffe, die Reaktion tritt ein und die infolgedessen frei werdende

Wärme wird dem Wasser mitgeteilt. Damit die Wärme sich in dem Wasser

rasch verteilt, ist der Zylinder an seiner äußeren Fläche mit einigen

Schaufeln (b) versehen. Zwischen ihnen ragt das Thermometer durch den

Deckel des Kastens in den Apparat hinein.

[Illustration: Abb. 53. Das von *Hess* benutzte Kalorimeter.]

Um seinen Messungen die erforderliche Genauigkeit zu geben, zog *Hess*

in Betracht, daß nicht nur das in den Kasten des Kalorimeters gefüllte

Wasser, sondern auch der Apparat die bei der chemischen Reaktion

erzeugte Wärme aufnimmt. Unter Berücksichtigung der Wärmekapazität

und des Gewichtes des Kalorimeters ermittelte er den sogenannten

Wasserwert seines 7500 g Wasser fassenden Apparates zu 309 g. Bei

seinen Bestimmungen mußten für den mit 7500 g Wasser gefüllten Apparat

also 7809 g Wasser in Ansatz gebracht werden. Ferner wurde in Betracht

gezogen, daß auch die aufeinander reagierenden Substanzen einen Teil

der erzeugten Wärme aufnehmen. Endlich wurden die gefundenen Werte für

die untersuchten Stoffe auf das Molekulargewicht in Grammen bezogen.

Zur Erläuterung dieser für die thermochemische Untersuchung

grundlegenden Methode diene folgendes Beispiel: In den Zylinder

des Kalorimeters wurden abgewogene Mengen Schwefelsäure und

Ammoniakflüssigkeit gebracht. Der Apparat enthielt 7500 g Wasser. Für

den Apparat selbst und die beiden aufeinander wirkenden Substanzen

waren 637 g als Wasserwert in Ansatz zu bringen. Die Summe war also

8137 g. Die Temperaturerhöhung betrug 5,52 Grad. Die Anzahl der

entwickelten Grammkalorien belief sich somit auf 8137. 5,52 = 44919.

Die angewandte Menge Schwefelsäure (H_{2}SO_{4}) betrug 92,5 g,

entsprechend 75,5 g SO_{3}. Rechnete man die gefundenen 44919 Kalorien

auf 1 g SO_{3} um, so ergab sich, daß bei der Neutralisation von 1 g

SO_{3} mit Ammoniak 595,8 Kalorien entwickelt werden.

Durch die Ausdehnung dieser Untersuchung auf Schwefelsäure von

verschiedenem Wassergehalt fand Hess als Grundgesetz der Thermochemie,

daß »*die entwickelte Wärme konstant ist, mag die Verbindung direkt

oder indirekt oder zu wiederholten Malen geschehen*«. *Hess* erschloß

dieses Gesetz, indem er die beim Neutralisieren von Ammoniak mit

Schwefelsäure von verschiedener Konzentration erhaltenen Werte in

folgender Weise übersichtlich zusammenstellte[512]:

Durch Verbindung mit Durch Verbindung mit

Säure dem Wasser entwickelte Ammoniak entwickelte Summe

Wärme Wärme

H_{2}SO_{4} 595,8 595,8

H_{2}SO_{4} + H_{2}O 77,8 518,9 596,7

H_{2}SO_{4} + 2 H_{2}O 116,7 480,5 597,2

H_{2}SO_{4} + 5 H_{2}O 446,2 155,6 601,8

Zur Erläuterung des von *Hess* gefundenen Gesetzes diene noch folgendes

Beispiel: Verbrennt man eine bestimmte Menge Kohlenstoff (z. B. 12 g

entsprechend dem Atomgewicht 12 des Kohlenstoffs) zu Kohlendioxyd (C

+ 2O = CO_{2}), so entsteht die gleiche Wärmemenge (12 . 8080 Kal. =

96960 Kal.), die sich entwickelt, wenn man 12 g Kohlenstoff zunächst zu

Kohlenmonoxyd (C + O = CO) und dieses dann zu Kohlendioxyd (CO + O =

CO_{2}) verbrennt.

Bei der Verbrennung von Kohlenmonoxyd zu Kohlendioxyd entwickeln sich

auf 12 g Kohlenstoff bezogen 68080 Kalorien. Für die Umwandlung von

Kohlenstoff in Kohlenmonoxyd ergibt sich somit aus dem Gesetz von

*Hess* 96960 - 68080 = 28880 Kalorien, ein Wert, der sich direkt nicht

messen läßt, da man die Verbrennung des Kohlenstoffs nicht so regeln

kann, daß nur Kohlenmonoxyd entsteht.

Wie man später erkannte, stehen das von *Hess* entdeckte Gesetz von der

Konstanz der Wärmesummen, sowie das schon von *Lavoisier* und *Laplace*

aufgestellte Prinzip, daß zur Zerlegung einer Verbindung ebensoviel

Wärme aufgewendet werden muß, wie bei ihrer Entstehung frei wird, in

vollem Einklang mit dem Energieprinzip, das zu der Zeit, als *Hess*

seine Ergebnisse veröffentlichte, noch nicht ausgesprochen war, wenn

auch alles schon auf dieses allgemeinste Prinzip, aus dem man später

alle anderen als Einzelfälle folgern konnte, hinzielte.

Nachdem das Energieprinzip gefunden war, bewegten sich denn auch

die weiteren Untersuchungen nach der Richtung, die Übereinstimmung

der thermochemischen Vorgänge mit dem Energieprinzip im einzelnen

nachzuweisen. Um die weitere Entwicklung der kalorimetrischen Methoden

haben sich besonders *Favre* und *Silbermann*[513] verdient gemacht.

Ihnen, wie dem Dänen *J. Thomsen*[514], der seit 1853 die Thermochemie

mit der mechanischen Wärmetheorie in die engste Verbindung brachte, ist

eine große Anzahl von einzelnen Bestimmungen zu verdanken. Auch der

französische Forscher *Berthelot* hat Hervorragendes auf diesem Gebiete

geleistet.

Wie die mit dem Entstehen einer chemischen Verbindung verknüpfte

Wärmetönung, so schien auch die durch Erhitzen eintretende Art des

Zerfalles, die man Dissoziation genannt hat, geeignet, zur Lösung des

Affinitätsproblemes beizutragen. Nach der mechanischen Wärmetheorie

setzt sich der Wärmeinhalt einer Verbindung aus den Bewegungen der

Moleküle und aus denjenigen Bewegungen zusammen, welche die Atome

innerhalb der Moleküle vollziehen. Eine Zufuhr von Energie steigert die

Intensitäten beider Bewegungen. Der auf die Atombewegung entfallende

Anteil kann schließlich so groß werden, daß die Atomenergie die

zwischen den Atomen wirkende chemische Anziehung übersteigt und

daß infolgedessen Zerfall stattfindet. Diesen Vorgang hat man als

Dissoziation[515] bezeichnet. Mit dem Aufhören der Ursache, d. h.

bei der Abkühlung, kehrt sich die Reaktion um, d. h. es findet eine

Wiedervereinigung der Zerfallsprodukte statt.

Auf die Dissoziation wurde man besonders durch die Entdeckung der

abnormen Dampfdichten aufmerksam. Nach der *Avogadro*schen Regel

stehen Dampfdichte und Molekulargewicht bekanntlich in einer engen

Beziehung, die nach *Avogadros* Annahme ihren Grund darin hat, daß

gleiche Volumina gasförmiger Substanzen unter denselben physikalischen

Bedingungen die gleiche Zahl von Molekülen enthalten. Aus der

Dampfdichte einer Substanz läßt sich danach das relative Gewicht

des Moleküls berechnen. Ist das letztere auf anderem Wege bekannt

oder wahrscheinlich geworden, so bietet umgekehrt die Bestimmung der

Dampfdichte ein Mittel, um das Molekulargewicht auf seine Richtigkeit

zu prüfen. Nun ergab sich für Salmiak, daß seine Dampfdichte nicht

der dieser Verbindung zugeschriebenen Formel NH_{4}Cl entspricht. Die

Dampfdichte des Salmiaks erwies sich fast um die Hälfte kleiner als

die aus der Formel berechnete oder, was ja dasselbe bedeutet, der

Salmiakdampf nahm etwa das Doppelte des Volumens ein, das ihm auf Grund

der *Avogadro*schen Regel zukam. Wollte man an der Richtigkeit dieser

Regel festhalten, so mußte man annehmen, daß sich das Salmiakmolekül

beim Erhitzen in zwei Moleküle, entsprechend der Gleichung

NH_{4}Cl = NH_{3} + HCl,

spaltet.

Daß tatsächlich eine Dissoziation des Salmiaks in diesem Sinne

stattfindet, hat man aus dem physikalischen Verhalten der dissoziierten

Verbindung geschlossen. Läßt man sie nämlich im dissoziierten Zustande

durch einen porösen Stoff diffundieren, so findet dabei nach den

bekannten Gesetzen[516] der Diffusion eine teilweise Trennung der

Zerfallsprodukte statt.

Mit den Erscheinungen und mit der Theorie der Dissoziation hat

sich besonders *Horstmann* beschäftigt[517]. Als das Eigentümliche

der Dissoziationserscheinungen hob er hervor, daß die Dissoziation

sich nur über einen Teil der diesem Vorgange unterworfenen Substanz

erstreckt, obgleich die Substanz in allen ihren Teilen den gleichen

Einflüssen unterworfen ist. Die abnorme Verminderung der Dichte oder,

was ja dasselbe ist, die abnorme Zunahme des Volumens tritt nämlich

nicht bei einer bestimmten Temperatur plötzlich ein, sondern sie

vollzieht sich allmählich, bis die Dissoziation beendet ist oder einen

gewissen Maximalwert erreicht hat. Von diesem Augenblicke an nimmt

das Volumen bei weiterer Temperatursteigerung wieder in normaler

Weise, d. h. in Übereinstimmung mit dem Gesetze zu, nach dem sich die

Ausdehnung regelt, welche die Gase beim Erhitzen erfahren. Der Grad

der Dissoziation hängt von den jeweilig vorhandenen Umständen, wie der

Temperatur, dem Druck, den Mengen der in chemischer Wechselwirkung

stehenden Stoffe usw. ab. In dem von *Horstmann* besonders untersuchten

Falle befinden sich also NH_{3}, HCl und noch nicht dissoziiertes

NH_{4}Cl in einem ähnlichen, von den genannten Umständen abhängenden

Gleichgewichtszustande wie die Säure und die beiden Basen in dem von

*Jellet* mit dem Polarimeter untersuchten Falle[518]. Wie *Thomsen* das

Gebiet der Wärmetönung, so suchte *Horstmann* die Erscheinungen der

Dissoziation vom Standpunkte der mechanischen Wärmetheorie verständlich

zu machen. Er tat dies, indem er den stationären Grenzzustand, den

ein in sich abgeschlossenes System von Molekülen bei der Dissoziation

erkennen läßt, als ein Analogon jenes allgemeinen Gesetzes betrachtete,

das *Clausius* in den Ausdruck kleidete: Die Entropie der Welt strebt

einem Maximum zu.

Einen sehr wertvollen Beitrag zur Theorie der Dissoziation lieferte zu

Beginn der siebziger Jahre der schwedische Forscher *Guldberg*[519].

Er zeigte, daß das Dissoziationsphänomen nur ein besonderer Fall

von Zersetzung der chemischen Verbindungen ist, und daß sich die

Theorie der Dissoziation aus den allgemeinen Gesetzen der chemischen

Verbindungen herleiten läßt. Unter den Zersetzungsarten bildet die

Dissoziation nämlich den besonderen Fall, daß zwei Stoffe gleichzeitig

und teilweise aus einer Verbindung in dem Verhältnis austreten, in

dem sie in der Verbindung enthalten sind. Dann behält der Rest der

Verbindung seine konstante Zusammensetzung. In dem typischen Beispiel,

das der Salmiak (NH_{4}Cl) bietet, treten gleichzeitig Ammoniak

(NH_{3}) und Salzsäure (HCl) zu einem Teil aus der Verbindung aus, und

der unzersetzte Rest, der seine Zusammensetzung nicht verändert hat,

ist Salmiak.

Zunächst hatte man das Dissoziationsproblem nur für die nach festen

Verhältnissen zusammengesetzten chemischen Verbindungen ins Auge

gefaßt. *Guldberg* dehnte den Begriff auf die von ihm als unbestimmte

chemische Verbindungen bezeichneten Substanzen aus. Eine solche

Verbindung ist z. B. gesättigte Salzlösung. Wird sie verdampft, so

tritt gleichzeitig Wasser in Dampfform und Salz in fester Form aus,

während die zurückbleibende Salzlösung ihre Zusammensetzung beibehält.

Der für den Verlauf der Dissoziation charakteristische Wert ist

nach *Guldberg* diejenige Temperatur, bei der sie ihren Anfang

nimmt. Gewöhnlich bestimmt man diese Temperatur für den Druck einer

Atmosphäre. Bei geringerem oder stärkerem Druck gelangt man zu anderen

Werten. Der Dissoziationsgrad, d. h. der Betrag der Zersetzung,

ist also sowohl von der Temperatur als vom Druck abhängig. In

dem Augenblicke, in dem die Dissoziation beginnt, können offenbar

gleichzeitig unter demselben Druck und bei derselben Temperatur sowohl

die Verbindung wie die Bestandteile, die sich von ihr abzulösen

streben, bestehen. Unmittelbar vor dem Beginn der Dissoziation ist der

Druck, den diese Bestandteile ausüben gleich Null. Mit der Steigerung

der Temperatur wächst auch der Druck. Letzterer ist eine Funktion der

Temperatur, was sich durch die Gleichung p = φ(t) ausdrücken läßt.

Für den Wert p = 0 ergibt diese Gleichung die Temperatur, bei welcher

die Dissoziation gerade einsetzt. Befinden sich die dissoziierten

Substanzen und der Rest der noch nicht veränderten Verbindung in einem

abgeschlossenen Raume und vergrößert man diesen, während man die

Temperatur konstant erhält, so wird die Spannung sich verringern, und

die Verbindung wird sich weiter dissoziieren, bis die Spannung wieder

den der Temperatur entsprechenden Wert erreicht hat. Wird dagegen bei

konstanter Temperatur der Raum verringert, so wächst die Spannung,

und von den dissoziierten Substanzen wird eine solche Menge wieder

vereinigt, bis die Spannung den der Temperatur entsprechenden Wert

erreicht hat.

Den Zusammenhang der während der Dissoziation zwischen Druck und

Temperatur besteht, hat *Guldberg* theoretisch abgeleitet, indem er von

der Wärmetönung ausgeht, die mit der Bildung der Verbindung parallel

läuft. Eine Bestätigung der wichtigen von *Guldberg*[520] erhaltenen

Formel hat später[521] *van't Hoff* geliefert[522].

Die zuletzt betrachteten Untersuchungen hatten es mit den Beziehungen

zwischen chemischer Energie und Wärme zu tun. Es gibt aber auch

Vorgänge, bei denen die chemische Energie sich in eine andere

Energieform und zwar in Elektrizität umwandelt. Hierauf beruht die

Wirkung der galvanischen Elemente. Von den in ihnen stattfindenden

thermodynamischen Vorgängen soll jedoch an späterer Stelle die Rede

sein[523].

Gelegentlich der chemisch-optischen und der thermodynamischen

Untersuchungen hatte sich die Aufmerksamkeit auch auf die Zeit

gerichtet, welche die chemischen Vorgänge für ihren Ablauf

beanspruchen. Auch in diesem Falle knüpfte man an das Verhalten der

Säuren zu den Basen an. Schon *Wenzel*[524], der als einer der ersten

die Prinzipien der Mechanik auf chemische Probleme anwandte, stellte

Versuche über die Reaktionsgeschwindigkeit an. Er brachte Metallstücke

von gleicher Oberfläche in Säuren von verschiedener Konzentration

und beobachtete, in welcher Zeit gleich große Mengen Metall gelöst

wurden. Das Ergebnis dieser Versuche sprach *Wenzel* folgendermaßen

aus: »Wenn eine Säure in einer Stunde ein bestimmtes Gewicht Zink oder

Kupfer auflöst, so braucht eine halb so starke Säure zwei Stunden dazu.

Voraussetzung ist, daß die Temperaturen und die Oberflächen in beiden

Fällen einander gleich bleiben«. Auch *Berthollet* hat dieses Prinzip,

daß die Wirkung der wirkenden Masse proportional sei, ausgesprochen.

Zum Gegenstande eingehender Untersuchung wurde es erst 1850 durch

*Wilhelmy* gemacht[525].

Wie *Jellet* zur Ermittlung des chemischen Gleichgewichts[526], so

bediente sich auch *Wilhelmy* für seine Zwecke der polarimetrischen

Methode. Ferner vermied er die Anwendung eines festen Körpers.

*Wenzels* Methode war nämlich, so einfach sie auf den ersten Blick

erscheint, sehr ungenau, weil sich die Oberfläche des Metalles unter

der Einwirkung der Säure fortwährend ändert. Von solchen Nebenumständen

ist man unbeeinflußt, wenn man die Substanzen in Lösung anwendet.

*Wilhelmy* löste deshalb Rohrzucker, der die Polarisationsebene nach

rechts dreht, in Wasser und setzte eine Säure (z. B. Salpetersäure)

hinzu. Infolge der Einwirkung der Säure, deren Menge dabei ungeändert

bleibt, verwandelt sich der Rohrzucker unter Aufnahme von Wasser in

Invertzucker:

Die Naturwissenschaften in ihrer Entwicklung und in ihrem Zusammenhange, IV. Band Das Emporblühen der modernen Naturwissenschaften seit der Entdeckung des Energieprinzips · 第 48 / 171 题