Physik und Chemie

Beim Ansehen einer Alpha Centauri Folge und beim lesen der beharrlichen Kommentare von Max mich zu sich wandelnden Naturgesetzen zu äußern kam ich auf das heutigen Thema. Bei Alpha Centauri ging es um die Frage „kann die Physik die Welt erklären?“ Harald Lesch hat gut herausgearbeitet dass dies nicht geht, weil die Physik die Naturgesetze zwar bestimmt, aber dies eben immer in einer idealisierten Welt geschieht. Heute sind die meisten Naturgesetze mit denen wir im täglichen Leben konfrontiert sind recht gut bekannt und die Physik macht sich auf zu erklären wie man damit Dinge erklären kann, die von uns weit entfernt sind – räumlich im Universum, zeitlich nahe des Urknalls oder sensorisch wahrnehmbar wie im Inneren von Atomen.

Eine Menge Leute haben damit Probleme, dass die Physik alles erklären will und wie uns ja Reportagen vom CERN weismachen wollen geht es jetzt noch um die letzten ungeklärten Phänomene. Das klingt nach einer tollen Wissenschaft. Leider ist das Gegenteil der Fall. Aus einem Büchlein habe ich folgenden kleinen Merkspruch für die Naturwissenschaften:

  • Wenn’s Grün ist oder sich bewegt, dann ist Biologie
  • Wenn’s knallt oder stinkt, dann ist’s Chemie
  • Wenn es nicht funktioniert dann ist es Physik,
  • Wenn’s keiner kapiert, dann ist es Mathematik

Ich will mich mal auf den Spruch über die Physik konzentrieren. Vielleicht hat der eine oder andere noch misslungen Experimente aus dem Physikunterricht in Erinnerung, bestimmt aber wenn er das mal hatte, aus dem Physikpraktikum im Studium. Da war es normal und ein elementarer Bestandteil des Praktikums war auch die Fehlerrechnung: Zu deutsch man musste Abschätzen, warum nicht das erwartete rauskam, indem man Schätzungen für Fehler durch Störeinflüsse machte und die Auswirkungen anhand der Gleichungen berechnete.

Das für einen Chemiker so paradoxe an der Physik ist, dass sie zum einen so mathematisch ist – sie ist im Prinzip angewandte Mathematik. Es werden Kräfte, Wirkungen und Vorhersagen berechnet. Leider haben diese mit der wirklichen Welt oft nicht so viel zu tun. Es gibt eben Reibung, Materialeigenschaften und die reale Welt ist nicht idealisiert. Nach den optischen Gesetzen sollte es keine Farbfehler bei einem Objektiv geben. Leider brechen aber alle Gläser die es gibt, Licht unterschiedlicher Wellenlänge unterschiedlich und so entstehen Farbfehler. Mehr noch, sie lassen bestimmte Wellenlängen nicht passieren. Für Infrarot und UV sind die meisten Gläser blind. Das ist die reale Welt und das ist der Gegensatz zur idealen Welt der Physik.

Chemie ist da anders. Es fängt schon damit an, dass die Mathematik weniger wichtig ist. Man kann Reaktionsgeschwindigkeiten berechnen, Konzentrationen oder p.H. Werte. Das alles hat aber Grenzen. Sehr viel in der Chemie ist empirisch, weil hier die reale Welt schon im Labor anfängt. Die meisten Reaktionen verlaufen schon nicht wie man denkt nach dem Muster A+B ? C +D. Das klappt noch ganz gut bei anorganischen Reaktionen da die Ionenbindungen sehr stark sind und es kaum Nebenreaktionen gibt. Wenn man Natronlauge und Salzsäure zusammenleert, dann kann man sicher sein es gibt Speisesalz und Wasser, weil Natrium und Chlor(I) kaum andere Möglichkeiten haben zu reagieren. Bei organischen Substanzen sieht das komplett anders aus. Es entstehen immer Nebenprodukte die weiter reagieren können. Es kann sein, dass das Zielprodukt selbst bei einer industriellen Synthese nicht das Produkt ist, das vornehmlich entsteht. Geschweige denn das jemand daher gehen könnte mit einer Menge von Zahlen über das Periodensystem jede Reaktion genau berechnen zu können. Bei vielen Reaktionen wird noch daran gearbeitet den genauen Reaktionsmechanismus überhaupt experimentell zu bestimmen.

Ich will das an einem Beispiel verdeutlichen. Der Reaktion von Toluol (Methylbenzol). Es ist möglich über die elektrophile Substitution eine weitere Methylgruppe einzufügen. Wie man sich leicht vorstellen kann gibt es dazu drei Positionen: In der Nummerierung sitzt die erste Methylgruppe an der Position 1. Die zweite kann nun in Position 2,3,4 angefügt werden. Da das Molekül rotationssymmetrisch ist sind Positionen 5+6 identisch zur 3+2. Eine Methylgruppe erleichtert (das ist seit 100 Jahren bekannt) nun eine Reaktion an der Position 2 (ortho) und 4 (Para) und erschwert die Reaktion an der Position 3 (meta).

Das heißt: Man bekommt nun nicht ein Produkt sondern ein Gemisch von 1,2 und 1,4 Dimethylbenzol. Noch schlimmer: Zwei Methylgruppen im Molekül erleichtern die Reaktion noch mehr, sodass diese Produkte weiter reagieren. Nun wird es aber schwierig. Sowohl beim 1,2 wie auch beim 1,4 Dimethylbenzol würde eine neu eingefügte Methylgruppe für jeweils eine Methylgruppe in der Metaposition und für die andere in der Ortho- oder Paraposition liegen. Dazu kommen dann noch räumliche Effekte die eine Reaktion direkt neben einer schon existierenden Methylgruppe leicht benachteiligen.

In der Summe wird man eine Gemisch von verschiedenen Di- und Trimethylbenzolen erhalten. Mehr noch: Die Radikale die benötigt werden, um die Reaktion durchzuführen können auch andere Reaktionen induzieren, wobei bei entsprechender Hitze dann auch noch die kinetisch instabilen, aber thermodynamisch stabilen Metaprodukte (1,3 Dimethyl.- und 1,3,5 Trimethylbenzol entstehen).

Das alles ist Erfahrungswissen, nicht berechenbar. Es gibt kein Naturgesetz für die Friedel-Crafts Alkylierung wie der Reaktionstyp im Fachjargon heißt. Chemie ist in einem großen Maße Empirik, also Erfahrungswissen. Regeln. Mit genügend viel Energie ist alles möglich. Ich möchte hier mal an das Experiment von Urey und Miller erinnern, bei dem in einem Glaskolben Ammoniak, Wasser und Methan (Die Uratmosphäre) gekocht wurde und nach einigen Tagen waren in dem braunen Brei der dabei entstand Alkohole, organische Säuren, Aminosäure und niedere Zucker. Andere Experimente mit leicht anderer Zusammensetzung, Lavagestein als Katalysator und Blitzen als Energiequelle ergaben dann auch noch die niedrigen Fettsäuren und DNA Basen.

Natürlich basiert auch die Chemie in ihrem Kern auf einem Model. Es ist das einer idealisierten Welt. Aber ich denke die Chemiker unterschieden sich von den Physikern darin dass sie diese Tatsache öfters im Kopf haben und es weitaus weniger Modelle, Gesetze, Formeln in ihrer Welt gibt. Sehr viel ist immer noch „Trial und Error“. Das Experiment ist der wichtigste Teil der Chemie. (Symptomatisch ist, das ein kleines Teilgebiet der Chemie die theoretische Chemie ist – also die Beschäftigung mit den Modellen, umgekehrt ist die Experimentalphysik nur ein Teilgebiet der Physik. Das sagt glaube ich viel aus).

3 thoughts on “Physik und Chemie

  1. Hi,

    das ist interessant, hier mal eine neue Perspektive zum Unterschied zwischen Physik und Chemie zu lesen. Demnach bin ich doch stärker von physikalischen Ansichten geprägt, als ich bisher dachte. Aber mal der Reihe nach:
    Den Merkspruch kannte ich in einer anderen Form schon. Da heisst es schlicht: „Wo es knallt ist es die Physik, wo es stinkt ist es die Chemie.“ Das stimmt so zwar nicht, denn wenn man z.B. mal an TNT denkt, dann ist da sehr wohl Chemie im Spiel wenn es knallt…
    Änhlich ist es mit dem Verstehen: Da gibt es doch auch den Spruch: „Theorie ist, wenn man alles weis, aber nichts funktioniert. Praxis ist, wenn alles funktioniert, aber keiner weis, warum.“ Irgendwie passt das jetzt auch auf den beschriebenen Unterschied zwischen Physik und Chemie, denn die Physik liefert jede menge Theorie, die in der Praxis nicht gleich übernommen werden kann, während die Chemie eine menge Praxis hat, wobei keiner so recht weis, warum was alles so ist.

    Demnach scheint es wohl auch ein Mythos von Physikern zu sein, das man Biologie früher oder später auf Chemie zurück führen kann, und Chemie früher oder später auf Physik.
    Das mag dann wohl in einem eng eingegrenzten Rahmen stimmen, ist aber nicht allgemein gültig, oder?

    Das die Theorie der Physik sich nicht so leicht auf die Praxis übertragen lässt, scheint wohl auch der Grund für die Existens der Ingenieurwissenschaften zu sein, denn sonst würden die Physiker ja ausreichen, um Häuser, Schiffe oder Computer zu bauen. Tatsächlich sind es drei verschiedene Ingenieurfächer, die hinter den Beispielen stecken.

    Was meine Prägung durch die Physik angeht, das dürfte dann wohl damit zusammen hängen, das mein Berufsfeld, die Elektrotechnik im wesentlichen eben doch angewandte Physik ist, die mit der Chemie zwar ein paar Schnittmengen in den Grundlagen hat, wenn es darum geht, wie man sich einen elektrischen Strom vorzustellen hat, und warum ihn die einen Materialien leiten, andere dagegen nicht. Wenn es um Halbleiter geht, dann ist da zwar immer noch die Schnittmenge zur Chemie, weil Silizium und Germanium eben diese besonderen Atome mit 4 freien Elektronen haben. Aber wie man daraus dann ein Material macht, das unter bestimmten Bedingungen einen Strom leitet, unter anderen Bedingungen dann wieder nicht, scheint doch wieder mehr Physik zu sein. D.h. wie man den Stoff herstellt wohl nicht, aber wie man ihn nutzt.

    Was die Probleme vieler Menschen mit der Physik angeht, so denke ich hat das damit zu tun, das die Physik viel zu schnell mit der „mathematischen Keule“ kommt, d.h. die Sachverhalte, die sie erklären will, viel zu schnell in ein idealisiertes Modell verpackt, das sie dann in der Sprache der Mathematik beschreibt. Da kommen viele Menschen einfach nicht mit, weil sie die Mathematik nicht verstehen. Das wiederum dürfte daran liegen, dass diese oftmals als die „ideale Idealisierung“ dargeboten (d.h. gelehrt) wird, also völlig abgehoben vom praktischen Nutzen, aus dem sie mal entstanden ist.
    Ich bin auch der Ansicht, das man es im Mathematikunterricht eine Zeit lang mit dem Formalisieren übertrieben hat, weshalb viele irgendwann ausgestiegen sind. Aber wie erklärt man jemandem auch beispielsweise den praktischen Nutzen der binomischen Formeln ohne dabei auf Anwendungen in der „höheren Mathematik“ zu vertrösten? – Ich weis es nicht.

    Die sogenannten letzten Fragen der Physik spielen im Alltag der meisten Menschen wahrscheinlich keine soo grosse Rolle. Oder wenn doch, aber sie können trotzdem nicht wirklich mitreden, dann ist es wiederum ein Fehler in der Gesellschaft, bzw. im Bildungssystem, der es verhindert, das sich die Menschen den Sinn dieser Fragestellungen bewusst machen, so das sie die Forschungen auf dem Gebiet befürworten oder ablehnen können. Und das auch sachlich fundiert.

    Aber sachlich fundierte Kritik scheint heut zu Tage bei vielen Leuten auch eher unerwünscht zu sein, weil sie sich dann eingestehen müssten, das sie einer Ideologie anhängen, die die Wissenschaft oder gar die Gesellschaft nicht wirklich weiter bringt. Aber damit kommen wir zur Politik, und da wollte ich jetzt nicht hin. Stattdessen ein hoch abstrakter Spruch, dessen einfache Form jeder sofort versteht: „Das Volumen der subterranen Feldfrüchte verhält sich reziprok zur intellektuellen Kapazität des Agrarökonomen.“ 😉

    Hans

  2. Nun ja es gibt immer Gebiete wo man die jeweiligen Wissenschaften recht gut nutzen kann. Mit Physik kann man auch sehr gut Crash-Tests und Klimamodelle berechnen. Wobei aber hier sich schon die Grenzen zeigen: Die Wissenschaft die inzwischen den Anfang des Universums erklären will kann zwar die Formeln für die Lösung der obigen Probleme aufstellen, aber eben nicht mehr vollständig lösen, sondern nur numerisch approximieren. Bei Klimamodellen verstehen wir sogar noch zu wenig von der Physik (und Chemie!) um wirklich korrekte Vorhersagen über lange Zeiträume hinzubekommen.

    Chemie mit dem großen Schatz an Erfahrungswissen ist aber auch wichtig. Wenn man z.b. nur den Werkstoff wechselt und von Halbleitern auf Metalle wechselt, dann werden heute noch Legierungen durch Trial und Error hergestellt – Das physikalische Modell ist das gleiche, nur scheitert es hier

    Die fehlende Anwendung der Mathematik ist in der Tat ein Problem. Oftmals muss man dann auch noch viel über die Wissenschaft wissen um die Anwendungen zu begreifen. Um so seltsamer wenn die wenigen Beispiele nicht genutzt werden. In der Schule wurde außer bei Flächen und Volumenberechnungen keine Anwendung für Differentialrechnung und Integralrechnung gegeben. Dabei kennt jeder Schüler eine Anwendung: Die Gesetze über Beschleunigung -> Geschwindigkeit -> Weg. sind nur zwei Integrationen. Noch besser: Es gab früher analoge Schaltungen die genau das gemacht haben was man anfangs lernt: numerisch zu integrieren indem man Intervalle addiert. Nur waren es da eben elektrische Ströme. So funktionierten die Steuerungen von Raketen bis in die sechsziger Jahre (im Ostblock bis nahezu heute)

  3. „Chemie hab ich nie kapiert“ ist so ein Satz, den ich häufig zu hören bekomme, wenn ich nach meinem Beruf gefragt werde und „Chemielehrer“ antworte. Eigentlich ist Chemie nicht schwerer als die anderen Hauptfächer… Warum erscheint es den Leuten dann immer so kompliziert? -> Wie in jedem anderen Fach, muss man in Chemie auch manches lernen. Es gibt da beispielsweise die Fachsprache, die man beherrschen muss. Zudem muss man die grundlegenden Modellvorstellungen lernen und verstehen und zwar so, dass man sie auch wirklich anwenden kann. Dann muss man beides „nur noch“ konsequent und überlegt anwenden. Aber nur mit guten Kenntnissen ist man in der Lage, sich exakt auszudrücken und präzise zu arbeiten. Es genügt aber nicht, nur die theoretischen Kenntnisse zu haben, man muss auch immer wieder trainieren, diese auf verschiedene Aufgabenstellungen anzuwenden – ob im Versuch, per Lesen oder neuerdings sogar über Erklärvideos (Bsp. „gut-erklaert“ im Netz).
    Wenn man bereit ist, sich auf die Welt der Chemie einzulassen, kontinuierlich etwas für der Erfolg zu tun, sollte dem Erfolg und den guten Chemienoten nichts im Wege stehen.

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