So einfach ist das.

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Sehr anschaulich, muss man zugeben.

Kurz gecheckt: Der Rhein, die Schwefelsäure und die Medien

Auf dem Rhein ist ein Schiff gekentert, einige Bootsmänner werden vermisst, Frachtgut ist eine Säure und diese könnte eventuell auslaufen. Ein bisschen ist wohl auch ausgelaufen, denn der pH-Wert um das Schiff herum schwankt. So weit, so tragisch.

Und jetzt schauen wir uns mal die Berichterstattung an.

Am 13.1.2011 schreibt focus.de über einen Tanker, der gekentert ist. Der hatte Säure bei sich. Soweit ist das ja richtig. Der Autor präzisiert in der Überschrift nicht - Säure ist Säure ist Säure, so oder so ähnlich. Macht nichts. In erster Linie ist’s ja wirklich recht egal. Es sei denn natürlich, es ist irgendeine ungefährliche Säure, aber davon gehen wir stillschweigend mal nicht aus. Außerdem taucht dann doch am Ende im Artikel auf, dass es Schwefelsäure war. Ich bin stolz ob der Vorsicht. Sie sind zudem nicht die einzigen, die sich in Zurückhaltung üben, gibt noch mehr Journalisten, die da nicht ins kalte Wasser springen, sondern erst mal eine Recherche abwarten. (focus.de, 13.1.2011: „Unfall - Tankschiff mit Säure kentert an der Loreley“)

Zwei Tage später hat sich’s aber jemand bei focus.de anders überlegt. Vorsicht ist was für Elefanten, wird da der Gedanke gewesen sein, so glaubt man zumindest, wenn man das hier liest: „Möglicherweise fließt Salzsäure in den Rhein“. Wow! Halt! Stopp! Salzsäure? Das ist natürlich eine ganz andere Sache, die Salzsäure. Wie ist denn das passiert, wo kommt die her? Wer hat das gezaubert? Ach so. Nur der Artikelschreiberling. (focus.de, 15.1.2011: „Havarierter Tanker - Möglicherweise fließt Salzsäure in den Rhein“)

Besonders gut gefallen hat mir auch das Horrorszenario von der Basler Zeitung (online-Auftritt). Doch zunächst mal wird festgestellt, dass am Rhein in Basel ja gar keine (oder höchsten in winzigen Mengen) Chemie verschifft wird, und wenn, dann macht man alles richtig (irre ich mich oder klingt das wie Häme?). Klar, die Beispiele mit Öl und Benzin, die dann doch tankerweise verschifft werden, die haben mit Chemie nichts zu tun. Logisch, wie auch. Benzin, Öl, Chemie? Pffff.

Jedenfalls wird dann im ersten Absatz auf einen Vorgängerartikel (den ich beim besten Willen nicht finde) verwiesen, in dem das absolut spektakulärste Horrorszenario beschrieben wird, das man sich vorstellen kann: Läuft die Schwefelsäure aus, könnte der Rhein zu kochen beginnen. BOOYA! Da hat sich jemand an den Chemieunterricht erinnert: Schwefelsäure und Wasser reagieren stark exotherm… und hat dann prompt die Reihenfolge durcheinander gebracht. Wirklich gefährlich (Explosion! Spritzgefahr! Dichter, ätzender, giftiger Nebel!) wäre es, wenn der Rhein aus Schwefelsäure bestünde und der Tanker Wasser geladen hätte. Oder wenn der Tanker bricht und absolut alles auf einmal in den Rhein entleert wird. Wenn aber die Schwefelsäure aus mehreren Lecks kommt, wird’s ein bisschen warm und sauer, doch Kochen wird es eher nicht. (Mal abgesehen davon, dass die Verdünnung der Schwefelsäure tatsächlich als Teil des Notfallbergungsplan bereitgehalten wird.) Aber lassen wir das, so ein bissl Angstmachen kann ja auch Spaß machen. (bazonline.ch, 15.1.2011: „In Basel schwimmt keine Chemie“)

stern. de und rtl.de schöpfen gleich aus den Vollen: Giftig ist‘s nämlich auch noch! Also, da windet sich bei mir alles. Zum einen wurde Schwefelsäure nie als giftig eingestuft (wisst schon, die Gefahrensymbole T und T+ hat sie nicht erhalten). Es wirkt zudem auch nicht wirklich giftig, wie man es eben von einem Gift erwartet. Es blockiert keine biochemischen Wege, greift nicht Nerven oder Nieren oder sonst was an. Es ätzt bloß und hinterlässt schlecht heilende Wunden (wenn es konzentriert ist). Aber giftig? Meh. Die Zersetzungsprodukte sind es vielleicht noch, ja, aber die Säure? Wie gesagt: Meh. Die Tatsache, dass es für den Begriff „Gift“ in Wirklichkeit noch nicht mal eine klare Definition gibt, macht es da irgendwie auch nicht leichter. Fachlich komplett falsch kann man also nicht vorwerfen, aber der Beigeschmack von „irgendwie stimmt’s nicht“ bleibt. (stern.de, 14.1.2011: „Havarierter Säure -Tanker soll gesichert werden“ und rtl.de, 14.1.2011: „Gift-Tanker auf dem Rhein gekentert“ Auch die BaslerZeitung (oben) merkt etwas von hochgiftigen Stoffen an, bezieht sich aber nicht explizit auf Schwefelsäure.)

Weitgehend wäre es das auch, wenn nicht oe24.at beschlossen hätte, den Vogel abzuschießen (man muss sich ja irgendwie abheben): Bei denen ist ein ganzer Schwefeltanker gekentert. Na, was für eine Sauerei dieser Tanker anrichtet. Und wer räumt jetzt all die Chemikalien aus dem Rhein? (oe24.at, 13.1.2011: „Schiffsunglück - Schwefeltanker auf dem Rhein gekentert“)

Zum Schluss noch ein positives Beispiel: rhein-zeitung.de hat eine kleine, feine und nicht falsche Zusammenfassung über Schwefelsäure zusammengestellt und hat nach allem, was ich so bislang gesehen habe, sich auch recht wacker in Bezug Chemie geschlagen. Ist natürlich nicht das einzige Medienangebot, dass das geschafft hat, hoffe aber, dass es davon in Zukunft mehr werden.

EDIT 16.1.2011
focus.de hat sich die Mühe gemacht, die Überschrift (2. Bsp.) zu korrigieren. Im Stichwortverzeichnis an der Seite weist jedoch noch immer alles auf Salzsäure.

Klein, aber oho

Noch bevor ich das Studium begonnen hatte, wollte ich Nanochemie machen, auch wenn ich damals nicht die geringste Ahnung hatte, was denn Nanochemie überhaupt ist. Jetzt weiß ich es. Nanochemie ist voll cool. Um die Coolheit zu würdigen, hier nun eine kurze Einführung in die Nanochemie.

Klein, kleiner, jetzt aber so richtig klein

Was für mich Nano ist, war für meine Eltern einst Mikro. Klein bedeutet es, wenn man es in Worten erklärt. Tatsächlich bezeichnen sie ja physikalische Vorfaktoren, 10^-6 für „Mikro“, 10^-9 für „Nano“. Gemeint ist die Größe der Durchmesser einzelner Partikel, die man so findet, in Metern. Und die sind bei 10^-9 Metern demnach winzig. Klein. So klein, dass man es nicht mehr sehen kann. Und dann am besten noch kleiner. Der Clou ist aber nicht auf die Größe von einzelnen Molekülen zurückzufallen, aber auch keine großen ausgedehnten Festköperklumpen zu haben. Die Größe von Molekülen liegt grob betrachtet bei einem Nanometer, die von Festkörpern… na ja, sagen wir so ab 100 nm ist es nicht mehr Nano (sondern Mikro…). Das Nano-Etwas, von dem wir reden, besteht also aus etwas zwischen 100 und 10.000 Atomen.

Aus alt mach "Hä, wo kommt das denn her"?

Physikalisch betrachtet bildet sich hier die Grenze zwischen dem Molekül, dessen einzelne Eigenschaften langsam gegenüber dem vieler, zu einem großen Körper zusammengesetzter Moleküle verschwinden. Man kann das einzelne Molekül sozusagen nicht mehr sehen, aber wie ein Festkörper verhält sich dieses Nanoteilchen auch noch nicht. Allein die Größe wirkt sich schon beträchtlich auf die Eigenschaften, ob physikalischer oder chemischer Natur, unserer Substanz aus. Auch die Form des Nanoteilchens lässt sich beeinflussen, es kann sphärisch oder quaderförmig oder hohl oder ein Röhrchen sein und trägt zu den neuen Eigenschaften bei. Die können so richtig cool und überraschend sein - und das bloß, weil man ein bisschen an der Größe und der Form rumgeschraubt hat.

Bring es zum Schmelzen

Auswirkungen sieht man schon an banalen Sachen wie dem Schmelzpunkt. Gibt man einem Festköper Saures (oder hier Heißes), dann fangen seine Atome an sich zu bewegen. Sie schwingen und sie fangen an an ihren Bindungen zu zerren. Die ersten, die sich schließlich vom Festköper trennen, sind die Atome auf der Oberfläche. Dann kommen die nächsten aus dem Inneren hinterher. Da ein Festkörper, wie wir ihn kennen, mehr Atome in sich hat als außen (d.h. Volumen ist wichtiger als Oberfläche), braucht dieser Prozess auch mehr Energie. Beim Nanoteilchen geht es da flotter zur Sache. Bei so wenig Atomen ist die Oberfläche nicht mehr vernachlässigbar, sie ist ein wichtiger und dominanter Faktor. Deshalb ist der Schmelzpunkt von Nanoteilchen auch kleiner. Bei Gold zum Beispiel ändert sich der Schmelzpunkt von 5 nm Partikeldurchmesser auf 20 nm Partikeldurchmesser um mehr als 400 °C. Holla die Waldfee, um es mit Herrn Boening zu sagen.

Bring es zum Leuchten

Nanopartikel können wir nicht sehen. Sie sind zu klein für uns als dass wir einzelne Partikel auseinanderhalten könnten. Wir können aber sehen wie Nanopartikel mit Licht interagieren. Ein sehr interessantes Beispiel ist dabei das Gold.

Bild Gold-Silber-Nanopartikel (v.r.n.l. Au:Ag im Verhältnis 1:0, 1:1 und 1:3)

Die Lösung, die man links im Bild sieht, ist eine Lösung von Gold-Nanopartikeln. Und im Gegensatz zu dem bulk-Gold ist es rot und nicht goldig. Auch hier ist der Grund auf die Größe der Partikel zurückzuführen, die ein quantenmechanisches Phänomen hervorrufen, das man als Plasmonenresonanz bezeichnet. Dabei werden charakteristische Wellenlängen absorbiert. Für Gold- und Silber-Nanopartikel liegt dieser Effekt in farbigen Bereich. Nanopartikel von Gold- und Silberlegierungen zeigen übrigens auch einen solchen Farbeffekt (das sind die Lösungen in der Mitte und rechts im Bild).

Übrigens ist die Nanochemie des Goldes noch zu Beginn des Mittelalters bekannt gewesen und wurde zum Färben von Glas verwendet. Zwischenzeitlich vergaß man es. Doch diesen Einsatz hat man heute wieder aufgegriffen und es finden sich wieder mit Gold-Nanopartikeln gefärbte Gläser.

Bring es zum Tanzen

Ein anderes cooles Verhalten lässt sich bei Magneten entdecken. Der Traum von flüssigen Magneten könnte man es nennen. Dem Wunsch, einen flüssigen Magnaten zu finden, steht nur entgegen, dass magnetischen Substanzen ihr ferromagnetisches Verhalten verlieren, noch bevor sie flüssig werden. Danach sind sie paramagnetisch, d.h. ohne angelegte magnetische Felder zeigt sich nichts, und außerdem ziemlich heiß. Dann, 1960, beschrieb Pappell von der NASA seine Entdeckung des Ferrofluids.

Video Ferrofluid

Der Ferromagnetismus geht zurück auf sogenannte Weisssche Bezirke. Das sind winzige Bereiche, in denen die magnetischen Momente gleich ausgerichtet sind. Es gibt in einem ferromagnetischen Festkörper viele von ihnen und sie sind nicht alle in die gleiche Richtung ausgerichtet, sondern in viele verschiedene, heben sich damit also auf. Legt man aber ein äußeres Magnetfeld an, richten sie sich in die gleiche Richtung aus. Entfernt man das Feld, bleiben sie so und man hat einen Permanentmagneten. Das Besondere an Ferrofluiden ist, dass sie so klein sind, dass sie nur einem einzigen Weissschen Bezirk entsprechen. Sie verhalten sich paramagnetisch (in Lösung gebracht kann man sie also mit einem Magneten „kontrollieren“). Sie bilden aber keine Hysterese aus, obwohl sie aus einem ferromagentischen Material bestehen. Zusammengenommen bezeichnet man das als Superparamagnetismus. Was zunächst wie ein lustiger Chemiker-Physiker-Spaß aussieht findet heute seine Verwendung als rotierende Gleitringdichtung in Satelliten der NASA, außerdem in Lautsprechern und sogar in der Medizin bei der Tumorbehandlung.

Wer übrigens kein Weihnachtsgeschenk hat, der möge mal bei google „Ferrofluid“ eingeben und sich die Shopping-Ergebnisse ansehen. Ja. Ich habe mich auch gewundert. Einem Kleinkind würd ich’s jetzt nicht schenken, aber meinem Bruder… wer weiß, wer weiß.

So winzig und so… stabil?

Nanopartikel sind nicht stabil. Dadurch, dass ihre Oberfläche vergleichsweise zum Volumen so groß ist, drängt der Partikel dazu, sich mit anderen Partikeln zusammenzuschließen (Agglomeration). Ließe man also eine nanoskalige Verbindung lange genug stehen, würde man wieder einen ausgedehnten Festkörper erhalten. Da kann man aber entgegenwirken. Deshalb erhalten Nanopartikel an ihre Oberfläche oft eine stabilisierende Substanz. Irgendwas großes, das verhindert, dass sich die Partikel zu nahe kommen, wie z. B. Derivate der Zitronensäure oder größerer Fettsäuren.

Last but not least: Ist’s gesund?

Ob’s gesund ist oder nicht, vermag ich nicht zu sagen. Grundsätzlich gilt, dass die Langzeitwirkung von Nanomaterialien noch nicht gut untersucht ist. Es gibt zudem eine enorm große Menge an verschiedenen Nanomaterialien, die sich in so vielen Facetten unterscheiden (Größe, Oberflächenstoffe und die daraus resultierenden Eigenschaften), dass eine pauschalisierte Antwort schlicht und ergreifend falsch wäre. Also haben wir hier noch einen riesigen Forschungsbereich offen, der langsam erobert wird (und werden muss).


Anmerkungen und Quellen
Das Zahlenbeispiel bei den Schmelzpunkten ist aus Moderne Anorganische Chemie, E. Riedel (Hrsg.), 3. Aufl., de Gruyter, 2007. Die Geschichte des Nanogoldpartikels aus Chem. Unserer Zeit, 2010, 44, 14-23, die Geschichte und Anwendung des Ferrofluids aus J. of Chem. Edu., 1999, 76, 943-948. Das Video auf Youtube eingestellt, und ist anscheinend Teil eines Kunstprojekts, Originalquelle: http://www.kodama.hc.uec.ac.jp/spiral/. Der Rest ist aus der VL und Praktikum.

Komplexe Komplexe

Sieh an, sieh an. So früh wollte ich eigentlich kein neues Design für meinen Blog bemühen, aber leider hat mein altes Template in mehrerer Hinsicht ein paar Macken. Deshalb gibt es hier die voll neue Version, Marke Gibt es auch woanders und nun auch hier.

Heute geht es mal um Komplexe. Komplexe heißen Komplexe, weil sie so komplex sind. Und trivial sind sie auf den ersten Blick wirklich nicht. Aber sie sind bunt. (Ich glaube, ich bin die einzige Person, die so fixiert auf bunte Chemikalien ist.)

Wir kennen die ionischen Verbindungen, die Salze, wo es positiv und negativ geladene Teilchen gibt und so zu einem großen räumlich ausgedehnten Körper führen. Wir kennen die Molekülverbindungen, zum Beispiel die organischen Moleküle, die in sich abgeschlossen sind. Und dann gibt es die Komplexe. Das merkwürdige an ihnen ist, dass ihre einzelnen Bestandteile auch ganz allein beständig sind, dennoch schließen sie sich zusammen zu einer „Verbindung höherer Ordnung“. Das kann man an einer sehr beliebten und bekannten Verbindung besonders gut sehen - dem Berliner Blau.

Berliner Blau hat die Summenformel C₁₈N₁₈Fe₇. Es besteht genauer aus zweifach positiv geladenen Eisenionen Fe²⁺, davon insgesamt 3 Stück, aus dreifach positiv geladenen Eisenionen Fe³⁺ , davon 4, und aus Cyanidionen CN^- (haargenau die, die für die Erstickung und die blauen Lippen und so weiter verantwortlich sind), davon dann insgesamt 18. Berliner Blau wurde früher beispielsweise für preußische Soldatenuniformen verwendet und wird noch heute, neben der Tatsache, dass es ein beeindruckendes Pigment in der Malerei ist, auch als Medikament verwendet.

Faszinierend, nicht wahr? Dafür, dass da Cyanidionen drin sind, ist das mal ein erstaunlicher Verwendungszweck. Im Berliner Blau sitzen die Ionen nicht einfach nebeneinander, sie nehmen eine bestimmte Geometrie ein. In der Mitte sitzt ein Eisen(II)-ion Fe²⁺. Wir nennen es Zentralteilchen. Drum rum ordnen sich die Cyanidionen CN^- an, die Liganden, und zwar insgesamt sechs an der Zahl. Sie machen es so, dass sie den maximal möglichen Abstand zueinander einnehmen und damit ein Oktaeder bilden.

Bild Geometrie des Komplexteilchens des Berliner Blau, [Fe(CN)₆]^{4- [1]}

Die Bindung, die zwischen dem Eisen(II)-ion und dem Kohlenstoff des Cyanids gebildet wird, ist eine sogenannte koordinative Bindung. Sie ist ein bisschen wie die Bindungen der schon bekannten Verbindungen und ist doch völlig anders. Nehmen wir zum Beispiel die Ladung. Als zweifach positives Teilchen bräuchte das Eisen(II)-ion gerade zwei negative Ladungen, dann wäre es neutral. Und ein Salz. Doch es versammelt ganze sechs Cyanide um sich rum, weit mehr als es bräuchte. Es macht es deshalb, weil dann seine Elektronen eine Edelgaskon-figuration erreichen und es daher so richtig stabil wird. Auf der anderen Seite resultiert dann ja immer noch eine Ladung, bei zweifach positiv vom Eisen(II)-ion und sechs mal negativ aus den Cyaniden immerhin vierfach negativ. (Was durch die anderen Eisen(III)-ionen ausgeglichen wird.)

Wie stabil so ein Komplex ist, dass zeigt sich darin, ob er in seine einzelnen Bausteine wieder dissoziiert. Bei Berliner Blau ist die Bindung in Wasser sehr stabil, denn Berliner Blau setzt keine Blausäure (also HCN) frei. So ungiftig Berliner Blau ist, so interessant ist seine Eigenschaft, die es zum Medikament macht. Eingesetzt wird Berliner Blau nämlich als Gegengift bei Vergiftungen mit Thallium und Cäsium. Einer der größten Einsätze von Berliner Blau, auch als Futterzusatzmittel bei Tieren, wurde nach 1986 üblich, als sich der Vorfall im Kernkraftwerk in Tschernobyl ereignete. Damals wurde eine hohe Menge an radioaktiven Cäsiumisotopen freigesetzt. Da Cäsiumkationen den in der Hauptgruppe über ihnen stehenden Kaliumionen ähneln, werden sie vom Organismus auch genauso behandelt und verbaut. Berliner Blau aber ist in der Lage, wenn es durch den Magen-Darm-Trakt wandert, die Cs⁺-Ionen aufzunehmen und aus dem Körper hinauszubefördern. Und das sogar auf sehr effiziente Art und Weise. Wie genau Berliner Blau das bewerkstelligt ist aber noch nicht ganz geklärt. Naheliegend ist, dass das Berliner Blau aufgrund seines Herstellungsprozesses noch Kaliumionen in seiner Kristallstruktur enthält. Diese werden dann durch Cäsiumionen ausgetauscht, was beim Berliner Blau anscheinend sehr effizient funktioniert.^[2]

Es gibt noch eine interessante Art der Komplexe, nämlich die Komplexe, deren Liganden nicht über ein Atom sondern über verschiedene Atome koordinieren und damit unterschiedlich viele Plätze in der geometrischen Anordnung für sich beanspruchen können. Eins davon ist das en:

Bild Strukturformel des Ethylendiamins („en“)

En kann zwei Plätze in Anspruch nehmen, weil es über die Stickstoffatome binden kann. Abhängig davon wie viel en man dem Zentralteilchen zur Verfügung stellt, werden eben auch nur zwei oder vier oder auch alle sechs Plätze belegt (sofern unser Zentralteilchen zu oktaedrischen Umgebungen neigt). Wenn wir in wässriger Lösung arbeiten, dann werden alle anderen Plätze von Wasser besetzt. Anschaulicherweise ändert sich in diesem Fall, wenn wir Nickel(II)-ionen einsetzen, sogar die Farbe.

Bild von rechts nach links: [Ni(H₂O)₆]²⁺, [Ni(en)(H₂O)₄]²⁺, [Ni(en)₂(H₂O)₂]²⁺ und [Ni(en)₃]²⁺. Im letzten Reagenzglas ist en im Überschuss zugesetzt, dennoch ändert sich die Farbe nicht mehr, da Nickel(II) nicht noch mehr en um sich scharren kann.

Trotz aller Besonderheiten, Komplexe sind keine sonderlich seltenen Verbindungen. Eine für uns enorm wichtige sehen wir schon, wenn wir uns verletzen und Blut aus der Wunde austritt. Der Farbstoff des Blutes, das Hämoglobin, enthält ein Eisen(II)-Zentrum, welches von einem riesigen Liganden umgeben ist, einem Porphyrinring. Dieser greift an vier Stellen an, die anderen beiden besetzen Aminosäuren aus dem Protein. Beim Sauerstofftransport wird eine der Aminosäuren durch Sauerstoff O₂ ausgetauscht. Die Bindung vom Eisenzentrum zum Sauerstoff kann relativ leicht wieder aufgehoben werden, die Reaktion mit dem Sauerstoff ist also reversibel und für uns ist die koordinative Bindung ein beständiger Teil unseres Lebens.


Anmerkungen
Von Berliner Blau gibt es zwei Formen, die hier angesprochene, unlösliche Form und eine kolloidale Form, in der allerdings der Komplex zwei Zentralteilchen enthält („lösliches Berliner Blau“).

Quellen
[1] basierend auf diesem Bild aus der englischen Wikipedia, Lizenz: cc-by-sa-, Weitergabe unter gleichen Bedingungen, also: feel free to use it
[2] E. Riedel (Hrsg.), Moderne Anorganische Chemie, 3. Aufl., de Gruyter, 2007

Das Wahnsinnsstudium

Letztes Jahr haben doch die Studenten gestreikt. Haben keine Ferien und so. Nicht wahr? Das hat man dieses Jahr bei uns irgendwie auch mitbekommen und wollte es unbedingt ändern.

Ergebnis:
Vier der fünf Module dieses Semester benötigen ein Praktikum zum bestehen. Eines dauert zwei Wochen und liegt vor den anderen Praktika. Geschenkt. Drei liegen parallel - sollen also im selben Zeitraum absolviert werden. Zwei davon sollen noch den Weihnachtsferien abgeschlossen werden. Das macht drei Praktika à 2 Nachmittage, macht 6 Nachmittage Praktikum noch vor den Weihnachtsferien. An fünf Werktagen.

Kommentar meiner besseren Hälfte: „Das liegt noch innerhalb des Fehlers.“

Wir überlegen uns bereits, ob wir die Heisenbergsche Unschärferelation oder doch lieber den Tunneleffekt nutzen sollen, um das unter einen Hut zu bringe...

PS: Dafür scheint es nun tatsächlich so auszusehen, dass wir den März frei haben. Keine Praktika, kaum Klausuren. Wobei ich eher davon ausgehe, dass ein Teil von uns durch die ersten Klausuren fällt, und dann für die Nachklausuren lernen muss. Yay.