Wilfried B. Holzapfel - Moderne Alchemie und der Stein der Weisen

Die linke Grenzlinie trennt fest und gasförmig. Das direkte Verdampfen eines festen Stoffes wird Sublimation genannt. Vielleicht erinnert ihr euch daran, dass wir bei kaltem Wetter manchmal gemerkt haben, dass der Schnee verschwindet, obwohl es viel zu kalt zum Schmelzen war. Der Schnee ist direkt verdampft, oder besser gesagt sublimiert. Druck spielt hier keine große Rolle! Die dritte Grenzlinie trennt die Bereiche von gasförmig und flüssig. Sie verläuft hier schräg nach oben bis zu einem für jeden Stoff charakteristischen Endpunkt, der üblicherweise als kritischer Punktbezeichnet wird. Dieser kritische Punkt ist durch die Zahlenwerte für die kritische Temperatur und den kritischen Druck festgelegt.

Was hier passiert, könnt ihr auch mit den Überlegungen von Demokrit ganz gut verstehen. Er stellte sich schon vor, dass die Atome in allen Stoffen in unterschiedlicher Bewegung sind. Das entspricht recht gut auch dem heutigen Bild!

In festen Stoffen sind die Atome oder Moleküle meist auf festen Plätzen angeordnet und führen um diese Plätze nur Zitterbewegungen aus. In Flüssigkeiten sind die Bewegungen viel weiträumiger und schneller, so dass die regelmäßige Anordnung der Atome in einem festen Kristallgitter zusammenbricht. In einem Gas sind die Bewegungen noch großräumiger und noch schneller als in einer normalen Flüssigkeit. Meist legen die Atome weite Strecken im freien Flug zurück, bevor sie wieder mit einem anderen Atom zusammenstoßen. In diesem Bild besteht der Unterschied zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit nur in der Häufigkeit der Stöße und der Weite der freien Flugstrecken. Wenn man ein Gas zusammenpresst, werden diese freien Flugstrecken immer kleiner, so dass man bei gleicher Temperatur von der Gasphase in die flüssige Phase gelangen kann, aber nur unterhalb der kritischen Temperatur! Nur dann erreicht man bei dieser Kompression bei einem bestimmten Druck die Siedekurve. Dort fallen aus dem Gas solange Flüssigkeitströpfchen aus, bis das ganze Gas in den flüssigen Zustand umgewandelt ist. Diese Phasenumwandlung habt ihr beim Wasserkochen und beim Niederschlag von Dampf am kalten Topfdeckel schon beobachtet! Beim normalen Wasserkochen wird dabei die Temperatur bei konstantem äußeren Luftdruck erhöht. Bei konstantem Druck kreuzt man dabei die Siedekurve in diesem Phasendiagramm von unten nach oben beim Kochen und umgekehrt von oben nach unten beim Kondensieren. Beim Komprimieren wird dagegen die Siedekurve von links aus der Gasphase nach rechts in die flüssige Phase gekreuzt.

Ist die Temperatur größer als die kritische Temperatur, dann wird die Bewegung der Teilchen so heftig, dass die Anziehung zwischen den Teilchen keine große Rolle mehr spielt. Dann gibt es auch keine Kondensation von Tröpfchen mehr. Man befindet sich in dem Phasendiagramm oberhalb des kritischen Punktes, der das obere Ende der Siedekurve markiert. In diesem überkritischen Bereich oberhalb der kritischen Temperatur kann man flüssig und gasförmig nicht unterscheiden. Diesen Zustand kannten die alten Griechen und die Alchemisten noch nicht. Dieser überkritische Bereich aus der Welt der hohen Drücke ist inzwischen bei vielen reinen Stoffen genau untersucht. Bei vielen Stoffen, insbesondere bei Metallen und vielen Salzen sind dabei aber die Temperaturen schon so hoch, dass man bereits ein Plasma erzeugt. Da auch der Übergang in den Plasmazustand in diesem Phasendiagramm durch keine scharfe Grenze gekennzeichnet ist, sondern ganz allmählich durch die Zunahme an ionisierten Teilchen erfolgt, können wir hier auch keine extra Grenzlinie einzeichnen. Fällt euch hier auf, dass ein solches modernes Phasendiagramm doch noch viel Ähnlichkeit mit den Bildern der alten Alchemisten für die vier Elemente, für die vier Essentia, aufweist, nur dass man heute hier bei den vier Phasen meist vom Aggregatzustandder Materie spricht?

Helen:O.K., und wo bleibt hier die Quintessenz?

Der Alchemist:Anders als bei den alten Griechen, die nur die Vorstellung von unteilbaren Atomen entwickelten, tauchen in dem modernen Bild auch Moleküle, Atome, Ionen und Elektronen auf. Habt ihr denn in der Schule schon was von Radioaktivitätgehört?

Helen:Na klar! Bei der Katastrophe in Fukushima wurde doch die ganze Umgebung radioaktiv verstrahlt!

Der Alchemist:Und woher kam die Strahlung?

Helen:Da spricht man doch von radioaktiven Elementen, die mehr oder weniger schnell zerfallen und so die Umgebung verseuchen.

Der Alchemist:Weißt du, dass es auch chemische Elemente gibt, die ganz natürlich radioaktiv zerfallen, und dass Marie Curie , Pierre Curieund Henri Becquerelfür die genaue Untersuchung dieser natürlichen Radioaktivität 1903 den Nobelpreis erhielten? Damit haben sie der Wissenschaft ein ganz neues Feld eröffnet. Sie erkannten, dass auch die Atomkerne teilbar sind, und dass bei der Teilung der Atomkerne neue bis dahin unbekannte Teilchen entstehen. Die Namen dieser neuen Elementarteilchenwill ich hier gar nicht alle aufführen. Im Laufe der Zeit wurde daraus ein ganzer Elementarteilchen-Zoo, denn man beobachtete auch bald danach, dass Kosmische Strahlung, die aus dem Weltall auf unsere Erdatmosphäre trifft, ganze Teilchenschauer von instabilen Elementarteilchen erzeugt.

Helen:Und was hat jetzt der Elementarteilchen-Zoo mit der Quintessenz zu tun?

Der Alchemist:Das wirst du gleich sehen. Ohne einen groben Überblick über den Mikrokosmos mit der Welt der Elementarteilchen kann ich dir eine moderne Vorstellung von Quintessenz nicht erklären. Ihr werdet sehen, dass wir dabei auch einen ersten groben Überblick über die weite Welt der hohen Drücke gewinnen.

Wenn ihr das moderne Weltbild verstehen wollt, wenn ihr wissen wollt, was wir im Weltall alles finden können, was im Weltall so passiert und was die Welt zusammen hält, dann muss ich euch wohl zunächst erklären, wie unser Mikrokosmos und unser Makrokosmos zusammenhängen. Erst dann können wir unsere Reise durch die Welt der hohen Drücke wirklich beginnen. Ihr werdet euch wundern, welchen exotischen Zuständen der Materie wir dort begegnen. Den meisten Menschen ist gar nicht bewusst, wie weit unsere Kenntnisse heute hier reichen! Dass der Mensch und alles was lebt, aus einer Unzahl von Zellen besteht, die etwas kleiner als 1 mm sind, ist euch nicht neu. Was gibt es für euch, was kleiner ist?

Helen:Da kenne ich was! Die Viren, die viele Krankheiten verursachen, sind doch viel kleiner als Bakterien!

Der Alchemist:Ja, sie sind etwa nur ein Tausendstel so groß. Typische Durchmesser der Viren sind kleiner als 1 Mikrometer oder, anders gesagt, kleiner als ein Millionstel Meter. In mancher Hinsicht sind diese Viren nichts anderes als Riesenmoleküle und typische Moleküle sind noch einmal tausendmal kleiner. Wenn ich so weiter mache, verliert ihr bald den Überblick! Das nächste Bild 15 kann euch dabei wohl helfen! Wenn man die Längeganz kleiner Dinge genau benennen will, braucht man für Längen unter einem Millimeter noch andere Namen und eine andere Schreibweise für noch kleinere Längen. Für die Nullen vom Tausendstel, Millionstel und noch kleineren Brüchen nimmt man dann einfach negative Hochzahlen an der Zehn wie hier im Bild 15 am rechten Rand.

Diese Hochzahlen entsprechen dem Potenzieren der Alchemisten. Man nennt sie daher oft auch Zehnerpotenzen! Bei Bruchteilen sind es negative Zehnerpotenzen. Als Bruchteile eines Meters verwendet man nicht nur Millimeter (1 mm = 10 -3m), Mikrometer (1 μm = 10 -6m), und Nanometer (1 nm = 10 -9m), sondern auch noch so komische Größen wie Pikometer (1 pm = 10 -12m), Femtometer (1 fm = 10 -15m) und Attometer (1 am = 10 -18m). Mit diesen Längenmaßen könnt ihr zum Beispiel sagen, dass einfache Moleküle einige Nanometer groß sind und die Atome typischerweise einige 100 Pikometer.