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Die Technik des Bierbrauens von der Gerste bis zum Bier als umfasst weit mehr als den Prozess der alkoholischen Gärung. Der biochemische Hintergrund kann im Chemieunterricht durch eine Reihe von Experimenten untersucht werden. Im Rahmen des Projektes wird die Geschichte der Bierbrauerei und die moderne Technologie der Bierherstellung erläutert.

* 27.08.1874 in Köln 
† 26.04.1940 in Heidelberg

CARL BOSCH studierte Chemie und promovierte 1896 an der Universität Leipzig. 1899 erhielt er Anstellung bei der BASF, wo er sein ganzes Arbeitsleben blieb. Zu seinen besonderen Leistungen gehört die Entwicklung der Ammoniaksynthese zur Großtechnik sowie die Herstellung von Stickstoffdüngesalzen. Für seine Arbeiten erhielt BOSCH 1931 den Nobelpreis.

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde die klassische Chemie vollendet. Den Anorganikern gelang die Systematisierung der Elemente im Periodensystem. In der organischen Chemie erkannte man die Vierwertigkeit des Kohlenstoffs und die daraus resultierende tetraedrische Konfiguration des Kohlenstoffatoms. Die verschiedenen Formen der Isomerie und ihre Bedeutung wurden nachgewiesen und richtig interpretiert, darunter auch das Schlüssel-Schloss-Prinzip enzymatischer Reaktionen. Die Physikochemiker formulierten die Hauptsätze der Thermodynamik und begründeten die chemische Kinetik.
Die fundamentalen naturwissenschaftlichen Entdeckungen führten auch dazu, dass großtechnische Prozesse immer besser beherrscht wurden und riesige Gewinne abwarfen. Die Verfahren zur Herstellung von Stahl und Schwefelsäure wurden revolutioniert. Eine besondere Entwicklung nahm die organische Synthesechemie durch die erfolgreiche technische Realisierung der Synthesen von Farbstoffen wie Indigo oder Arzneistoffen wie Aspirin. Dadurch bedingt erfolgte die Gründung vieler großer Chemieunternehmen wie der BASF und der BAYER AG, die heute noch führende Unternehmen in ihrer Branche sind.

Bei der industriellen Herstellung chemischer Produkte spielen wirtschaftliche und ökologische Aspekte eine weitaus größere Rolle als bei Synthesen im Labor.
Deshalb müssen großtechnische Verfahren einen möglichst vollständigen Stoffumsatz bei minimalem Energieverbrauch realisieren. Die Industrie hat zur Lösung der sich daraus ergebenden Probleme spezielle technische Syntheseprinzipien und Anlagen entwickelt, die weit über den Umfang eines einfachen Synthesereaktors hinausgehen.

Natronlauge und Chlor werden als Grundprodukte der chemischen Industrie heute nahezu ausschließlich elektrolytisch hergestellt. Für die technische Durchführung dieser Elektrolyse werden drei Verfahren angewendet: das Amalgam-, das Diaphragma- und das Membranverfahren. Im Wesentlichen unterscheiden sich die Verfahren im Energieverbrauch und der Art der Trennung zwischen Anoden- und Katodenraum. Obwohl das Membranverfahren das wirtschaftlichste und ökologisch nachhaltigste Verfahren ist, arbeiten noch ca. 50 % der Anlagen in Deutschland nach dem Amalgam-Verfahren.

Ein Gemisch von Wasserstoff und Chlor im Volumenverhältnis von 1 : 1 reagiert explosionsartig. Dieses explosive Gemisch wird Chlor-Knallgas genannt.

Bei der Rohöldestillation erhält man – je nach Zusammensetzung des eingesetzten Erdöls – oft nur ca. 20 % Benzine und einen relativ hohen Anteil an hoch siedenden Schwerölen. Der Bedarf an Benzinen und Dieselöl ist aber höher. Beim Cracken werden daher die langkettigen, hoch siedenden Kohlenwasserstoffe gespalten, um größere Mengen an den kurzkettigen, niedriger siedenden Fraktionen zu erhalten.
Dazu nutzt man verschiedene technische Crackverfahren:

1. thermisch ohne Katalysator
2. mithilfe von Katalysatoren
3. unter Zusatz von Wasserstoff (Hydrocracken)

* 17.12.1778 in Penzance (Cornwall)
† 29.05.1829 in Genf (Schweiz)

Sir Humphry Davy war einer der herausragenden Chemiker (und Physiker) des 19. Jahrhunderts und gilt als Mitbegründer der Elektrochemie.
Er erforschte vor allem die Elektrolyse. Neben der Entdeckung verschiedener chemischer Elemente, z. B. Alkali- und Erdalkalimetalle und deren Verbindungen, entwickelte er auch technische Geräte, wie z. B. eine Sicherheitslampe für Kohlegruben, erzeugte als Erster den elektrischen Lichtbogen und untersuchte Möglichkeiten, Chemie in der Landwirtschaft einzusetzen.

Da Eisen ein unedles Metall ist, kommt es nicht elementar, sondern nur in Form seiner Verbindungen vor. Eisenerze enthalten Eisen als Oxid, Carbonat oder Sulfid.

Weil die Eisenerze neben Eisenverbindungen auch andere Mineralien enthalten, wurden verschiedene Aufbereitungsverfahren entwickelt, um den Massenanteil der Eisenverbindungen in den Erzen zu erhöhen.

Die aufbereiteten Erze werden der Roheisengewinnung im Hochofen zugeführt. Eisencarbonate und –sulfide müssen darüber hinaus in die Oxide überführt werden, bevor sie zur Eisengewinnung im Hochofen verwendet werden können.

Im Hochofen wird aus den oxidischen Eisenerzen Roheisen gewonnen.

Als Reduktionsmittel dient hauptsächlich Kohlenstoffmonooxid, das durch Verbrennung von Koks im Hochofen selbst erzeugt wird.

Der Hochofen wird von oben mit Eisenerz, Koks und Zuschlägen (u.a. Kalkstein) so beschickt, dass sich im Hochofen Schichten von Koks und Eisenerz abwechseln. Unten wird heiße Luft eingeblasen. Durch das entstehende Kohlenstoffmonooxid werden die Eisenoxide reduziert, und es sammelt sich unten flüssiges Roheisen, das in regelmäßigen Abständen entnommen wird (Abstich).

Das Roheisen wird anschließend zu verschiedenen Stahlsorten weiterverarbeitet.

Die beim Stromdurchgang durch einen Elektrolyten hervorgerufenen chemischen Veränderungen werden als Elektrolyse bezeichnet. Es erfolgt die direkte Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie.

Als Schutz vor Korrosion findet die Elektrotauchlackierung eine weite Verbreitung. Vor allem in der Autoindustrie benutzt man diesen Arbeitsgang als Korrosionsschutz für die Autokarosserien und deren Anbauteile.

Erdöl ist in den Industrieländern ein äußerst wichtiger und vielfach eingesetzter Stoff. Der größte Teil der Mineralölprodukte wird zur Energiegewinnung genutzt. Nur 5-10 % des Rohöls dienen der Erzeugung von Rohstoffen für die chemische Industrie, in der BRD beträgt der Anteil ca. 8 %.
Erdöl ist ein komplexes Stoffgemisch, das hauptsächlich aus unterschiedlichen organischen Verbindungen besteht, die zum Teil Schwefel, Stickstoff oder Sauerstoff enthalten. Je nach Herkunft unterscheidet es sich stark in seiner Zusammensetzung.

Unter Gärung versteht man den aeroben oder anaeroben biologischen Abbbau von organische Materie mittels Mikroorganismen oder Enzymen.
Die alkoholische Gärung verläuft unter anaeroben Bedingungen in Hefezellen und wird seit alters her durch den Menschen zur Herstellung alkoholischer Getränke und zum Brot backen genutzt. Dabei wird die D-Glucose durch Enzyme in den Hefezellen zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid abgebaut.
Bei der Milchsäuregärung wird das in der Glycolyse gebildete Pyruvat unter anaeroben Bedingungen zu Lactat und CO₂ reduziert. Die Milchsäuregärung läuft bei hohem Energiebedarf (z. B. beim Sport treiben) in Muskelzellen ab, und zwar dann, wenn Pyruvat in der Glycolyse schneller produziert wird, als es im Citronensäurezyklus oxidiert werden kann.

Ein wichtiges technisches Verfahrensprinzip nicht nur in der chemischen Industrie ist das Gegenstromprinzip. Dadurch, dass Stoffe im Gegenstrom aneinander vorbei geführt werden, kann ein Energie- und gegebenenfalls auch ein Stoffaustausch erfolgen. Dieser Austausch ist im Gegenstrom wesentlich effektiver und damit kostengünstiger sowie umweltfreundlicher (Energieeinsparung) als im Gleichstrom.

Gips ist sicherlich allen bekannt. Umgangssprachlich wird ein weißes Pulver als Gips bezeichnet, das mit Wasser angerührt wird und anschließend zu einer festen Masse abbindet.

Chemisch korrekt ist die Bezeichnung Gips allerdings erst für das Reaktionsprodukt mit Wasser, das Calciumsulfatdihydrat.
Die Fähigkeit, Kristallwasser zu binden, bewirkt die besonderen Eigenschaften von Gips.

Er wird deshalb nicht nur in der Medizin für stabile Verbände verwendet, sondern auch im Baugewerbe vielseitig eingesetzt.

* 09.12.1868 in Breslau   
† 29.01.1934 in Basel

FRITZ HABER, Sohn eines jüdischen Kaufmanns, machte sich insbesondere um die Ammoniaksynthese verdient. Hier gelang es ihm nach umfangreichen Arbeiten, eine halbtechnische Anlage für die Ammoniaksynthese zu errichten. Daneben beschäftigte er sich mit der Entwicklung von chemischen Kampfstoffen und leitete auch den ersten Giftgaseinsatz im ersten Weltkrieg. Nachdem er 1933 Deutschland verlassen musste, starb er ein Jahr später in Basel.

Die Hochofenschlacke entsteht als Nebenprodukt bei der Roheisengewinnung im Hochofen, wenn nichtmetallene Erzbestandteile sich mit zugesetzten Stoffen, den Zuschlägen, verbinden. Hochofenschlacke besteht im wesentlichen aus Calcium- bzw. Magnesiumsilicaten. Die spezifisch leichtere Hochofenschlacke schützt das Roheisen im Hochofen vor Rückoxidation. Später findet sie größtenteils als Baumaterial Anwendung.

Holz ist ein nachwachsender Rohstoff, der uns ständig begegnet. Es gibt verschiedene Holzarten, die unterschiedlich zusammengesetzt sind und somit verschiedene Eigenschaften aufweisen. Holz lässt sich nicht nur zu Möbeln verarbeiten. Aus Holz kann man Papier, Alkohol und sogar Fasern für die Textilindustrie gewinnen.

Es ist erstaunlich, dass der kleinste Baum der Erde (die Zwergweide) nur 2 cm, die größten/höchsten Bäume (Küstenmammutbäume) dagegen bis 120 m hoch sind.

Kalkstein (Calciumcarbonat) ist eine Ionenverbindung, die in verschiedenen Formen in der Natur vorkommt. Gebirgszüge, Korallenriffe und Tropfsteinhöhlen bestehen hauptsächlich aus Kalkstein, der durch eine Folge chemischer Reaktionen und erdgeschichtlicher Prozesse entstanden ist. Marmor und Kreide sind spezielle Formen des Calciumcarbonats.
Die Verwendung von Kalkstein ist sehr vielseitig. Es wird in der Bauindustrie, zur Rauchgasentschwefelung in Kraftwerken und als Düngemittel eingesetzt. Umgangssprachlich bezeichnet man Calciumcarbonat auch als Kalk, obwohl in der Bauindustrie auch andere chemische Verbindungen (Calciumoxid und Calciumhydroxid) ähnliche Namen tragen.

Branntkalk (Calciumoxid) ist ein wichtiger Rohstoff für die Bauindustrie, die chemische Industrie und die Metallurgie. Die Herstellung erfolgt durch das Kalkbrennen, d. h. die thermische Zersetzung von Calciumcarbonat (Kalkstein) in Calciumoxid und Kohlenstoffdioxid.
Aus Branntkalk wird Löschkalk (Calciumhydroxid) und daraus wiederum Kalkmörtel für die Bauindustrie hergestellt. Calciumhydroxid dient auch als preiswerte Base für viele Neutralisationsreaktionen in der chemischen Industrie.

Kohle ist im Laufe vieler Millionen Jahre aus abgestorbenen Pflanzen entstanden, die in tiefen Erdschichten hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt waren, was zum Prozess der Inkohlung führte.
Im Verlauf der Inkohlung entstand zunächst Torf, dann Braunkohle, Steinkohle und schließlich Grafit.

Braunkohle wird meist im Tagebau abgebaut und hauptsächlich in Kraftwerken zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt.

Steinkohle wird z. B. im Ruhrgebiet unter Tage abgebaut und wird hauptsächlich zu Koks weiterverarbeitet, der u. a. zur Eisenherstellung verwendet wird. Der Steinkohleteer, der als Nebenprodukt bei der Verkokung entsteht, ist ein wichtiger Ausgangsstoff für die chemische Industrie, aus ihm lassen sich Aromaten und Phenole isolieren, die zur Herstellung von Kunststoffen und Farbstoffen verwendet werden.

Sowohl Braunkohle als auch Steinkohle können zur Herstellung von Ammoniak und Methanol dienen, indem aus Kohle entsprechendes Synthesegas erzeugt wird. Außerdem sind durch Kohlehydrierung Benzine herstellbar.

Kohle wird hauptsächlich direkt verbrannt, wobei elektrische Energie und Wärme erzeugt werden. Nur ein kleiner Teil der Kohle wird durch verschiedene Verfahren veredelt, aus ihr werden z. B. der hochwertige Brennstoff Koks oder wichtige Grundchemikalien gewonnen.

Es gibt drei Verfahren der Kohleveredlung:

1. Kohleentgasung: hier wird Kohle unter Luftabschluss stark erhitzt, wobei Koks und Teer entstehen.
2. Synthesegaserzeugung: Durch Umsetzung von Kohle mit Luft und Wasserdampf erhält man Gasgemische, die z. B. zur Synthese von Ammoniak oder Methanol genutzt werden.
3. Kohlehydrierung: Kohle wird unter hohem Druck mit Wasserstoff umgesetzt, wobei Benzine und Heizöle gebildet werden.

Von wirtschaftlicher Bedeutung sind die Kohleentgasung und die Synthesegaserzeugung. Die Kohlehydrierung wird kaum durchgeführt, da die hierbei erhaltenen Stoffe viel einfacher und billiger aus Erdöl gewonnen werden können.