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Archive for the ‘Anorganik’ Category

Es geht immer um… Isotope?

Endlich etwas mehr Zeit für den Blog! In diesem Eintrag werden nun mehrere unterschiedliche Ideen für Einträge, die bisher nicht verwirklicht werden konnten, zusammengefasst, die Abschnitte 1 bis 3 dienen dabei der Einleitung. Im Abschnitt 4 werden einige Anwendungen vorgestellt, die wieder einmal zeigen, wie spannend Chemie sein kann.

0. Elemente…?

Eine der größten wissenschaftlichen Leistungen ist die Aufstellung des Periodensystems mit den inzwischen insgesamt 118 bekannten Elementen. Chemisch gesehen lässt sich ein Element nicht weiter auftrennen und besitzt die gleiche Zahl an Protonen und Elektronen, die charakteristisch ist. Jedoch können sich zwei Atome des gleichen Elements durchaus unterscheiden.

1. Was sind Isotope?

Nämlich in ihrer Masse, genauer gesagt in der Masse ihres Atomkerns. Zusätzlich zu den Protonen sind im Kern noch Neutronen vorhanden, die den Kern stabilisieren, keine Ladung besitzen, allerdings jeweils einen Spin von +1/2 besitzen, was später noch wichtig wird. Und die Zahl der Neutronen kann für ein und dasselbe Element in gewissen Grenzen schwanken, ohne dass das chemische Verhalten stark beeinflusst wird, weil die chemischen Eigenschaften durch die Elektronenhülle und damit durch die Ordnungszahl bedingt sind.

2. Was bedeutet der Massenunterschied?

Allerdings ist gerade bei den leichten Elementen und vor allem beim Wasserstoff ein Isotopeneffekt sichtbar bedingt durch den geringen Massenunterschied. Beim Wasserstoff geht es soweit, dass die unterschiedlichen Isotope 1H, 2H und 3H eigene Namen und Symbole haben: Protium bzw. H, Deuterium bzw. D und Tritium bzw. T (Zur Namensgebung von Deuterium hier im Blog).

Wird eine chemische Bindung zwischen zwei Atomen A und B mit dem aus der klassischen Physik bekannten Federmodell genähert, so lässt sich leicht der Einfluss der Masse auf die Kraftkonstante der Bindung k diskutieren

k=\omega^{2}\mu

mit der Kreisfrequenz \omega und der reduzierten Masse \mu. Je größer also die Masse, desto stärker die Bindung. Zusätzlich nimmt die Masse Einfluss auf Rotation und Translation.

3. Wie können Isotopen getrennt werden?

Die Methode, die zur Trennung von Isotopen hauptsächlich zum Einsatz kommt, ist die sogenannte Massenspektrometrie. Hierbei wird die Probe ionisiert und durch einen regelbaren Elektromagneten nach dem Verhältnis m/z von Masse m zu Ladung z aufgetrennt.

4. Wo ist das wichtig?

In unterschiedlichsten Bereichen sind Isotopenunterschiede wichtig:

  • Ziemlich bekannt ist die Radiokarbonmethode zur Alterbestimmung von organischem Material, die auf dem Zerfall des radioaktiven Kohlenstoffsisotops 14C gegenüber dem stabilen 12C basiert, das durch kosmische Strahlung in geringen Mengen gebildet wird.
  • Bei der Echtheitskontrolle von Tequila ist die unterschiedliche Isotopendiskriminierung durch C4– und CAM-Pflanzen von Nutzen, so dass auf die Art des verwendeten, zu Alkohol vergorenen Zuckers geschlossen werden kann. Tequila muss dabei mindestens zu 51 % aus Agavenzucker bestehen.
  • An der Isotopenzusammensetzung des Knochenkollagens kann die Art der Ernährung abgelesen werden, also ob hauptsächlich Fleisch oder Pflanzen als Nahrung dienten So konnte festgestellt werden, dass der bereits in vorgeschichtlicher Zeit ausgestorbene Höhlenbär sich stark pflanzlich ernährt hat (Spektrum der Wissenschaft 07/12, 36 (kostenpflichtig)).
  • Die Herkunft des Ötzi: Durch die Analyse radioaktiver Nuklide von Strontium und Blei und stabiler Nuklide von Sauerstoff und Kohlenstoff in Zähnen und Knochen kann recht genau der Herkunftskreis des Gletschermannes eingeengt werden, der somit beständig südlich seines Fundortes gelebt hat (W. Müller, et al., Science 2003, 203, 862 (kostenpflichtig)). Genutzt wird hierbei die lokal unterschiedliche Isotopenverteilung, die somit einen eindeutigen Schluss auf den Wohnort zulässt.
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Fluor als F2 in der Natur? Ja!

Als Schüler und als Chemiestudent lernt man allenthalben, dass Fluor molekular viel zu reaktiv sei, als dass es in der Natur als F2 vorkommen könne. Die wichtigsten Fluor haltigen Mineralien Fluorapatit, Kryolith und Fluorit (Flussspat) enthalten dementsprechend Fluorid-Ionen. Jedoch hält die Natur immer noch einen Trumpf in der Hinterhand und zeigt, es geht doch! Wie immer ist es nur eine Frage der Bedingungen. Denn es kommt jetzt Radioaktivität ins Spiel!

Durch Vergesellschaftung mit Uran haltigen Mineralien wird Flussspat energiereicher Gammastrahlung ausgesetzt und es bildet sich das Mineral „Stinkspat“, auch „Antozonit“ genannt. Die Namensgebung dieser dunklen, fast schwarzen Varietät des Flussspats rührt von dem eigentümlichen Geruch her, der bei Zerschlagung des Minerals auftritt. Die Wissenschaftsgemeinde stritt lange über die Art und Herkunft des freigesetzten Gases. Chemikern der LMU Müchen und TU München ist jetzt erstmals der direkte Nachweis gelungen, dass das Gas tatsächlich F2 ist und im Kristall eingeschlossen bereits existiert und keineswegs beim Zerschlagen erst entsteht (J. Schmedt auf der Günne, M. Mangstl, F. Kraus, Angew. Chem. 2012, 124, 7968 (kostenpflichtig)). Untersucht wurden dabei Proben aus der „Grube Maria“, gelegen im oberpfälzischen Wölsendorf, einem bedeutenden Fundort von Stinkspat. Mit Hilfe von Festkörper-NMR-Spektroskopie konnte darin eindeutig Fluor molekular als Gas nachgewiesen werden, das durch die Jahrtausende lange Bestrahlung gebildet wurde. Ebenso kann synthetischer, reiner Flussspat durch entsprechende Bestrahlung in Stinkspat überführt werden, wodurch der Bildungsmechanismus aufgeklärt werden konnte.

Die dunkle Farbe des Stinkspats rührt dabei nicht von Fluor her, sondern von Calcium-Clustern, die ebenfalls durch die natürliche Radioaktivität gebildet werden.

Die als „Very Important Paper“-gekennzeichnete Zuschrift hat es sogar auf die Titelseite der entsprechenden Ausgabe der Angewandten Chemie geschafft, zusätzlich gibt es eine Pressemeldung.

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Diamonds are forever, oder nicht?

Diamanten stellen das härteste bekannte raumfüllende Material dar. Der Grund für die Härte ist die Beschaffenheit aus reinem tetraedrisch angeordnetem Kohlenstoff und die damit verbundene hohe Bindungsenergie (Interessanterweise besitzt allerdings Graphen, sozusagen 2D-Graphit, eine noch höhere Bindungsenergie und ist somit das härteste flächige Material).

Diamanten sind allerdings nicht stabil, sondern nur metastabil, stellen also nicht die energetisch niedrigste Modifikation dar (zumindest bei Normaldruck und Raumtemperatur). Ein Zerfall zu schmierigem Graphit ist allerdings auf der Grund der hohen Aktivierungsenergie nicht zu beobachten, die Reaktion ist kinetisch gehemmt.

Doch wie entstehen Diamanten? Im Erdmantel unter hohem Druck und hoher Temperatur. Aber wie kommen die Diamanten zur Erdoberfläche, ohne sich vorher durch die Temperatur bedingt innerhalb weniger Tage in Graphit zurückzuverwandeln (oberhalb von 1500 °C ist Diamant instabil)?

Dafür sorgt ein Mechanismus, der erst neulich genau[1] beschrieben und auch experimentell belegt wurde: Kimberlitische Magma (stark kohlenstoffreich) steigt aus dem Erdinneren auf und vermengt sich dabei mit silikatreichem Gestein, das sich in der Magma löst und die Löslichkeit für Kohlendioxid herabsetzt, das austritt und auf Grund des Dichteverlusts für enormen Auftrieb sorgt. Dieser Prozess verstärkt sich beim Aufstieg immer weiter und nimmt Fremdkristalle wie Diamanten mit, die so innerhalb von drei bis acht Stunden aus 150 km Tiefe bis zur Erdkruste kommen. Das Gestein erstarrt, die Diamanten sind sicher eingeschlossen und warten auf ihre Entdeckung.

[1] J. K. Russel, L. A. Porritt, Y. Lavalée, D. B. Dingwell, Nature 2012, 481, 352.

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Die Wahrheit über UV-A und UV-B

Ist über UV-Strahlung nicht schon alles gesagt? Ja, aber nicht aus chemischer Sicht und das Thema hat sehr viele Facetten, die jeden Bereich der Chemie betreffen.

Die ultraviolette Strahlung wird in drei Bereiche unterteilt: UV-A-, UV-B- und UV-C-Strahlung, nach abnehmender Wellenlänge geordnet, also nach zunehmender Energie. Es wird auch von weicher, mittlerer und harter UV-Strahlung gesprochen. Um den Planeten Erde bewohnbar zu machen, kommt die Chemie ins Spiel: Die „Ozonschicht“ in der Stratosphäre absorbiert im Zuge der Bildung von Ozon durch photochemische Bildung von O-Atomen und wiederum des Zerfall des Ozons („Ozonkreislauf“) die komplette, lebensfeindliche UV-C-Strahlung und den größten Teil der UV-B-Strahlung.

Anorganik/Organik: Unsere Augen schützen wir mit Sonnenbrillen mit „UV-A- und UV-B-Filtern“, in denen spezielle Filterfarbstoffe alles UV-Licht ausfiltern (was mit der Tönung der Brille nichts zu tun hat). Unsere Haut bedecken wir mit Sonnencreme, die zwei Schutzmechanismen bietet: Anorganische Pigmente wie Titandioxid (TiO2, ein immens vielseitiges Material, über das noch mehr zu berichten sein wird) oder Zinkoxid (ZnO) brechen und reflektieren das Sonnenlicht (physikalischer Schutz), organische Stoffe absorbieren UV-Strahlung und geben sie als Wärme wieder ab (chemischer Schutz).

Biochemie: In der Haut durch UV-B-Strahlung entstehende Melanine wirken ähnlich den organischen Lichtschutzsubstanzen, Melanine bieten auch einen echten Lichtschutz und sorgen für die gewünschte Bräune. UV-B-Strahlung ist außerdem für den Sonnenbrand verantwortlich, aber auch für die Bildung des wichtigen Vitamin D3, das einzige Vitamin, das im Körper gebildet werden kann, und daher den Namen „Vitamin“ eigentlich nicht verdient. Aber dazu etwas an anderer Stelle.

UV-A-Strahlung dagegen ist durch die photochemische Bildung von Thymindimeren in der Erbsubstanz DNA für Hautkreb verantwortlich.

So weit der Überblick. Man kann also sagen: Es ist durchaus sinnvoll, sich der Sonnenstrahlung auszusetzen, zumindest für kürzere Zeiträume, weil Sonnencreme gerade verhindert, dass das Vitamin gebildet wird. Eine Bestrahlung hinter Fensterglas, gerade jetzt im Winter interessant, ist keine Alternative; das Glas absorbiert UV-B-Strahlung komplett, Sonnenbrand und Vitaminbildung werden vermieden bzw. verhindert, UV-A kann aber ungehindert passieren und die DNA zerstören. Künstliche UV-Bestrahlung in Solarien mag ästhetisch interessant sein, gesundheitlich ist es allerdings fraglich wegen der großen Hautkrebsgefahr und einer vorzeitigen Hautalterung; als Lichttherapie sind Solariumsbesuche auch komplett ungeeignet.

Zu empfehlen sei noch ein Artikel bei io9, der sich mit der interessanten Lichtwirkung von „Schwarzlicht“ beschäftigt.

Kategorien:Anorganik, Biochemie, Organik

Neujahr und das Feuerwerk

Ein blöder Spruch lautet: „Chemie ist, wenn es stinkt und kracht.“ Und das stimmt auch, man sollte deshalb etwas vorsichtig mit explosiven Stoffen umgehen, wie das Video beweist. Man kann nur froh sein, dass dabei keiner verletzt wurde.

Auch richtig ist: „Firework smoke. Don’t breathe this.“ SO2, verantwortlich für den typischen Feuerwerksgeruch, und andere Verbrennungsprodukte bilden den Dunst der Neujahrsnacht, was man hier auch gut sieht.

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Falunrot – Die Farbe Schwedens

Typisches schwedisches Haus im Skansen-Freilichtmuseum in Djurgarden/Stockholm ©ChemieUnser 2010

Typisch für Schweden sind neben Elchen und IKEA die roten Holzhäuser mit ihren weißen Fensterrahmen, die allerorten zu finden sind.

Diese Farbe, als Falun-Rot (Falu rödfärg) oder Schweden-Rot bezeichnet, wird – wie der Name sagt – in Falun in Mittelschweden hergestellt aus dem Abraum der dortigen, inzwischen geschlossenen Kupfermine.

Die rote Farbe wird dabei von Eisenoxid (Fe2O3) hervorgerufen, ebenfalls enthaltenes Eisenvitriol (FeSO4 · 7 H2O) ist ein gutes Konservierungsmittel, so dass das Holz im rauen Klima Skandinaviens nicht so schnell verwittert.

Obwohl die Mine heute geschlossen ist, geht die Produktion der Farbe weiter – das Verfahren der Herstellung, das mit den Zutaten Leinöl und Roggenmehl (und weiteren geheimen Sachen) zusätzlich zum Erz etwas seltsam klingt, wird genau überwacht, so dass die Farbe auch wirklich das echte Falunrot ist wie es bekannt ist.

Die Farbe der Häuser ändert sich je nach Jahreszeit, also Feuchtigkeit und Temperatur, und auch Alter des Anstrichs. Es ist eben eine echte Naturfarbe!

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