Einführung in die Laborpraxis: Basiskompetenzen für Laborneulinge [2. aktual. und erw. Aufl.] 3642170730, 9783642170737, 9783642170744 [PDF]

Zitiervorschau

Springer-Lehrbuch

Bruno P. Kremer ⋅ Horst Bannwarth

Einführung in die Laborpraxis Basiskompetenzen für Laborneulinge Zweite, aktualisierte und erweiterte Auflage

123

Dr. Bruno P. Kremer Prof. Dr. Horst Bannwarth Universität zu Köln Zentrum für Mathematische und Naturwissenschaftliche Bildung Institut für Biologie und ihre Didaktik Gronewaldstraße 2 50931 Köln [email protected] [email protected]

ISSN 0937-7433 ISBN 978-3-642-17073-7 e-ISBN 978-3-642-17074-4 DOI 10.1007/978-3-642-17074-4 Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2009, 2011 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: WMXDesign GmbH, Heidelberg Umschlagabbildungen: Bruno P. Kremer, Eleni Veliou Grafik: studio_bpk Wachtberg Satz: Druckfertige Vorlage der Autoren Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com)

?

Inhalt

Warum gerade dieses Buch? .....................................................................1 Basiskompetenzen 1

Bevor es los geht: Sicherheit und Umsicht ......................................3 1.1 Verantwortung im Labor ..........................................................4 1.2 Grundsätze für die Laborsicherheit ..........................................5 1.3 Der Arbeitsplatz im Labor ........................................................7 1.4 Besondere Sicherheitshinweise ................................................9 1.5 Gefahrstoffe und Gefahrgut ....................................................11 1.6 Die H-, P-, R- und S-Sätze ......................................................13 1.7 Umweltaspekte und Entsorgung .............................................15

2

Chemikalien: Stoffe, Elemente, Verbindungen ............................17 2.1 Elemente, Gemische, Verbindungen ......................................18 2.2 Basen, Säuren und Salze .........................................................19 2.3 Alkane als Basismoleküle .......................................................24 2.4 Benennung von Kohlenwasserstoffen ....................................25 2.5 Funktionelle Gruppen schaffen Vielfalt .................................29 2.6 Reinheits- und Qualitätsbezeichnungen ..................................33

3

Werkstoffe, Geräte, Apparturen ...................................................35 3.1 Werkstoffe ..............................................................................35 3.2 Geräte ......................................................................................39 3.3 Verbindungen schaffen ...........................................................45

4

Einheiten, Maße und Zahlen ..........................................................49 4.1 Teile und Vielfache von Einheiten .........................................54 4.2 Besondere Schreibweisen .......................................................55

5

Protokollieren und Dokumentieren ...............................................59 5.1 Labordokumente .....................................................................64 5.2 Grafiken ..................................................................................64 5.3 Tabellen ..................................................................................68

VI

Inhalt

Quantifizieren 6

Stoffe wägen .....................................................................................71

7

Volumina bemessen ........................................................................75 7.1 Laborgeräte zur Volumenmessung .........................................76 7.2 Gefäßkennzeichnung ..............................................................78 7.3 Mit Pipetten kompetent umgehen ...........................................81 7.4 Spritzen sind besondere Messgefäße ......................................84 7.5 Messkolben .............................................................................86 7.6 Büretten ..................................................................................87 7.7 Reinigen von Glasgefäßen ......................................................89

8

Temperatur und Temperieren .......................................................91 8.1 Thermometer ..........................................................................93 8.2 Erwärmen und Erhitzen ..........................................................96 8.3 Kühlen ....................................................................................99

9

pH-Wert und Titrimetrie .............................................................101 9.1 Berechnung des pH-Wertes ..................................................103 9.2 Puffersysteme .......................................................................104 9.3 Bestimmung des pH-Wertes mit Indikatoren .......................105 9.4 Potentiometrie: Messung mit der Glaselektrode ...................107 9.5 Titrimetrie .............................................................................109

10

Dichte bestimmen ..........................................................................113 10.1 Dichtebestimmung mit dem Aräometer ................................114 10.2 Polarimetrie ..........................................................................115

11

Mit Gasen arbeiten .......................................................................117 11.1 Farbkennzeichnung von Gasflaschen ...................................118 11.2 Sicherheitsaspekte beim Umgang mit Gasen .......................120 11.3 Mit Gasen rechnen ................................................................124 Lösen, Mischen, Trennen

12

Lösungen, Stoffmengen und Konzentrationen ...........................125 12.1 Kolligative Eigenschaften .....................................................125 12.2 Solvatation ............................................................................126 12.3 Lösemittelklassen .................................................................127 12.4 Mengen- und Konzentrationsangaben ..................................132

Inhalt

VII

12.5 Das Avogadro’sche Gesetz ...................................................141 12.6 Errechnen von Anteilen und Konzentrationen ......................142 13

Stoffe trennen ................................................................................147 13.1 Fällung ..................................................................................149 13.2 Filtration ...............................................................................150 13.3 Destillation ............................................................................153 13.4 Schütteltrennung ...................................................................155

14

Zentrifugieren ...............................................................................157 14.1 Rotoren und Zentrifugen .......................................................158 14.2 Zentrifugationsverfahren ......................................................159

15

Chromatographie und Elektrophorese .......................................163 15.1 DC trennt niedermolekulare Substanzen ..............................164 15.2 Ionenaustauschchromatographie ...........................................167 15.3 Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) ..........168 15.4 Trennung hochmolekularer Verbindungen ...........................168 Weitere Basistechniken

16

Mikroskopieren .............................................................................173 16.1 Funktionsteile eines Mikroskops ..........................................174 16.2 Arbeitsplatzausstattung .........................................................176 16.3 Vom Präparat zur Beobachtung ............................................177 16.4 Die Köhler’sche Beleuchtung ...............................................180 16.5 Frisch- vs. Dauerpräparat ......................................................181 16.6 Spezielle Beleuchtungsverfahren für spezielle Zwecke .......185 16.7 Dokumentation .....................................................................187 16.8 Instrumentenpflege ...............................................................187

17

Photometrieren ..............................................................................189 17.1 Spektroskopie und Photometrie ............................................190 17.2 Szintillationsspektrometrie ...................................................193

18

Sterilisation und steriles Arbeiten ...............................................195 18.1 Wichtige Sterilisationsverfahren ..........................................197 18.2 Sterilisation durch Erhitzen ..................................................197 18.3 Sterilisation mit chemischen Mitteln ....................................199 18.4 Sterilisation durch Strahlen ...................................................200 18.5 Sterilfiltration ........................................................................200 18.6 Steriles Arbeiten ...................................................................202

VIII

Inhalt

19

Tabellen, Farbtafeln, Übersichten ...............................................203

Zum Weiterlesen ....................................................................................229 Zum Nachschlagen: Register .................................................................231

Warum gerade dieses Buch?

Die 2009 erschienene Erstauflage dieses Buches wurde von der Fachkritik und von den Buchinteressenten zu unserer Freude außerordentlich positiv aufgenommen. Unsere Motivation war es, mit einem solchen Buch die fachliche Kompetenz bei praktisch-experimentellen Laborarbeiten mit den notwendigen theoretischen Grundlagen und vor allem mit handlungsorientiertem Verantwortungsdenken zu verknüpfen. Diese Grundidee bestimmt auch die vorliegende aktualisierte und erweiterte zweite Auflage. Wir leben in einer von Naturwissenschaft und Technik bestimmten Welt. Der Wohlstand hängt wesentlich von technischen Errungenschaften und wissenschaftlichen Erkenntnissen ab, und diese gewinnt man hauptsächlich in Labors. Hier wurden und werden die Ideen zahlreicher Wissenschaftler aus Chemie, Physik, Biologie, Genetik, Medizin, Pharmazie und verschiedenen Ingenieurdisziplinen umgesetzt, erarbeitet, in ihrer Richtigkeit bestätigt oder verworfen und weiter entwickelt. In Labors gelangen grundlegende und mit dem Nobelpreis gewürdigte Entdeckungen von Otto Hahn bis Peter Grünberg oder von Fritz Haber bis Gerhard Ertl. Im Labor entdeckten Sir Alexander Fleming das Penicillin, Feodor Lynen die Einzelschritte der Fettsäuresynthese und Melvin Calvin die Reaktionen des photosynthetischen C-Einbaus. In Labors wird tagtäglich routinemäßig unsere Gesundheit und Umwelt getestet. Die genaue Beschaffenheit unserer Nahrung, unseres Wassers, unserer Luft und unserer Böden wird im Labor untersucht. Krankheitskeime werden im Labor unter dem Mikroskop nachgewiesen und mit Hilfe von Labormethoden identifiziert. Für Schulen und Hochschulen ist es somit von überragender Bedeutung Menschen auszubilden, die durch erfolgreiches Arbeiten im Labor unsere Zukunft sichern. Hierzu sind besondere praktische und theoretische Basiskompetenzen erforderlich. Experimente im Labor setzen Vermutungen oder Hypothesen der Wissenschaftler um. Sie gelingen nur mit sauberer Arbeit, genauer Beobachtung, exaktester Messung und optimaler Auswertung. Leider kommt in den Schulen und oft auch noch in den Hochschulen wegen enormer Stofffülle, notorischer Zeitknappheit und fehlender finanzieller Voraussetzungen das praktische Arbeiten im Labor sehr oft erheblich zu kurz. Ein abgerundeter Überblick zumindest über die wichtigeren Standard-

2

Warum gerade dieses Buch?

labormethoden in Verbindung mit experimentellen Übungen ist demnach nur selten möglich. Studierende der experimentell orientierten naturwissenschaftlichen Fächer sehen sich daher in der nicht unbedingt ermunternden Ausgangslage, dass ihnen wesentliche methodische bzw. labortechnische Basiskompetenzen fehlen. Das erschwert die Bewältigung experimenteller Aufgaben somit unnötig. Es betrifft beispielsweise die korrekte Handhabung von Pipetten und anderen Hilfsmitteln der Volumetrie ebenso wie den sicheren Umgang mit Gefahrstoffen oder die standardisierte Verwendung von Maßen und Messeinheiten Da das erfolgreiche Arbeiten im Labor eine Menge handwerklichtechnischer Fertigkeiten und Kenntnisse voraussetzt, der Umfang eines einführenden Werkes aber nicht beliebig aufgebläht werden kann, haben wir nur Grundlegendes und Wesentliches berücksichtigt. Dieses Buch führt also nicht in neueste und bewundernswert ausgefeilte Hightech-Verfahren der Gentechnik oder Molekularbiologie ein, sondern beschränkt sich auf den für die Laborpraxis essenziellen Grundlagenbereich, der konsequenterweise ein solides Fundament für alle weiterführenden und spezialisierten Methodenrepertoires bildet. Zur Vermittlung solcher Kompetenz versuchen wir daher, in diesem Buch das Handeln mit dem Verstehen oder – anders ausgedrückt – die Praxis in geeigneter Weise mit der Theorie zu verknüpfen. Nur so ist naturwissenschaftliches Arbeiten als empirisches Verfahren der Erkenntnisgewinnung zu verstehen und erfolgreich in Handeln umzusetzen. Auf diesem Hintergrund vertreten wir hier ebenso wie in unseren früheren Buchprojekten als generelle Leitlinie die spezifische Kombination von Problem-based Learning mit Learning by Doing. An die Sicherheit im Labor und die Vermeidung von Gefährdungen von Personen und Umwelt werden heute aus sehr guten Gründen immer strengere Anforderungen gestellt. Dieses hohe Niveau an Verantwortungsdenken soll auch für dieses Werk zu Grunde gelegt werden, so dass jeder mit gutem Gewissen im Labor arbeiten kann. So soll das Arbeiten im Labor auf jeden Fall erfolgreich, aber auch von Verantwortung gegenüber den Mitmenschen und der Umwelt geprägt sein und dennoch auch Freude am wissenschaftlichen Tun mit Entdecken oder Bestätigen bereiten. Natürlich gibt es in der Laborroutine – fast wie im richtigen Leben – auch immer einmal etwas ödere Strecken. Dennoch hoffen und wünschen wir, dass der fun factor beim investigativen Sondieren der Natur ebenso stimmt wie die grundsätzlich und immer beteiligte Chemie. Köln, im Februar 2011

Bruno P. Kremer und Horst Bannwarth

1

Bevor es los geht: Sicherheit und Umsicht

Bereits in der Schule im experimentellen Unterricht, dann vor allem in der Berufsausbildung beispielsweise von Laborantinnen und Laboranten sowie im Studium der naturwissenschaftlichen Fächer sind jeweils Arbeiten im Labor unter Aufsicht einer verantwortlichen Lehrperson vorgesehen. Ebenso erfordern Seminar- und Examensarbeiten für die verschiedenen Abschlüsse (Praxisprüfung im Laboranten-, ferner Bachelor-, Master-, Diplom-Examen sowie Promotion) bereits im Labor eigenständiges und eigenverantwortliches Handeln sowie ein methodisch qualifiziertes Vorgehen in Team- oder Einzelarbeit. Die Motivation für das Arbeiten im Labor darf nicht nur in der Ableistung eines Pflichtprogramms bestehen. Vielmehr sollen Forscherdrang, wissenschaftliche Neugier, das Interesse an der Beantwortung von interessanten Fragestellungen oder besonderen Problemlösungen oder die Suche nach empirischen Ergebnissen bzw. neuen Erkenntnissen immer im Vordergrund stehen. Allerdings zeigt die Erfahrung oft genug, dass es allein mit Begeisterung und Engagement durchaus nicht getan ist. Eine auf den amerikanischen Ingenieur Edward A. Murphy jr. zurückgehende Lebensweisheit, die gewiss auch für das Arbeiten im Labor gilt, ist die einfache Fundamentalaussage: „Alles, was schief gehen kann, wird auch schief gehen.“ („Whatever can go wrong, will go wrong“). Dieser vielfach auch als Murphys Gesetz (Murphy’s Law) zitierte und leider auch gar zu oft bestätigte Satz zeigt eine tiefe Einsicht in menschliches Versagen bzw. menschliche Unzulänglichkeit. Er betont zudem die Tatsache, dass der Mensch in schlecht überschaubaren und unzureichend geplanten oder planbaren Situationen eben immer wieder Fehler macht. Man könnte empirischboshaft ergänzen: Es ist nur eine Frage der Zeit, bis tatsächlich etwas schief geht, was prinzipiell schief gehen kann. Hieraus ergibt sich nun als wichtigste Zielsetzung für das Arbeiten im Labor, dass man den Zeitpunkt des Eintretens eines Misserfolges, Schadens oder Unfalls nach Möglichkeit so weit hinauszögert wie nur irgendwie möglich – und bestenfalls sogar so lange, dass er praktisch überhaupt nicht eintritt. So wie auch für die umsichtige Teilnahme am Straßenverkehr eine gezielte und vorbereitende Verkehrserziehung nötig und erfolgreich ist, so müssen einige Maximen und Erziehungsziele auch für das Arbeiten im Labor im Vordergrund stehen. Dazu gehören unabdingbar die Erziehung zu

4

1 Bevor es los geht: Sicherheit und Umsicht

exaktem, sauberem, ordentlichem, gewissenhaftem, geduldigem, rücksichtsvollem und ehrlichem Arbeiten. Mithin müssen auch Unzulänglichkeiten und Fehler genannt, eingestanden und zugegeben werden, auch wenn es den eigenen egoistischen Interessen, dem Ansehen oder dem Vorwärtskommens widerspricht oder zu widersprechen scheint. 1.1 Verantwortung im Labor Handlungsorientiertes Verantwortungsdenken ist gerade für das Arbeiten im Labor in allen Belangen völlig unverzichtbar. Dazu trägt bei, dass man die folgende Leitaspekte stets vor Augen hat und als Grundkonsens auch immer befolgt: • Sicherer und sachgerechter Umgang mit Chemikalien und Geräten. • Planen, Vorbereiten und Umsetzen von Schutzmaßnahmen zur Vermeidung von Unfällen, um sich selbst und andere vor Gefahren und Schäden zu bewahren. • Verantwortlich, rücksichtsvoll, vorausschauend und überlegt gegenüber Mensch und Umwelt handeln. • Erkennen von Gefahren im Labor beim Umgang mit Chemikalien und Geräten. • Insbesondere Gefahrenhinweise ernst nehmen und berücksichtigen. Jeder muss andererseits bereit sein, selbst Verantwortung zu übernehmen und nur das zu tun, was er verstanden hat und billigen kann. • Sich und anderen durch korrektes Protokollieren jeweils Rechenschaft über den richtigen Umgang, das eigene Verhalten, das Befolgen von Vorschriften und Regeln und das geforderte methodische Vorgehen geben können. • Neuerungen, Weiterentwicklungen, Fortbildungen aufmerksam verfolgen und berücksichtigen. • Ethische Richtlinien für das wissenschaftliche Arbeiten einhalten und insbesondere auf den Schutz der Umwelt achten, zum Beispiel nur solche Materialien in das Abwasser geben, von denen keine Gefährdungen oder Belastungen ausgehen. Bei der Versuchsplanung immer bedenken und fragen, ob es umweltfreundlichere und weniger gefährliche Alternativen gibt. Bereits der Ungeschulte kann sich durch Haltung und Einstellungen sowie durch das Berücksichtigen solcher Grundsätze gute Voraussetzungen für ein erfolgreiches und unfallfreies Arbeiten schaffen. Dabei gilt es zu beachten, dass sorgfältiges, gewissenhaftes und wohlüberlegtes Handeln und

1.2 Grundsätze für die Laborsicherheit

5

Verhalten im Labor natürlich nicht nur der Sicherheit, sondern letztlich auch der Qualität des wissenschaftlichen Arbeitens dient. Wer pfuscht, ungenau, flüchtig, unüberlegt oder gar fahrlässig arbeitet, gefährdet nicht nur seine eigene Gesundheit und diejenige anderer Menschen, sondern bringt sich auch um den Erfolg seiner Bemühungen. 1.2 Grundsätze für die Laborsicherheit Besondere Gefahren im Labor sind Feuer, Vergiftung, Verätzung, Verletzung, Explosion, Radioaktivität und elektrischer Strom. Sicheres Arbeiten im Labor ist trotz der objektiven latenten Gefahrenpotenziale nicht unmöglich und schon gar keine Frage des Zufalls. Bei der strikten Befolgung und Berücksichtigung nur weniger effektiver, aber zugegebenermaßen essenzieller Sicherheitsgrundsätze ist das akute Gefahrenpotenzial beim Arbeiten im Labor und beim Umgang mit kritischen Substanzen denkbar gering. Zu den wichtigsten Grundsätzen für die Sicherheit im Labor, die man früher oft fälschlicherweise als selbstverständlich betrachtet hat und die ausnahmslos zu befolgen sind, gehören: • Den Anordnungen der verantwortlichen Laborleitung, den schriftlich (Aushänge!) und mündlich gegebenen Anweisungen ist unbedingt und sofort Folge zu leisten. • Potenzielle Gefahren bereits bei der Versuchsplanung berücksichtigen und geeignete Sicherheitsmaßnahmen treffen. • Fremde und unbefugte Personen dürfen keinen Zugang zum Labor sowie zu den Chemikalien und Geräten haben. Das Reinigungspersonal ist angemessen zu unterweisen. Es muss in jedem Fall sichergestellt werden, dass bei Reinigungsmaßnahmen nicht zusätzliche Gefahren durch versehentlich zerbrochene Glasflaschen und auslaufende Flüssigkeiten entstehen. • Generell auf Sauberkeit und strikte Ordnung auf dem Arbeitsplatz achten. Unübersichtliche Situationen vermeiden oder gar nicht erst entstehen lassen. Nur das tun, wozu man sich in der Lage und kompetent weiß. Bei allen Unsicherheiten lieber kein Risiko eingehen, sondern sicherheitshalber nachfragen und Erkundigungen einholen. • Lebensmittel (inkl. Getränke) dürfen nicht mit ins Labor gebracht werden. Schminken oder gar rauchen sowie intensive Personenkontakte sind im Labor ebenfalls absolut tabu. • Besondere Sicherheitsvorschriften sind vor allem beim Arbeiten mit solchen Stoffen zu beachten, welche die Gesundheit gefährden können (vgl. Gefahrstoffverordnung). Gefährdungen gehen in Forschungslabors aus

6

• •

• •

•

•

•

•

• •

1 Bevor es los geht: Sicherheit und Umsicht

von ionisierenden Strahlen, elektromagnetischen Feldern, optischen Strahlen (UV, IR, Laser) und bestimmten Stoffen, vor allem von ätzenden oder reizenden, giftigen, cancerogenen, mutagenen oder teratogenen Substanzen, aber auch von Krankheitserregern und infektiösem genetischem Material. Nie unter Zeitdruck und Stress arbeiten. Nicht hasten, eilen, drängeln, stoßen – auch und gerade nicht beim Abbauen, Auf- oder Abräumen. Nicht unvorbereitet im Labor erscheinen. Machen Sie sich zuvor kompetent und befassen Sie sich rechtzeitig im zeitlichen Vorfeld mit den Besonderheiten, insbesondere mit den Problemen und Gefahren der geplanten Versuche. Betriebs- und Gebrauchsanweisungen sowie Versuchsanleitungen immer genau lesen und konsequent die relevanten Sicherheitsmaßnahmen einhalten. Sich bewusst sein, dass Menschen nur nach vorne gerichtete Augen haben und nicht alles sehen können. Rücksicht im Wortsinn nehmen! Dazu gehört auch zu bedenken, dass man selbst ebenso wie andere Fehler machen kann. Grundsätzlich nicht allein im Labor arbeiten – es sei denn, eine gültige Betriebsanweisung lässt Ausnahmen für Arbeiten mit geringem Gefährdungspotenzial zu. Sollte trotz aller Vorsichtsmaßnahmen ein Notfall eintreten, muss immer jemand zur Stelle sein, um zu helfen oder Hilfe herbeizurufen. Im Notfall immer den Arzt verständigen. Auch bei aller Vorsicht immer auf den Schadensfall eingestellt sein: Hilfsmaßnahmen vorbereiten und unbedingt Telefon- bzw. Mobilnetznummern für Hilfe von außen bereithalten. Im Schadensfall nicht selbst ohne Rücksprache mit einem Verantwortlichen versuchen, einen Schaden zu beheben. Einfaches Lüften und den Raum zu verlassen, ist meistens eher angebracht, als eine vergossene organische Flüssigkeit aufnehmen zu wollen und sich den Dämpfen auszusetzen. Im Labor sind Laborkleidung, Laborkittel oder zumindest solche Kleidungsstücke zu tragen, bei denen etwaige Beschädigungen unbedeutsam sind. Die Kleidung (keine kurzen Hosen!) und vor allem die Schuhe (keine offenen Schuhe, Flipflops oder Highheels) dürfen das Arbeiten und Bewegen im Labor unter keinen Umständen behindern. Kleider, die man gerade nicht benötigt, immer so aufbewahren, dass sie nicht mit Chemikalien in Berührung kommen können. Bei allen Laborarbeiten ist das Tragen einer geeigneten Schutzbrille Pflicht. Falls das Auge dennoch mit Chemikalien in Berührung ge-

1.3 Der Arbeitsplatz im Labor

• • • • •

7

kommen ist, sofort auswaschen und Augendusche anwenden. Augenspülflasche(n) nur im Notfall einsetzen. Der Kontakt der Haut mit Chemikalien, insbesondere Verätzungen durch Laugen und Säuren, ist unbedingt zu vermeiden. Beim Umgang mit aggressiven Substanzen immer Schutzhandschuhe tragen. Personen, die zu Allergien neigen oder bei denen eine Schwangerschaft vermutet wird, vorher den Laborverantwortlichen melden. Niemals einen laufenden Versuch allein und unbeaufsichtigt lassen. Das Labor erst dann verlassen, wenn alle Versuche und Arbeiten abgeschlossen sind. Keine Fluchtwege mit Versuchsaufbauten, Behältern, Labormöbeln o.ä. verstellen. Vor Verlassen des Arbeitsplatzes alle Geräte abschalten und die Gashähne (auch den Sicherheitshaupthahn im Labor) schließen.

1.3 Der Arbeitsplatz im Labor Laboreinrichtungen in Schulen und Hochschulen, in der Industrie oder in sonstigen Einrichtungen, in denen mit chemischem Methodenrepertoire gearbeitet wird, sind den jeweiligen Aufgabenfeldern angepasst und insofern ziemlich unterschiedlich oder zumindest spezialisiert. Verständlicherweise ist nicht jedes Labor für sämtliche Untersuchungen und Verfahren eingerichtet. In den wichtigsten Grundzügen sind sich aber alle Laborarbeitsplätze zumindest ähnlich, unabhängig davon, ob chemische, biochemische, pharmazeutische, biologisch-physiologische oder gentechnische Fragestellungen bearbeitet werden. Gewöhnlich umfasst ein Laborarbeitsplatz einen festen Arbeitstisch mit einer Arbeitsplatte aus Keramikfliesen, Mattglas oder Edelstahl. Er ist meist für stehendes Arbeiten bemessen. Die Arbeitsfläche wird rückwärts von einem stabilen Regalaufbau abgeschlossen. Dieser dient zum Aufbewahren der häufig verwendeten Materialien und ist auch mit sämtlichen laborüblichen Versorgungsleitungen ausgestattet. Meist gehört zur Arbeitsplatte noch ein kleines Spülbecken (Ausguss), das jedoch nicht für die Chemikalienentsorgung vorgesehen ist. Unter der Arbeitsplatte befindet sich ein Schrank mit Schubladen, in denen gewöhnlich Kleingeräte, Glaswaren und sonstige Utensilien aufbewahrt werden. Die Rohrleitungsinstallationen sind mit besonderen Kennfarben markiert. Diese darf man jedoch nicht mit der Farbkennzeichnung von Druckgasflaschen verwechseln (Tabelle 1-1).

8

1 Bevor es los geht: Sicherheit und Umsicht

Tabelle 1-1. Farbkennzeichnung für laborübliche Installationen Installation

Kennfarbe

Hinweis

Vakuumleitung

grau

bis Restdruck von ca. 120 mbar

Wasser

grün

Normales Brauchwasser; sonst mit Aufschrift „Trinkwasser“ oder „Entmineralisiertes (deionisiertes)Wasser“

Druckluft

blau

Druck von ca. 3 bar

Erdgas

gelb

Elektrischer Strom

keine

Druck von ca. 2 bar; andere Gase (Stickstoff, Helium) mit entsprechender Aufschrift 230 V Wechselstrom

Auf dem Regal werden die am Arbeitsplatz häufig benötigten Chemikalien bevorratet – praktischerweise getrennt nach Flüssigkeiten und Pulversubstanzen in jeweils alphabetischer Sortierung. Nur solche Stoffe dürfen direkt am Arbeitsplatz gelagert werden, die keine aggressiven Dämpfe entwickeln. Brennbare Lösemittel (oder Lösungen) mit Flammpunkt unter 55 °C dürfen nur in fest verschließbaren Gefäßen bis 1 L Nennvolumen aufbewahrt werden. Die Anzahl der Behältnisse ist auf das notwendige Maß zu beschränken. Für größere Vorräte muss ein separater Lösemittelraum vorhanden sein. Analoges gilt für konzentrierte Säuren oder Laugen. Alle im Labor vorhandenen bzw. verwendeten Chemikalien sind grundsätzlich als gefährlich einzustufen und dürfen nur in den dafür vorgesehenen Gefäßen mit eindeutiger, leserlicher Beschriftung gelagert werden. Arbeiten mit flüchtigen oder stäubenden Stoffen werden nur unter dem Abzug durchgeführt. Laborneulinge sollten sich bereits zu Beginn des Einarbeitens insbesondere mit den folgenden Aspekten vertraut machen: • Wo befinden sich die Rettungsmittel (Verbandkasten, Augendusche, Sicherheitsdusche, Feuerlöschgerät, Schutzmaske u.a.), der Gasnothahn sowie Bindemittel für verschüttete Chemikalien? • Wo finde ich die Notfall-Rufnummer? Wo befindet sich der nächste Feuermelder? Wo ist das nächste Telefon zur Verständigung der Feuerwehr (bundesweit 112)? Wer ist bei einem Unfall der nächsterreichbare Ansprechpartner?

1.4 Besondere Sicherheitshinweise

• • • •

9

Wo stehen die Chemikalienvorräte, wie sind sie sortiert und wo werden sie abgewogen? Wo werden die wichtigsten sauberen Glaswaren gelagert? Wo verbleiben die gebrauchten bzw. verschmutzten Glasgeräte? Wie werden die im Labor vorhandenen Geräte für den Allgemeingebrauch bedient, beispielsweise Fein- und Analysenwaage, pH-Meter, Zentrifuge, Ultraschallbad, Rührer, Schüttler oder Wärmeschränke? Wie und wo werden die gebrauchten Chemikalien entsorgt? Benutzte Chemikalien werden nie oder nur in vorher ausdrücklich angegebenen Ausnahmefällen in die Vorratsbehälter zurückgegeben, aus denen sie entnommen wurden.

1.4 Besondere Sicherheitshinweise Alle Arbeiten im Labor bergen grundsätzlich ein gewisses Gefahrenpotenzial. Der Arbeitsplatz Labor gleicht insofern dem Wirkort Haushalt, wo sich statistisch die weitaus meisten Unfälle infolge Unachtsamkeit oder Unkenntnis ereignen. Eine besondere Risikogruppe stellen jeweils die Laborneulinge dar, die das Gefahrenpotenzial noch nicht realisieren. Außer den bereits benannten Allgemeinregelungen gelten für das Arbeiten und Experimentieren in einem chemischen bzw. in einem chemische Verfahren einsetzenden Labor anderer naturwissenschaftlicher Teildisziplinen die folgenden Sicherheitsempfehlungen, die jeweils strikt zu befolgen sind: • Elektrischen Strom und Wasser kann man nicht mischen! Beim Einsatz elektrischer Geräte immer auf sichere Distanz von wässrigen Lösungen oder anderen Flüssigkeiten achten, die den elektrischen Strom leiten. • Flaschen mit Lösemitteln oder anderen Chemikalien im Labor grundsätzlich nicht an der Verschlusskappe anheben und transportieren, sondern mit einer Hand unter dem Flaschenboden und der anderen am Flaschenhals. • Bei größeren Transportwegen Flaschen in einem besonderen Behälter (Eimer, Tragekorb o.ä.) bewegen. • CLP-Gefahrstoffsymbole auf den Chemikalienbehältnissen beachten. • Grundsätzlich alle Gefäße mit angesetzten Lösungen oder abgefüllten Feststoffen genau, gut leserlich und vollständig beschriften. Beschriftungselemente sind a) die exakte Benennung der betreffenden Verbindung, b) die enthaltene Konzentration, c) das Abfülldatum und d) die relevanten H- und P-Hinweise (früher R- und S-Sätze; vgl. Kapitel 1.6). • Grundsätzlich keine Laborchemikalien in Behältern aufbewahren, die zuvor für Lebensmittel vorgesehen waren.

10

1 Bevor es los geht: Sicherheit und Umsicht

• Generell keine Flüssigkeitstropfen auf dem Labortisch dulden! Es könnten nämlich Reste von aggressiven Säuren, z.B. Schwefelsäure, oder Laugen wie Natriumhydroxid sein, die Kleidung, Haut oder Augen verletzen oder zumindest gefährden. Etwaige Spritzer auf Kleidung und Haut sofort mit reichlich Leitungswasser abspülen. Verschüttete Flüssigkeit auf dem Arbeitsplatz sofort mit dafür bereitgehaltenem Papier aufwischen. • Feste Substanzen sofort auffegen und richtig entsorgen. • Arbeiten mit Gasen bzw. flüchtigen organischen Lösemitteln sind immer nur unter dem laufenden Abzug durchzuführen. • Niemals starke Säuren und Laugen oder starke Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff, Chlor, Brom) mit Reduktionsmitteln reagieren lassen – es sei denn, es werden im Ausnahmefall exakte Sicherheitsvorschriften eingehalten. • Bei Verdünnungen niemals Wasser zu konzentrierten Säuren, beispielsweise konzentrierter Salpeter- oder Schwefelsäure, geben. • Alle Laborgeräte aus Glas vor dem Gebrauch auf Risse oder Schadstellen (Bruchstellen bzw. so genannte Sterne) kontrollieren. Schadhaftes Glasmaterial generell nicht mehr verwenden, sondern zur Reparatur geben oder zur Entsorgung in den Glasabfall aussortieren. • Glasgeräte, die einem Unter- oder Überdruck ausgesetzt werden, nur unter den angegebenen Sicherheitsvorkehrungen (Vorhang, Schutzscheibe) verwenden. • Vorsicht beim Erhitzen von Versuchansätzen im Reagenzglas: Siedeverzug beachten! Reagenzglasöffnung nie zum eigenen Gesicht oder in Richtung zum Nachbarn gerichtet halten. Reagenzglas in der Brennerflamme grundsätzlich hin und her bewegen (vgl. Kapitel 8). • Niemals Lösungen, auch keine schwach konzentrierten Säuren oder Laugen und schon gar nicht Lösungen toxischer Substanzen mit dem Mund pipettieren! Grundsätzlich Pipettetierhilfen wie Peleusball o.ä. verwenden (vgl. Kapitel 7). • Beim Lösen von Stoffen in Wasser oder anderen Lösemitteln niemals das Reagenzglas oder andere Gefäße mit dem Daumen verschließen, und dann kräftig durchschütteln! Parafilm, Stopfen aus Kork oder Kunststoff verwenden und zum Durchmischen des betreffenden Gefäßes zum Durchmischen einen Labormixer (Vortex o.a.) verwenden. • Alle Bedenken, Fehler, Misserfolge, besonderen Vorkommnisse, Schadensfälle oder Unfälle unbedingt der Laboraufsicht melden. Kritik und Verbesserungsvorschläge sind immer erwünscht und einzubringen.

1.5 Gefahrstoffe und Gefahrgut

11

Aus dieser sicherlich umfangreichen Auflistung wird deutlich, dass sich ein Schaden nur durch mehrere Maßnahmen vermeiden lässt. Das heißt umgekehrt, dass im Schadensfall nicht selten mehrere Grundsätze, Regeln und Vorschriften verletzt wurden. Werden gleich mehrere Sicherheitsaspekte nicht beachtet, ist das Risiko eines Schadensereignisses groß. Wird zum Beispiel sowohl gegen das Gebot der Sauberkeit auf dem Labortisch ebenso verstoßen wie gegen die Vorschrift, im Labor nicht zu essen, ist zu erwarten, dass mit dem auf dem Labortisch abgelegten Brot auch Chemikalien oder Lösungen mit etwaigen gesundheitlichen Konsequenzen aufgenommen werden. Wer keine Schutzbrille aufsetzt und nicht zugleich einen möglichen Siedeverzug vermeidet, wer unbekümmert Stoffe zusammengibt, die man nicht zusammenbringen darf, muss sich nicht über Folgen wie Augenverletzungen wundern. Wer etwa einen Rotationsverdampfer oder einen Autoklaven einschaltet, ohne die entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, und die Arbeitsanleitungen nicht genau liest und befolgt, handelt fahrlässig. Kommen Stress, Eile, Fahrlässigkeit, Unachtsamkeit und unvorschriftsmäßiger Umgang mit Stoffen oder Materialien – etwa mit Quecksilberthermometern – zusammen, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit eines Schadens oder Misserfolgs erheblich. Alle diese aus sicherlich guten Gründen geforderten strikten Vorsichtsmaßregeln sollen aber andererseits die Freude am Arbeiten im Labor nicht trüben. Es geht vielmehr darum, den Lernenden zu vermitteln, dass nichts zu befürchten ist, wenn man alles richtig macht. Um dies zu demonstrieren, haben ehrgeizige Chemiker ihre Experimente auch schon in Frack und Zylinder vorgeführt. 1.5 Gefahrstoffe und Gefahrgut Chemikalien, umgangssprachlich mitunter nicht völlig korrekt auch als chemische Stoffe oder chemische Substanzen zitiert, können als Reinstoffe ebenso wie in Gemischen (Zubereitungen) erhebliche Gefahren für Mensch und Umwelt darstellen. Aus Gründen einer die Arbeits- und Umweltsicherheit berücksichtigenden Prävention werden gefährliche Chemikalien (= Gefahrstoffe) EU-einheitlich nach ihrem Gefahrenpotenzial bewertet. Zur Kennzeichnung von Gefahrstoffbehältern (Verpackungen mit Gefahrstoffen) dienen die in Tabelle 19-9 (im Anhang) wiedergegebenen Gefahrensymbole, die man auch Gefahrenkennzeichen nennt. Außerdem werden Gefahrstoffe durch die in Kapitel 1.6 benannten und im Anhang aufgelisteten H- und P-Sätze (früher R- und S-Sätze) charakterisiert.

12

1 Bevor es los geht: Sicherheit und Umsicht

Gefahrstoffe müssen nach den in nationales Recht umgesetzten EUGefahrstoffrichtlinien besonders gekennzeichnet werden. Nach der in Deutschland gültigen Gefahrstoffverordnung besteht die unbedingte Verpflichtung, darauf zu achten, den Umgang mit Gefahrstoffen möglichst zu meiden oder ihren Einsatz einzuschränken, indem man weniger gefährliche Ersatzstoffe verwendet (Substitutionsprinzip). Der Begriff Gefahrstoff wird für alle gefährlichen Substanzen verwendet, solange sie gelagert oder im Labor bzw. industriell verwendet werden. Sofern Gefahrstoffe auf Straße, Schiene oder per Schiff transportiert werden, bezeichnet man sie als Gefahrgut. Dafür sind eigene Richtlinien und Vorschriften gültig. Transportfahrzeuge bzw. Transportbehälter müssen mit speziellen Gefahrzetteln und Gefahrentafeln gekennzeichnet sein. Einige wichtige Gefahrgutsymbole zeigt Tabelle 19-10 (im Anhang). Bei der Anlieferung gefährlicher Güter aus den USA findet sich zur Kennzeichnung üblicherweise der Gefahrendiamant (hazard diamond), der bei einem Unfall die sofortige Gefahrenbeurteilung durch Rettungskräfte ermöglicht. Seine wichtigsten Kategorien zeigt Tabelle 19-11 (im Anhang). CMR-Stoffe sind solche Substanzen, die krebserzeugend (cancerogen), mutationsauslösend (mutagen) oder fortpflanzungsgefährdend (reproduktionstoxisch) wirken (können). Sie werden ebenso wie Allergene durch Gefahrensymbole und durch H- und P-Hinweise (Kapitel 1.6) besonders gekennzeichnet. Unter der Bezeichnung REACH (Registration, Evaluation and Authorization of Chemicals) ist seit 1. Juli 2007 eine EU-einheitliche Neuordnung des Chemikalienrechts in Kraft, die zwar in erster Linie Hersteller, Importeure und Händler von Stoffen betrifft, aber auch Auswirkungen auf den Arbeitsschutz und die Sicherheitsbelange im Labor hat, obwohl dadurch die Gefahrstoffverordnung nicht berührt wird. Die neuen Vorschriften sind auf den Websites der Berufsgenossenschaft Chemie (www.bgchemie.de) oder der europäischen Chemikalienagentur (http://ec.europa.eu/echa) einzusehen. Am 20. Januar 2009 trat die EG-Verordnung Nr. 1272/2008 in Kraft. Sie betrifft die Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung von Stoffen und Gemischen (Regulation on Classification, Labelling and Packaging of Substances and Mixtures), wird daher kurz CLP-Verordnung genannt und ersetzt die bisherige europäische Stoffrichtlinie 67/548/EWG sowie die Zubereitungsrichtlinie 1999/45/EG. Sie ist im Internet einzusehen unter www.reach-clp-helpdesk.de/de/CLP/CLP.html. Die CLP-Verordnung geht auf Kapitel 19 der Agenda 21 (UNNachhaltigkeitskonferenz Rio de Janeiro 1992) zurück, welches ein weltweit gültige Chemikalienkennzeichnungssystem GHS (Globally Harmonized System) empfiehlt. Ab dem 1. Dezember 2010 müssen Stoffe und ab dem 1. Juni 2015 Gemische nach GHS bzw. CLP gekennzeichnet werden.

1.6 Die H-, P-, R- und S-Sätze

13

Statt der bisher üblichen Gefahrensymbole mit schwarzen Aufdrucken auf orange-gelben Rechtecken warnen nunmehr neun Gefahrenpiktogramme mit schwarzen Symbolen auf weißem Grund in rot umrandeten Rhomben (vgl. Tabelle 19-9 im Anhang). Als neue und GHS-spezifische Kennzeichnungselemente dienen die Signalwörter „Gefahr“ sowie „Achtung“. Ihnen weichen die bisherigen Bezeichnungen der Gefahren wie giftig oder gesundheitsschädlich, die den alten Gefahrensymbolen zugeordnet waren. Gleichzeitig werden die erläuternden R- und S-Sätze gegen die neuen Hund P-Hinweise (Hazard and Precautionary Statements) ausgetauscht. Alle relevanten Daten über Gefahrstoffe sind in Sicherheitsdatenblättern sowie die Betriebsanweisungen für Gefahrstoffe zusammengestellt, die im Labor bereitgehalten werden müssen. Sie benennen neben den physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Stabilität und Reaktivität, Handhabung und vorschriftsmäßiger Lagerung beispielsweise auch Erste-HilfeMaßnahmen und geben Empfehlungen zur ökologisch unbedenklichen Entsorgung. Außerdem enthalten sie die relevanten H- und P-Hinweise. Der Zugriff auf diese Datensammlungen ist möglich über www.gefahrstoffe-im-griff.de oder www.gischem.de. 1.6 Die H-, P-, R- und S-Sätze Entsprechend den verbindlichen EU-Vorgaben benennt das in Deutschland seit 1990 gültige Chemikaliengesetz 15 verschiedene Gefährlichkeitsmerkmale bei Stoffen, die für den Menschen oder die Umwelt eine Gefahr darstellen und daher als Gefahrstoffe gelten (Tabelle 1-2). Die genauere Einstufung und Bewertung eines bestimmten Gefahrstoffes erfolgt über die in den H-Sätze (Hazard-Hinweise, früher R- bzw. RisikoSätze) enthaltenen Warnhinweise, welche die Gefahrenmerkmale einzelner gefährlicher Stoffe (Elemente oder chemische Verbindungen) und daraus hergestellte Zubereitungen betreffen. Zusätzlich geben die P-Sätze (Precautionary-Hinweise; früher S- bzw. Sicherheits-Sätze) für jeden Stoff spezielle Sicherheitsratschläge, die verbindliche Maßnahmen für den sicheren Umgang mit dem betreffenden Gefahrstoff benennen. Die in den Tabellen 19-3 und 19-5 (im Anhang) aufgelisteten H- und P-Hinweise sind EU-einheitlich festgelegt und rechtsverbindlich. Sie müssen im Warenverkehr auf den Verpackungen in den jeweiligen Landessprachen angebracht werden. Sie beschreiben allerdings nur Gefahrenmerkmale, die sich aus den chemischen (stofflichen) Eigenschaften herleiten, dagegen keine Gefahrenpotenziale durch Radioaktivität oder infektiöses Material. Diese sind im nationalen Recht Gegenstand anderer Verordnungen bzw. Technischer Regeln.

14

1 Bevor es los geht: Sicherheit und Umsicht

Tabelle 1-2. Gefährlichkeitsmerkmale nach dem Chemikaliengesetz. Zu den bisherigen Gefahrensymbolen s. Tabelle 19-7 (im Anhang) Gefahrensymbol Klassifizierung Toxische Eigenschaften T giftig T+ sehr giftig Xn gesundheitsschädlich C ätzend Xi reizend (ohne Symbol) sensibilisierend Physikalisch-chemische Eigenschaften F leichtentzündlich F+ hochentzündlich (ohne Symbol) entzündlich O brandfördernd E explosionsgefährlich Ökotoxikologische Eigenschaften N umweltgefährlich Spezielle toxische Eigenschaften (ohne Symbol) krebserzeugend (ohne Symbol) erbgutverändernd (ohne Symbol) fortpflanzungsgefährdend

H-Sätze (R-Sätze), die den Gefährlichkeitsmerkmalen „krebserzeugend“ (cancerogen), „erbgutverändernd“ (mutagen) und/oder „fortpflanzungsgefährdend“ (reproduktionstoxisch) zugeordnet werden (CMR-Stoffe: H340 – H361), stehen meist am Anfang einer Gefahrstoffkennzeichnung. Die anderen H-Nummern folgen zumeist aufsteigend. Historisch bedingt benennen die niedrigen R-Nummern meist physikalische Gefahren wie Entflammbarkeit oder Explosionsgefahr, die mittleren Nummern Gesundheitsgefahren wie Giftigkeit oder Ätzwirkung und die höheren Nummern Umweltgefahren. Die dreistellig nummerierten H- und P-Sätze sind gleich nach Kategorien sortiert (H200-Reihe: Physikalische Gefahren, H300-Reihe: Gesundheitsgefahren usw.). Die H-, EUH- und P-Sätze sind neben den bisherigen R- und S-Sätzen in Kapitel 19 (Tabellen 19-1 ff) aufgelistet Nach diesen Vorgaben stellt sich die Kennzeichnung einer LösemittelVorratsflasche mit 96%igem Ethanol folgendermaßen dar (Abb. 1-1):

1.7 Umweltaspekte und Entsorgung

Ethanol

Ethanol

ca. 96%ig

ca. 96%ig

R11 S7-16

15

H225 P210 P222 P403-404

Abb. 1-1. Beispiel für die Kennzeichnung einer Laborvorratsflasche mit dem Lösemittel Ethanol (96%ig) nach den bisherigen (links) und nach den gültigen CLPRegeln (rechts)

1.7 Umweltaspekte und Entsorgung Die zunehmende Beachtung und Verbesserung des technischen Umweltschutzes bei der Entsorgung von Abfällen ist eine der erfreulichsten, aber auch notwendigen umweltpolitischen Errungenschaften der letzten Jahrzehnte. Sie hat vor allem dazu geführt, dass die Luft über den Ballungsgebieten sauberer geworden ist, Flüsse wie der Rhein weit weniger verschmutzt sind als früher und Ozeane nicht mehr unbedenklich der Entsorgung problematischer oder gar gefährlicher Abfälle dienen. Der Schutz der Umwelt, von Lebewesen ebenso wie von Lebensräumen, hat einen hohen Stellenwert. Der Gesetzgeber hat dafür mit den zahlreichen im Umweltrecht zusammengefassten Gesetzen und Verordnungen eine umfassende Rechtsgrundlage geschaffen. Unter Entsorgung versteht man alle Maßnahmen, die zur Verwertung und Beseitigung von Abfällen führen. Das Ziel ist heute eine integrierte Entsorgung mit den Schritten Getrenntes Sammeln der Abfälle in Sammelsystemen / Transport und Zwischenlagerung / Sortieren der Abfallstoffe / Verwerten (Recycling) / Restabfallbehandlung sowie Deponierung. Die derzeit gültigen Entsorgungswege können jedoch nur immer unter den gegebenen Bedingungen und dem gegenwärtigen Stand der Technik als optimal gelten und haben daher nur vorläufigen Charakter. Sie sind aber dennoch verbindlich. Für Labore und deren Hauptabfallarten gelten die folgenden Entsorgungswege für Sonderabfälle: • Anorganische und anorganische Reste von Laborchemikalien werden in Gruppen sortiert und zu Einheiten zusammengefasst. • Säuren, Basen und Salze werden getrennt gesammelt und entsorgt.

16

1 Bevor es los geht: Sicherheit und Umsicht

• Besonders reaktive Substanzen, darunter weißer Phosphor, Brom, Metallalkyle, explosive Stoffe, Königswasser (HNO3 + HCl), Chromschwefelsäure oder Restgase in Druckbehältern, bedürfen einer Sonderbehandlung: Sie müssen erst in entsorgungsfähige und wieder verwertbare Formen umgewandelt werden. • Fotochemikalien werden bis zum Abtransport zwischengelagert. Entwickler und Fixierer werden getrennt gesammelt. Aus den Fixierbädern wird das Silber elektrolytisch zurückgewonnen. Fallweise müssen also detaillierte Arbeitsschritte folgen, die hier nicht darzustellen sind. • Lösemittel und Lösemittel-Wasser-Gemische werden in Sammelgefäßen (Volumen 12 L) gesammelt und in Tankcontainer gepumpt. Deren Inhalt wird in einer Sonderabfallverbrennungsanlage entsorgt. • Verunreinigte Materialien, Betriebsmittel wie Schutzhandschuhe, Verpackungen mit Verunreinigungen durch Chemikalien, aber auch Filterund Absaugmassen, Glas und Keramikabfälle mit schädlichen Verunreinigungen werden in kubischen Tankcontainern (800 L) zwischengelagert. Auch hier erfolgt die Entsorgung, falls möglich, durch Verbrennung, nicht jedoch im Labor. Die Gefahrstoffverordnung regelt (auch) für Schulen und Hochschulen, was zu beachten ist. Genauere Auskunft etwa zur Organisation des Arbeitsschutzes, zu Grundsätzen der Prävention, zu Unfallverhütungsvorschriften oder zum Umgang mit Gefahrstoffen geben die Unfallkassen sowie der Bundesverband der Unfallkassen. Gemeinsam mit der Berufsgenossenschaft der chemischen Industrie wurden Merkblätter oder Broschüren zur Gefährdungsbeurteilung, zur Information für die Beschäftigten, zu Arbeitsschutzmaßnahmen bei Tätigkeiten mit Gefahrstoffen, zum sicheren Umgang mit Gefahrstoffen in der pharmazeutischen Industrie und weitere wichtige Belange erarbeitet. Ferner gibt es zahlreiche Schriften und Lernmedien, anhand derer sich sowohl die Verantwortlichen als auch die Studierenden und Auszubildenden zu den Themenfeldern Unfallverhütung, Sicherheit und Gesundheitsschutz informieren und sich ein umfassendes Know-how rund um den Arbeitsschutz im Labor aneignen können. Im Internet erhält man zudem branchenspezifische Gefahrstoff-Informationen, beispielsweise unter www.baua.de (Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin), www.bgrci.de (Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie), www.gischem.de oder www.umwelt-online.de/regelwerk/gefst.vo.

2

Chemikalien: Stoffe, Elemente, Verbindungen

Alle Dinge, die uns umgeben, bestehen aus Materie. Sie nehmen einen bestimmten Raum ein, haben Masse und besitzen unter dem Einfluss des irdischen Gravitationsfeldes ein bestimmtes Gewicht. Die konkrete Ausdehnung, Form und Gestalt der Materie bezeichnet man als Körper. Diese sind, soweit es sich um ihre äußeren Zustände handelt, Gegenstand der Physik, aber auch der Chemie, die sich vor allem mit der genaueren Zusammensetzung der Körper und deren Veränderungen befasst und demnach Stoffe analysiert. Die Details des stofflichen Geschehens stehen notwendigerweise auch bei der Analyse der Lebensvorgänge im Vordergrund. Insofern sind physiko-chemische Erkenntnisse ein integraler Bestandteil auch der Biologie sowie ihrer affinen Disziplinen Medizin, Pharmazie und Biotechnologie. Bevor sich die Chemie im 17. Jahrhundert allmählich zur Wissenschaft entwickelte, war es generell üblich, die in der Natur vorkommenden Stoffe nach ihrer Herkunft als mineralische, pflanzliche oder tierische Substanzen zu unterscheiden. Ab dem 18. Jahrhundert grenzte man die mineralischen Stoffe als „unorganisierte Körper“ von den „organisierten Körpern“ aus Pflanzen oder Tieren ab. Erst im 19. Jahrhundert ersetzten im chemischen Kontext die Bezeichnungen „Substanz“ bzw. „Verbindung“ (= Chemikalien) den antiquierten Begriff Körper. Die stofflichen Komponenten organismischer Herkunft nannte man fortan „organische Verbindungen“. Heute ist es in den Medien fallweise üblich, von „chemischen Substanzen“ zu sprechen, was streng genommen ein Pleonasmus ist. Ein unverzichtbares Basisanliegen in allen Anwendungsbereichen chemischer Sachverhalte ist die korrekte und eindeutige Benennung der Stoffe bzw. Substanzen, die Gegenstand von Analyse oder Synthese sind. Nachdem man zunächst jahrhundertelang lediglich Trivialbezeichnungen für die in der Natur vorkommenden Stoffe oder hergestellte Verbindungen benutzte, ist es angesichts der gewaltigen Anzahl heute bekannter Substanzen unumgänglich, ein auch international akzeptiertes und einheitlich praktiziertes Benennungsgefüge anzuwenden. Die Benennungsregeln gibt die IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) vor. Außerdem erhält jede bekannte Verbindung als internationalen Bezeichnungsstandard eine individuelle CAS-Nummer (CAS = Chemical Ab-

18

2 Chemikalien: Stoffe, Elemente, Verbindungen

stracts Service). Der universelle Naturstoff Wasser trägt beispielsweise die CAS-Nummer 7732-18-5. Da Kenntnis und Verstehen von Substanzbezeichnungen für das Arbeiten im Labor als eine der basalen Voraussetzungen gilt, stellt dieses Kapitel im Überblick die wichtigsten Benennungsregeln für anorganische und organische Stoffe kurz vor. 2.1 Elemente, Gemische, Verbindungen Stoffe können aus mehreren Stoffarten oder aus nur einer Stoffart bestehen. So ist Granit ein Gemisch aus den Stoffarten Feldspat (braun, undurchsichtig), Quarz SiO2 (hart, glasartig) und Glimmer (metallisch glänzend). Ein gasförmiges Gemisch aus den Reinstoffarten Stickstoff N2, Sauerstoff O2 und Kohlenstoffdioxid CO2 ist die Luft. Stickstoff N2, Sauerstoff O2, Wasser H2O, Kochsalz NaCl oder Kalk CaCO3 sind jeweils Verbindungen gleicher oder verschiedener Elemente. In einer Verbindung können verschiedene Elemente vorliegen z.B. in Wasser H2O, Kohlenstoffdioxid CO2, Glucose C6H12O6, aber auch gleiche Elemente wie in Wasserstoff H2, Stickstoff N2, Sauerstoff O2 oder Chlor Cl2. Kohlenstoff kann beispielsweise als Graphit oder Diamant in verschiedenen Modifikationen aus gleichen Atomen bestehen. Solche Reinstoffe haben jeweils einheitliche physikalische und chemische Eigenschaften. Schwefel als Nichtmetall und alle reinen Metalle bestehen ebenfalls aus Atomen desselben Elements. Gemische wie zum Beispiel Milch oder Kaffee können mit physikalischen Methoden (vgl. Kapitel 13) relativ einfach wieder in ihre einzelnen Komponenten getrennt werden. Verschiedene Stoffe, die als Mischungen in Lösungen vorliegen, können zum Beispiel durch Elektrophorese oder Chromatographie (Kapitel 15) getrennt werden. Reine Stoffe wie Wasser H2O lassen sich nur mit chemischen oder physikalischen Methoden in die Grundstoffe oder chemischen Elemente zerlegen (Analyse). So kann Wasser durch Elektrolyse in gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff getrennt werden (Hoffmann’sche Wasserzersetzung). Die weitaus meisten Elemente kommen in der Natur nur in Form von Verbindungen vor. Elemente bestehen aus den gleichen Elementarteilchen, sofern sie nicht Isotope darstellen. Atombindungen halten die Atome des Kohlenstoffs (Graphit, Diamant), des Schwefels oder des Sauerstoffes in charakteristischer Weise in Molekülen oder größeren Molekülverbänden zusammen. Dagegen liegen die Edelgase Helium He, Neon Ne oder Argon Ar immer unverbunden als Einzelatome in der atomaren Form vor. Im Falle des

2.2 Basen, Säuren und Salze

19

Stickstoffs N2 und Sauerstoffs O2 sind die Atome paarweise miteinander zu einem Molekül verbunden. Unter einem Molekül versteht man daher zwei oder mehr miteinander verbundene Atome, wobei die Atome gleich (N2, O2) oder verschieden sein können (H2O, CO2). Moleküle sind zugleich die kleinsten Teilchen einer Verbindung. Atome sind die kleinsten Teilchen in Verbindungen, Molekülen oder als Einzelatome in Edelgasen. 2.2 Basen, Säuren und Salze Die meisten Elemente liegen in der anorganischen Natur in Form ihrer Ionen vor. Dabei können diese weitgehend wasserunlöslich sein wie die Oxide und Sulfide der Erdkruste, z.B. Siliciumdioxid oder Quarz SiO2, Aluminiumoxid in Ton oder Lehm Al2O3 oder Eisensulfid Fe2S3, oder aber im Wasser in Lösung gehen. Dann können diese wasserlöslichen Ionenverbindungen Basen, Säuren oder Salze sein. Säuren, Basen und Salze bestehen ausnahmslos aus Ionen. Das unterscheidet diese anorganischen Ionen-Verbindungen von vielen organischen Stoffen wie Zuckern, Fetten oder Alkoholen. Allerdings gibt es auch ionale organische Säuren, Basen und Salze. Eine ganze Reihe organischer Säuren kommt zum Beispiel im Stoffwechsel jeder atmenden Zelle in der Glykolyse und im Citratzyklus vor. Organische Basen sind etwa die Amine in den Proteinen und die Basenanteile in den Nukleinsäuren. Als organisches Salz erhält man etwa die Erbsubstanz, die DNA, wenn man sie aus einer neutralen Lösung mit geeigneten Mitteln ausfällt. Ob ein Stoff eine Säure ist, hängt wesentlich davon ab, ob er Wasserstoff-Ionen, H+-Ionen, in Wasser dissoziiert. Der schwedische Naturwissenschaftler Svante Arrhenius (1859–1927) erkannte: Eine Säure, allgemein HR, dissoziiert in Wasser in H+-Ionen (= Protonen) und in Säurerest-Ionen R–. Das Charakteristische einer Säure sind demnach die H+-Ionen und nicht die Säurerest-Ionen. Wässrige Lösungen von Säuren liegen vor, wenn ein gelöster Stoff beim Kontakt mit Wasser Protonen abgibt. Genau genommen existieren in wässriger Lösung keine freien Protonen, sondern nur Hydronium-Ionen H3O+, da die freigesetzten Protonen sofort mit den Wassermolekülen reagieren: H+ + H2O → H3O+ HCl Chlorwasserstoff

+

H2O Wasser

→

[Gl. 2-1] +

H3O

+

Cl

–

Hydronium-Ion Chlorid

[Gl. 2-2]

20

2 Chemikalien: Stoffe, Elemente, Verbindungen

Säuren können ihre Protonen nicht nur an Wasser abgeben, sondern auch an andere Stoffe und Stoffgruppen. Jeder Stoff, der Protonen abgeben kann, ist eine Säure. Dieser Tatsache entsprechend hat der dänische Chemiker Johann Nicolaus Brønstedt (1879–1947) die nach ihm benannte Definition von Säuren vorgenommen: Säuren sind Protonen-Donatoren. Eine Base, allgemein XOH, dissoziiert nach Svante Arrhenius in Wasser in OH–-Ionen (= Hydroxid-Ionen) und in Baserest-Ionen X+. Die wässrige Lösung einer Base bezeichnet man als Lauge. Eine Lauge entsteht dann, wenn beim Kontakt eines Stoffes mit Wasser Hydroxid-Ionen freigesetzt werden. Dazu muss die Base nicht unbedingt wie im Fall des Natriumhydroxids OH–-Ionen mitbringen. OH–-Ionen können auch wie beim Ammoniak bei der Reaktion mit Wasser entstehen oder freigesetzt werden: NaOH Natriumhydroxid

→

Na+ Natrium-Ion

+

OH–

[Gl. 2-3]

Hydroxid-Ion

Das Charakteristikum von Basen ist somit die Freisetzung von HydroxidIonen in Wasser. Die Wirkungen von Basen sind aber nicht auf wässrige Lösungen beschränkt: So reagiert die Base Ammoniak mit Chlorwasserstoffgas auch ohne Wasser zu Ammoniumchlorid: NH3 + HCl → NH4Cl

[Gl. 2-4]

Nach der Brønstedt’schen Definition sind alle Stoffe Basen, die Protonen aufnehmen: Basen sind Protonen-Akzeptoren. Bestimmte Stoffe können je nach den Umständen als Säuren oder Basen reagieren – sie können Protonen abgeben oder aufnehmen. Man nennt sie amphoter. Beispiele sind das Wasser H2O ebenso wie das Hydrogencarbonat HCO3– und das Aluminiumhydroxid Al(OH)3. Grundsätzlich existieren immer konjugierte Säure/Base-Paare. Aus einer Säure entsteht durch die Protonenabgabe die konjugierte Base, aus der Base entsteht durch Protonenaufnahme die konjugierte Säure: Protonenabgabe → [Gl. 2-5] Säure H+X– ← Base X– + Proton H+ Protonenaufnahme Die eben noch als Säurerest-Ionen aufgeführten Säurereste X– sind deshalb funktionell betrachtet nicht etwa große säurewirksame Teile der Säure, sondern im Gegenteil Basen. So ist z.B. das Sulfat-Ion eine Base, obwohl es Bestandteil der Schwefelsäure ist. Man unterscheidet starke und schwache Säuren und Basen. Maßgeblich für die Säure/Base-Stärke ist, wie stark sie in wässriger Lösung dissoziieren. Bei einigen Säuren und Basen bleibt ein großer Anteil nicht dissoziierter

2.2 Basen, Säuren und Salze

21

Moleküle beim Lösen in Wasser vorhanden, während sich andere Säuren und Basen fast vollständig in Ionen spalten. Starke Säuren sind Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure; als mittelstarke Säuren gelten schweflige Säure, Phosphorsäure oder Ameisensäure; schwache Säuren sind Essigsäure, Kohlensäure, Borsäure H3BO3 und Kieselsäure H4SiO4. Als gefährliche Gifte können die leicht in den gasförmigen Zustand übergehenden schwachen Säuren Schwefelwasserstoff H3S und Blausäure HCN schon in geringer Konzentration wirken. Starke Basen sind Natrium-, Kalium-, Barium- und Calciumhydroxid Eine relativ schwache Base ist Ammoniak. Bei den Metallbasen sind Basencharakter und Löslichkeit weitgehend miteinander verknüpft. Sehr leicht löslich sind die Hydroxide der Alkalien, mittlere Löslichkeit besitzen die Erdalkali-Hydroxide. Die Hydroxide der Erdmetalle (z.B. Aluminium) und Schwermetalle sind oft in Wasser schwer löslich. Natürlich vorkommende organische Basen sind immer schwache Basen. Sie enthalten Stickstoff, der wie Ammoniak Protonen am freien Elektronenpaar aufnehmen kann: NH3 + HCl → NH4+ + Cl–

[Gl. 2-6]

Reagieren die im klassischen Sinne verstandenen Säuren und Basen miteinander, spricht man von Neutralisation. Dabei entstehen Salze. Sie bestehen aus einem positiv geladenen Baserest-Ion und einem negativ geladenen Säurerest-Ion. Na+ + OH– + H+ + Cl– → Na+ + Cl– + H2O

[Gl. 2-7]

Die Protonen und Hydroxid-Ionen werden bei dieser Reaktion zu Wasser vereinigt. Sie verlieren dabei ihren sauren bzw. basischen Charakter (Neutralisation). Für die Benennung von Basen, Säuren und Salzen bestehen einfache Regeln (Tabellen 2-1 und 2-2). Die Metallhydroxide benennt man so, dass dem Namen des beteiligten Metall-Ions die Bezeichnung -hydroxid folgt wie im Beispiel NaOH = Natriumhydroxid. Bildet ein Metall mehrere Hydroxide, wird nach dem Metall seine Wertigkeit in römischen Ziffern gesetzt und der Zusatz -hydroxid mit Bindestrich angeschlossen wie bei Fe(OH)2 = Eisen(II)-hydroxid. Nichtmetalle bilden Stammsäuren, in denen ihre oxidative Wertigkeit (meist) der alten Gruppenzugehörigkeit im PSE entspricht, beispielsweise Schwefel S mit der Wertigkeit +6 (früher Hauptgruppe VI) im Fall der Schwefelsäure H2SO4. Säuren der Halogene, die ein O-Atom mehr enthalten als ihre Stammsäure und bei denen jedes O-Atom an das zentrale Halogen-Ion gebunden ist, bezeichnet man als Persäuren wie bei HClO4 = Perchlorsäure. Weist eine Säure gegenüber ihrer Stammsäure dagegen eine

22

2 Chemikalien: Stoffe, Elemente, Verbindungen

-O-O–Gruppierung auf, nennt man sie Peroxosäuren wie bei H2SO5 = Peroxoschwefelsäure. Ist ein O-Atom weniger vorhanden als in der Stammsäure, verwendet man das Suffix -ige wie bei HNO2 = Salpetrige Säure. Sind bezogen auf die Stammsäure zwei O-Atome weniger vorhanden, erhalten die betreffenden Verbindungen zusätzlich das Präfix Hypo- wie bei HClO = Hypochlorige Säure. Tabelle 2-1. Nomenklatur von Säuren und Basen Basen NaOH

Natriumhydroxid

Fe(OH)2 Eisen(II)-hydroxid

Ba(OH)2 Bariumhydroxid

Fe(OH)3 Eisen(III)-hydroxid Sauerstofffreie Säuren

HCl

Chlorwasserstoff HCN (wässrige Lösung: Salzsäure)

Cyanwasserstoff (wässrige Lösung: Blausäure)

H2S

Schwefelwasserstoff

Stickstoffwasserstoffsäure

HN3

Sauerstoffhaltige Säuren (Stammsäuren) HNO3

Salpetersäure

H2SO4

Schwefelsäure

H3PO4

Phosphorsäure

HClO3

Chlorsäure

H2CO3

Kohlensäure

HBrO3

Bromsäure

Säuren der Halogene mit 1 O-Atom mehr als die Stammsäure HClO4

Perchlorsäure

HIO4

Periodsäure

Säuren mit -O-O–Gruppierung H2SO5

Peroxoschwefelsäure

H3PO5

Peroxophosphorsäure

Säuren mit 1 O-Atom weniger als die Stammsäure HNO2

Salpetrige Säure

H3PO3

Phosphorige Säure

HClO2

Chlorige Säure

H2SO3

Schweflige Säure

Säuren mit 2 O-Atomen weniger als die Stammsäure HClO

Hypochlorige Säure

H3PO2

Hypophosphorige Säure

Jede der in Tabelle 2-1 benannten Säuren kann durch Neutralisation mit Basen oder Metallhydroxiden Salze bilden, deren Namen kennzeichnende Endungen bzw. Zusätze führen. Aus Gründen der Vereinfachung führt die

2.2 Basen, Säuren und Salze

23

folgende Tabelle 2-2 in ihren Beispielen nur die jeweiligen Natriumsalze auf, die sich aus der Reaktion mit Natriumhydroxid NaOH ableiten: Tabelle 2-2. Nomenklatur von Salzen Salze aus sauerstofffreien Säuren NaCl

Natriumchlorid

NaCN

Natriumcyanid

Na2S

Natriumsulfid

NaN3

Natriumazid

Salze aus Stammsäuren NaNO3

Natriumnitrat (Salpeter)

Na2SO4

Natriumsulfat

Na2CO3

Natriumcarbonat (Soda)

Na3PO4

Natriumphosphat

Salze aus Persäuren NaClO4

Natriumperchlorat

NaIO4

Natriumperiodat

Salze aus Peroxosäuren Na2SO5

Natriumperoxosulfat

Na3PO5

Natriumperoxophosphat

Salze aus ...igen Säuren NaNO2

Na2SO3

Natriumnitrit

Natriumsulfit

Salze aus Hypo...igen Säuren NaClO

Natriumhypochlorit

Na2HPO2 Natriumhypophosphit

Aus der Base NH3 entsteht in wässriger Lösung das Ammonium-Ion NH4+. Mit Salzsäure bildet sich daraus das Salz Ammoniumchlorid NH4Cl. In Lösung liegen Salze je nach ihrer Wasserlöslichkeit mehr oder weniger dissoziiert vor. Die Ionen entstehen nicht beim Lösungsvorgang. Sie sind bereits in der festen Zustandsform des Salzes, im Ionengitter, vorhanden. Die Ionen sind in einem solchen Gitter nicht zu Molekülen zusammengeschlossen, sondern sind im Ionengitter gleichmäßig mit den benachbarten Ionen verbunden. Es gibt keine Moleküle des Kochsalzes, und so ist es auch sinnlos, von einem „Kochsalzmolekül“ zu sprechen, wenn man die Formeleinheit NaCl meint. Salze sind, wie andere Substanzen auch, in Wasser unterschiedlich stark löslich. Sie leiten in wässriger Lösung ebenso wie Säuren und Basen den elektrischen Strom. Salze entstehen z.B. bei der Auflösung von Metallen in Säuren (Redoxreaktionen). Einige Alkali- und Erdalkalimetalle reagieren bereits mit Wasser unter Bildung von gasförmigem Wasserstoff. Hierbei entstehen aber nicht Salze, sondern Basen oder Laugen.

24

2 Chemikalien: Stoffe, Elemente, Verbindungen

2.3 Alkane als Basismoleküle Im Unterschied zu den übrigen Elementen des Periodischen Systems können sich Kohlenstoffatome in nahezu beliebiger Anzahl miteinander verknüpfen und somit eine große Anzahl gerader oder verzweigter Kohlenstoffketten bilden. Sofern die C-Atome ausschließlich durch Einfachbindungen verbunden sind und nur Wasserstoff die übrigen vorhandenen Valenzen einnimmt (absättigt), erhält man als Ausgangsgruppe fast aller organischer Verbindungen die gesättigten Kohlenwasserstoffe oder Alkane (Paraffine). Stammverbindung ist das tetraedrische Methan CH4 (Tabelle 2-3). Tabelle 2-3. Systematik der organischen Stoffklassen Organische C-Verbindungen Acyclische Verbindungen mit C-Ketten

Cyclische Verbindungen mit Ringen Carbocyclen

•

gesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkane

•

gesättigt: Cycloalkane (Alicyclen)

•

ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene und Alkine

•

ungesättigt Cycloalkene (Aromaten, Arene, Arine)

Heterocyclen • •

gesättigt aromatisch

Von den Alkanen lassen sich formal durch Entfernen eines Wasserstoffatoms die entsprechenden Alkyl-Reste ableiten. Sukzessives Ersetzen eines der H-Atome durch eine CH3-Gruppe ergibt die homologe Reihe der offenkettigen Alkane (gesättigte Kohlenwasserstoffe) mit der allgemeinen Summenformel CnH2n+2. Sie unterscheiden sich jeweils nur um einen gleich bleibenden Baustein, die Methylen-Gruppe -CH2-) (Tabelle 2-4). Die Valenzen der beteiligten wenigen Elemente geben einfache Bauregeln für die organischen Moleküle vor. Daher lassen sich die vollständigen Strukturformeln teilweise abkürzen, indem man die Valenzstriche weglässt und die an jedem C-Atom gebundenen H-Atome summiert: Aus der Strukturformel für Ethan ergibt sich so die Gruppenformel CH3-CH3 bzw. H3C-CH3. Durch einfaches Zusammenzählen aller beteiligten Atome erhält man daraus eine Summenformel wie die oben benannte allgemeine Alkanformel CnH2n+2.

2.4 Benennung von Kohlenwasserstoffen und ihren Derivaten

25

Tabelle 2-4. Homologe Reihe der gesättigten Kohlenwasserstoffe (Alkane) Summenformel

Gruppenformel

Name

Alkyl-Rest

CH4

CH4

Methan

Methyl-

C2H6

CH3-CH3

Ethan

Ethyl-

C3H8

CH3-CH2-CH3

Propan

Propyl-

C4H10

CH3-(CH2)2-CH3

Butan

Butyl-

C5H12

CH3-(CH2)3-CH3

Pentan

Pentyl-

C6H14

CH3-(CH2)4-CH3

Hexan

Hexyl-

C7H16

CH3-(CH2)5-CH3

Heptan

Heptyl-

C8H18

CH3-(CH2)6-CH3

Octan

Octyl-

C9H20

CH3-(CH2)7-CH3

Nonan

Nonyl-

C10H22 ...

CH3-(CH2)8-CH3

Decan

Decyl-

C20H42

CH3-(CH2)18-CH3

Eicosan

Eicosyl-

2.4 Benennung von Kohlenwasserstoffen und ihren Derivaten Atome oder Atomgruppen, die einen Wasserstoff an einem Alkan ersetzen, nennt man Substituenten, während man den Vorgang selbst als Substitution bezeichnet. Führt man die Substitution eines mittenständigen Wasserstoffatoms durch, erhält man verzweigte Alkane. Zur Kennzeichnung unverzweigter Alkane stellt man dem Substanznamen oft ein n- (für normal) voran. Die Vorsilbe Iso- oder iso- kennzeichnet eine Verzweigungsstelle vom Typ (CH3)2CH- am Kettenende: 2-Methylbutan könnte man danach auch als iso-Pentan bezeichnen. Die Vorsilbe Neo- oder neo- verwendet man für endständige Verzweigungen vom Typ (CH3)3C- wie im Fall von 2,2-Dimethyl-propan = neo-Propan. Je länger die Kohlenstoffkette, um so höher ist die Anzahl von Verbindungen, die zwar die gleiche Summen-, aber eine unterschiedliche Strukturformel aufweisen und folglich isomer sind. Die Isomerenzahl wächst rasch an – vom Hexan sind es 5, vom Heptan 9, vom Decan 75 und vom Pentadekan (C15H32) bereits 4347. Um Moleküle nach den IUPAC-Vorschriften eindeutig (rationell) zu benennen, verfährt man folgendermaßen:

26

2 Chemikalien: Stoffe, Elemente, Verbindungen

1. Man sucht die längste im Molekül vorhandene unverzweigte Kohlenstoffkette auf und bestimmt den Substanznamen (beispielsweise -pentan). 2. Nach Durchnummerieren der C-Atome fügt man in den Namen etwaige Verzweigungsstellen und die beteiligte Alkylgruppe ein (beispielsweise 2-Methyl-pentan). 3. Die Nummerierung erfolgt von einem Ende her so, dass die Verzweigungsstellen möglichst niedrige Nummern erhalten. 4. Enthält ein verzweigter Kohlenwasserstoff als Substituenten mehrere gleichartige Alkyl-Gruppen, gibt man dies durch Verwendung entsprechender Vorsilben (di- für zwei, tri- für drei oder tetra- für vier), beispielsweise 2,2-Dimethyl-propan. 5. Bei verschiedenartigen Substituenten als Seitenketten ordnet man diese im Substanznamen alphabetisch (Ethyl- vor Methyl- usw.). 6. Sind die Seitenketten ihrerseits verzweigt, gibt man deren Substituenten in Klammern mit eigener Zählung der Verzweigungsstelle(n) an. Beispiel: 2-Ethyl-3-methyl-4-(2,2-dimethyl)-propyl-octan. 7. Zahlenangaben in Substanzbezeichnungen werden ohne Zwischenraum geschrieben, aber mit Bindestrich (Divis, nicht mit Gedankenstrich) an die Wortstämme angefügt. Zur besseren Erkennbarkeit wird der Name der Stammverbindung ebenfalls durch ein Divis abgetrennt: 3,4-Dimethyl-pentan. 8. Ein Großbuchstabe steht nur am Beginn des Substanznamens. Alle weiteren Bauglieder werden in Kleinbuchstaben geschrieben: 6,7-Diethoxy1-(3’,4’diethoxybenzyl)-isochinolin. 9. In Strich- und Gruppenformeln schreibt man die Einfachbindungen im Allgemeinen mit Trennstrichen (Divis) und nur zur besonderen Hervorhebung mit Gedankenstrichen. Zwischen den Baugruppen wird kein Leerzeichen verwendet: H3C-(CH2)6-COOH. Kohlenwasserstoffe mit 4 und mehr C-Atomen bilden eventuell ringförmige C-Gerüste – die Cycloalkane oder alicyclischen (= aliphatischen) Kohlenwasserstoffe. Außer Einfachringen wie Cyclopentan oder Cyclohexan sind auch kondensierte Ringsysteme wie Decalin (2 C6-Ringe), Hydrindan (1 C6- und 1 C5-Ring) oder Steran (3 C6-Ringe und 1 C5-Ring) von Bedeutung. Alicyclische (gesättigte) Ringsysteme spielen neben den ungesättigten Ringverbindungen in der Natur als Bausteine zahlreicher organismischer Stoffe (früher auch Sekundärstoffe genannt) eine bedeutende Rolle. Kohlenwasserstoffverbindungen mit Mehrfachbindungen zwischen einzelnen C-Atomen nennt man ungesättigt. Sind Doppelbindungen vorhanden, heißen die entsprechenden Stoffe Alkene (Arene, früher Olefine), enthalten sie Dreifachbindungen, spricht man von Alkinen (Arine). Auch sie bilden

2.4 Benennung von Kohlenwasserstoffen und ihren Derivaten

27

jeweils eine homologe Reihe mit einer oder mehreren Mehrfachbindungen. Anzahl und Lage (Ausgangsatom) der Mehrfachbindungen in der Kohlenstoffkette bringt man im rationellen Verbindungsnamen analog zur Bezeichnung von Verzweigungsstellen zum Ausdruck. Einige Beispiele zeigt Tabelle 2-5: Tabelle 2-5. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkene und Alkine) Substanzname

Formelbild

Ethen (früher: Ethylen bzw. Äthylen) H2C=CH2 2-Buten

H2C–CH=CH– CH3

1,3-Butadien

H2C=CH–CH=CH2

Ethin (früher: Acetylen)

HC≡CH

1-Propin

H3C–C≡CH

1,3-Pentadien-4-in

H3C=CH–CH=CH–C≡CH

Cyklische Verbindungen können natürlich auch Doppelbindungen aufweisen. August Kekulé von Strahowitz (1829–1896) fand im Jahre 1865 eine passende strukturelle Lösung für das Benzol (Benzen, 1,3,5-Cyclohexen) und schlug eine ringförmige Anordnung der 6 C-Atome vor: Die nach ihm benannten Kekulé-Formeln gelten für das Benzolmolekül mit je drei Doppelbindungen, halten jedoch lediglich Grenz- bzw. Zwischensituationen (Mesomerien) der Elektronen fest. Dennoch benutzt man zur vereinfachenden Schreibweise von Benzol und seinen Derivaten meist die Kekulé-Formel statt der Dewar-Strukturen oder verwendet zur Andeutung der delokalisierten Elektronen ein Sechseck mit eingeschlossenem Kreis (Abb. 2-1):

↔ Kekulé-Formeln

↔

↔

≡

Dewar-Formeln

Abb. 2-1. Formeldarstellung aromatischer Kohlenwasserstoffe (Arene)

28

2 Chemikalien: Stoffe, Elemente, Verbindungen

a

Decalin

Hydrindan

Steran

Cyclohexyl-cyclohexan

b

Anthracen

Phenanthren

(linear aneliert)

(angular aneliert)

CH3

c

Benzol

Biphenyl

CH3

Toluol

Styrol

(Toluen)

CH3 p-Xylol

Naphthalin

(p-Xylen)

d

S O Furan

S Thiophen

N Thiazol

N

O

HN Pyrrol

N

N

Pyridin

Pyrimidin

Pyran

Abb. 2-2. Beispiele für Mehrfachringsysteme (a) gesättigter und (b) ungesättigter Cycloalkane sowie für (c) isozyklische und (d) heterozyklische Aromaten (Arene)

In aromatischen Kohlenwasserstoffen, nach neuerer Empfehlung auch Arene bzw. Arine (im letzteren Fall 1 Dreifach- sowie 2 Doppelbindungen) genannt, können ebenso wie bei den alicyclischen auch mehrere Ringe miteinander verbunden sein und kondensierte Ringsysteme bilden. Ähnlich wie die (aliphatischen) Cycloalkane können die aromatischen Ringe neben Kohlenstoffatomen auch andere Atome enthalten – sie bilden dann die Gruppe der aromatischen Heterozyklen (Abb. 2-2), von denen sich zahlreiche Naturstoffe ableiten.

2.5 Funktionelle Gruppen schaffen Vielfalt

29

Tabelle 2-6. Wichtige funktionelle Gruppen Funktionelle Gruppe -OH

Bezeichnung als Gruppe mit Nachsilbe Hydroxyl-ol

-NH2

Amino-

-amin

Amine, Aminosäuren

-SH

Sulfhydryl-

-thiol

Mercaptane, S-haltige Aminosäuren

-C=O

Oxo-

-al (Aldehyde) -on (Ketone)

Carbonyle

Imino-

-imin

Imine

-COOH, -COO

Carboxyl-

-carbonsäure

Carbonsäuren

-CN

Cyano-

-nitril

Nitrile

-NO2

Nitro-

–

Nitroverbindungen

Phospho-

-phosphat

Phosphatester

=NH –

-PO4

2–

Beispiele/Stoffklasse Alkohole, Phenole

2.5 Funktionelle Gruppen schaffen Vielfalt Reine Kohlenwasserstoffe zeigen zwar schon eine beachtliche Strukturvielfalt, doch kommt der enorme Typenreichtum organischer und gerade auch biologisch bedeutsamer Verbindungen tatsächlich erst durch die Einfügung von funktionellen Gruppen als Substituenten zustande. Darunter versteht man Atomgruppen, in denen Fremdatome wie Sauerstoff, Stickstoff oder wenige andere mit Kohlenstoff- oder Wasserstoffatomen polare (und somit reaktionsfreudigere) Atombindungen bilden und das reaktive Verhalten der betreffenden Verbindungen bestimmen (Tabelle 2-6). Die nachfolgend vorgenommene Ableitung einiger sauerstoffhaltiger Verbindungen (= Kohlenwasserstoffe mit O-haltigen funktionellen Gruppen) ist rein formal und beschreibt nicht die experimentellen oder natürlichen Synthesewege. Alkohole Die Vertreter dieser Stofffamilie sind die einfachsten organischen Stoffe mit einer sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppe. Sie enthalten eine oder mehrere Hydroxyl-Gruppen (alkoholische OH-Gruppen). Gewöhnliche Alkohole entstehen formal durch den Austausch eines Wasserstoffatoms gegen eine OH-Gruppe. Man könnte sie daher sogar als alkylsubstituiertes

30

2 Chemikalien: Stoffe, Elemente, Verbindungen

Wasser auffassen. Die Benennung erfolgt jeweils durch Anhängen der Endsilbe -ol an den Namen des Grundkörpers – aus Alkanen entstehen somit Alkanole, speziell aus Methan das Methanol, aus Ethan das übliche Ethanol (früher Äthylalkohol). Sind die Kohlenstoffatome zur genaueren Bezeichnung der Stellung der funktionellen Gruppe oder einer Seitenkette zu nummerieren, beginnt man nach den IUPAC-Regeln an dem Kettenende, welches der Hydroxyl-Gruppe am nächsten steht. Beispiele für Alkanole sind: Methanol

H3C–OH

veraltet: Methylalkohol

Ethanol

H3C–CH2OH

veraltet: Ethylalkohol

1-Propanol

H3C–CH2–CH2OH

veraltet: Propylalkohol

2-Propanol

H3C–CHOH–CH3

veraltet: Isopropylalkohol

Verbindungen, die eine oder mehrere OH-Gruppen direkt an einem Benzolkern (aromatischen Ring) binden, heißen Phenole (Abb. 2-3). Bei der Restbildung von Aromaten ist der Unterschied zwischen einem Phenyl- und einem Benzyl-Rest zu beachten: CH2 Phenyl-Rest

Benzyl-Rest

Je nach Anzahl der OH-Gruppen unterscheidet man ein- oder mehrwertige Phenole: OH

OH

OH

OH

OH

CH3

CH3 CH3 Phenol

o-Kresol

OH

m-Kresol

OH

p-Kresol

OH

1-Naphthol

OH

OH

OH

HO

OH

HO

OH

OH

OH Brenzkatechin

Resorcin

Hydrochinon

Phloroglucin

Abb. 2-3. Beispiele für ein- und mehrwertige Phenole

Pyrogallol

2.5 Funktionelle Gruppen schaffen Vielfalt

31

Carbonyl-Verbindungen: Aldehyde und Ketone Formal entstehen Carbonyl-Verbindungen aus Alkoholen durch Entzug von Wasserstoff: Die Carbonyl-Gruppen stellen somit oxidierte OH-Gruppen dar und können zweierlei Gestalt annehmen: Aus einem primären Alkohol (-CH2OH) geht die Aldehyd-Gruppe -CHO hervor, aus einem sekundären Alkohol entsteht dagegen die Keto-Gruppe >C=O. Zur Bezeichnung von Aldehyden hängt man die Endsilbe -al an den Namen der Stammverbindung. Beispiele sind Methanal (Formaldehyd) H-CHO, Ethanal (Acetaldehyd) H3C-CHO und Propionaldehyd H3C-CH2-CHO. Ketone versieht man analog mit der Endsilbe -on. Aus sekundärem Propanol (iso-Propanol, früher Isopropylalkohol) entsteht durch Dehydrierung Propanon (Aceton) H3C-CO-CH3. Die in der Natur vorkommenden Kohlenhydrate sind Mehrfachalkohole (vgl. Abb. 2-4), die am C1-Atom eine Aldehyd- oder am C2-Atom eine Ketogruppe tragen:

HC-OH I HC-OH I HO-CH I HC-OH I HC I H 2COH

←

O

→

α-D-Glucose

HC=O I HC-OH I HO-CH I HC-OH I HC-OH I H2COH

← →

HC-OH I HO-CH I HO-CH HO I HC-OH I HC I H 2 COH

β-D-Glucose

offene Aldehydform

H 2COH

H 2COH O

→

OH HO OH

O H

H 2COH OH

← HO

O

H O

OH

O

← →

OH

O H

HO OH

OH

Abb. 2-4. Kohlenhydrate als Mehrfachalkohole mit Carbonyl-Gruppe am Beispiel der α- sowie der β-Glucose

Carbonsäuren Oxidiert man eine Aldehyd-Gruppe durch Einfügen eines zusätzlichen Sauerstoffatoms, erhält man die Carboxyl-Gruppe -COOH. Wegen der starken Elektronegativität des Sauerstoffs ist die endständige -OH-Bindung so stark polarisiert, dass ein Proton H+ dissoziiert. Die entsprechenden

32

2 Chemikalien: Stoffe, Elemente, Verbindungen

Verbindungen heißen Carbonsäuren. Ihre Reste R-COO– nennt man Acyl-Reste, im Fall der Essigsäure also Acetyl-Rest (Tabelle 2-7). Unsubstituiert sind sie meist nur schwache Säuren. Halogenierte Carbonsäuren wie die Trichloressigsäure Cl3C-COOH sind jedoch starken anorganischen Säuren vergleichbar. Tabelle 2-7. Beispiele wichtiger Monocarbonsäuren (Carbonmonosäuren) Gruppenformel

Trivialname

Anion

Rest

HCOOH

Ameisensäure

-formiat

Formyl-

CH3COOH

Essigsäure

-acetat

Acetyl-

CH3CH2COOH

Propionsäure

-propionat

Propionyl-

CH3-(CH2)2-COOH

Buttersäure

-butyrat

Butyryl-

CH3-(CH2)3-COOH

Valeriansäure

-valerianat

Valerianyl-

CH3-(CH2)4-COOH

Capronsäure

-capronat

Capronyl-

CH3-(CH2)14-COOH

Palmitinsäure

-palmitat

Palmityl-

Nach der Anzahl der Carboxyl-Gruppen unterscheidet man Mono-, Dioder Tricarbonsäuren (auch Carbonmono-, -di- bzw. -trisäuren genannt) (vgl. Tabelle 2-8). Bis etwa C4 sind die Monocarbonsäuren mit Wasser in jedem beliebigen Verhältnis mischbar. Mit zunehmender Kettenlänge treten dagegen hydrophobe (lipophile) Eigenschaften auf, die bei weiterer Kettenverlängerung schließlich überwiegen. Langkettige Carbonsäuren mit >12 C-Atomen bezeichnet man daher als Fettsäuren. Sofern ihnen Alkene zu Grunde liegen und sie (mehrfach) ungesättigt sind wie die Omega-3Fettsäuren (ω-3-Fettsäuren) Linolensäure oder die Eikosa-pentaensäure, sind sie ernährungsphysiologisch besonders bedeutsam. Carboxyl-Gruppen lassen sich auch in aromatische Ringe einbauen. Man erhält damit die aromatischen Carbonsäuren. Ein besonders bemerkenswertes Beispiel dieser recht umfang- und typenreichen Stoffgruppe ist der Naturstoff Salicylsäure, deren Acetylierungsprodukt unter dem Handelsnamen Aspirin Karriere gemacht hat (Abb. 2-5): COOH

COOH

COOH O-CO-CH3

OH Benzoesäure

Salicylsäure

Aspirin

Abb. 2-5. Aromatische Monocarbonsäure (Aren-carbonmonosäuren)

2.6 Reinheits- und Qualitätsbezeichnungen

33

Tabelle 2-8. Beispiele wichtiger Dicarbonsäuren Gruppenformel

Trivialname

Anion

Rest

CH2OH-COOH

Glykolsäure Hydroxy-ethansäure

-glykolat

Glykyl-

CH3-CHOH-COOH

Milchsäure 2-Hydroxy-propansäure

-lactat

Lactyl-

CH2OH-CHOH-COOH

Glycerinsäure 2,3-Dihydroxy-propansäure

-glycerat

Glyceryl-

HOC-COOH

Glyoxylsäure Oxo-essigsäure

-glyoxylat Glyoxyl-

H3C-CO-COOH

Brenztraubensäure 2-Oxo-propansäure

-pyruvat

–

HOOC-COOH

Oxalsäure Ethan-di(carbon)säure

-oxalat

Oxyl-

HOOC-CH2-COOH

Malonsäure Propan-di(carbon)säure

-malonat

Malonyl-

HOOC-CH=CH-COOH

Maleinsäure

-maleinat

Maleinyl-

HOOC-(CH2)2-COOH

Bernsteinsäure Butan-di(carbon)säure

-succinat

Succinyl-

HOOC-(CH2)3-COOH

Glutarsäure Pentan-di(carbon)säure

-glutarat

Glutaryl-

HOOC-(CHOH)2-COOH

Weinsäure 2,3-Dihydroxy-butandisäure

-tartrat

Tartryl-

2.6 Reinheits- und Qualitätsbezeichnungen Zur genaueren Substanzkennzeichnung auf Chemikalienverpackungen dienen einige Zusatzbegriffe, mit denen man die Reinheit oder die Qualität der betreffenden Verbindung angibt. Sie entstammen meist dem Apothekengebrauch und sind insofern häufig aus dem Lateinischen abgeleitet. Die beiden folgenden Tabellen 2-9 und 2-10 listen die üblichen Kennzeichnungszusätze auf. Zusätzlich bestehen im pharmazeutischen Bereich Hinweise auf bestimmte Ausgaben des DAB (Deutsches Arzneibuch) oder EAB (Europäisches Arzneibuch) bzw. der Ph.Helv. (Pharmacopoea Helvetica).

34

2 Chemikalien: Stoffe, Elemente, Verbindungen

Tabelle 2-9. Abkürzungen zur Kennzeichnung der Qualität einer Verbindung Zusatz

Bedeutung

krist. (cryst.)

kristallin oder kristallisiert (engl. crystallized), enthält eventuell Kristallwasser

subl.

sublimiert, aus der Gasphase zurückgewonnen

dest.

destilliert; beispielsweise in der Bezeichnung aq. dest. oder aqua dest. für destilliertes Wasser

reg.

regeneriert, wiedergewonnen

sicc.

siccum = trocken, ohne Kristallwasser

abs.

absolut = wasserfrei

Verbreitete Reinheitsbezeichnungen sind die Begriffe der folgenden Tabelle 2-10: Tabelle 2-10. Abkürzungen zur Kennzeichnung der Reinheit einer Verbindung Zusatz

Bedeutung

p.a.

pro analysi = für die Analyse; Massenanteil >99%

puriss.

purissimum = reinst; Massenanteil >99%

pur.

purum = rein; Massenanteil >97%

pract.

Praktisch; enthält eventuell größere Fremdanteile, Massenanteil >90%

techn.

technisch; stärkere Abweichungen im Massenanteil sind möglich

3 Werkstoffe, Geräte und Apparaturen

Das praktische Arbeiten im Labor hat neben der wissenschaftlichexplorativen Seite, die eine bestimmte Fragestellung an die Natur in ein konkret geplantes Experiment umsetzt, auch viele handwerklich-technische Facetten. Um Eigenschaften und Verhalten von Stoffen unter bestimmten Bedingungen zu analysieren, benötigt man außer Waage und Thermometer eine Vielzahl nützlicher Hilfsmittel und spezieller Geräte, die in gewissem Maße standardisiert und so in vielen Labors weltweit im Einsatz sind. In diesem Kapitel stehen daher einige Basisinformationen zu den wichtigsten im Labor verwendeten Werkstoffen und den am häufigsten verwendeten Gerätetypen im Vordergrund. Weitere Hinweise sind in den Kapiteln zu den Themenfeldern Masse, Volumen und Temperatur (Kapitel 6, 7 und 8) enthalten. 3.1 Werkstoffe Die im Labor verwendeten Arbeitsgeräte bestehen aus Glas, Porzellan, Kunstoffen und Metallen. Früher sehr verbreitete Geräte aus Holz (Reagenzglashalter, Reagenzglasgestelle) oder Kork (Stanz- oder Presskork für Stopfen sowie Standringe für Rundkolben) werden heute zunehmend durch andere Materialien ersetzt. Glas Glas ist neben Metall der am längsten eingesetzte Werkstoff. Schon die frühneuzeitlichen Alchemisten hantierten in ihren dämmerigen Gewölben mit Phiolen, Rektifikanten und anderen geheimnisvoll aussehenden gläsernen Gerätschaften. Die mit der Materialausstattung eines modernen Labors zusammengesetzten Apparaturen stellen sich für Außenstehende zwar immer noch ein wenig mystisch dar, sind jedoch für die tatsächlichen Erfordernisse hochgradig optimierte Funktionsteile. Vor allem sind sie transparent: Einer der wesentlichen Vorteile moderner Laborgläser ist ihre Durchsichtigkeit – man kann die in den Gefäßen ablaufenden Prozesse direkt beobachten. Materialkundlich gilt der Werkstoff Glas übrigens als unterkühlte Flüssigkeit, deren Viskosität bis etwa 400 °C so groß ist, dass sie uns als Festkörper erscheint. Gegen Wärme

36

3 Werkstoffe, Geräte und Apparaturen

und Chemikalien (mit Ausnahme u.a. von Fluorwasserstoffsäure HF) ist Glas bemerkenswert beständig. Es leitet die Wärme und den elektrischen Strom sehr schlecht. Nachteilig sind die geringe Bruchfestigkeit und Elastizität bei Stoß oder Schlag. Einen Überblick über wichtige Materialeigenschaften und Verwendungszwecke verschiedener Gläser gibt die nachfolgende Tabelle 3-1: Tabelle 3-1. Laborübliche Glasarten und ihre Eigenschaften Glasart

Bestandteile

Eigenschaften und Einsatz

Natronglas

Quarz, Soda, Kalk

empfindlich gegenüber Temperaturwechseln verschmelzbar ab ca. 1000 °C

sowie ggf. Altglas

gewöhnliche Flaschen, Vorratsgefäße Apparateglas

Quarz mit Kalk oder Soda sowie anteilig z.B. Jenaer Aluminium- und BorGlas, Duran 50 Oxide, daher auch oder Pyrex Bor(o)silikatglas genannt; erfunden 1887 durch Otto Schott

unempfindlich gegen Temperaturwechsel gute Beständigkeit gegen Chemikalien verschmelzbar ab ca. 1200 °C

Quarzglas

sehr beständig gegen Temperaturwechsel und Chemikalien, lässt UV-Licht durch verschmelzbar ab 1700 °C

nur Quarz

übliche Laborgeräte

Tiegel, Küvetten, Spezialgeräte

Vorsicht: Zerbrochenes bzw. zersplittertes Glas stellt immer eine latente Verletzungsgefahr dar. Glasbruch und Glassplitter werden daher sofort aus dem Arbeitsbereich durch Aufkehren entfernt. Glasgeräte mit sichtbaren und eventuell scharfkantigen Bruchstellen (so genannte Sterne) dürfen nicht weiter benutzt werden. Obwohl Glas unter stärkerer Wärmeeinwirkung relativ gut zu formen ist, werkelt man an zerbrochenen teureren Glasgeräten mit Bruchstellen nicht selbst herum, sondern gibt sie zur Reparatur in eine Glasbläserei. Zerbrochenes Glas wird in eigens bereitgestellten Glasbruchcontainern entsorgt. Wegen der glatten Oberfläche sind Laborgläser meist gut zu reinigen. Fast alle größeren Labors setzen spezielle Laborspülmaschinen ein. Warmes Wasser entfernt im Allgemeinen zuverlässig Stäube und Salzreste.

3.1 Werkstoffe

37

Tabelle 3-2. Einige Grundtypen laborüblicher Kunststoffe Material

Akronym

Polyethylen

PE

temperaturbeständig bis etwa (°C) 95–120

Verwendung

Niederdruck-PE (z.B. Hostalen) Hochdruck-PE (z.B. Lupolen) Schutzhandschuhe, Spritzflaschen, Stopfen, Schläuche, Beutel, Säcke

Polypropylen

PP

Polyvinylchlorid

PVC

135–150

130

Rohre für Wasserleitungen Arbeitstischbeläge Kleingeräte, Trichter, Verbinder als Weich-PVC für Folien und Schläuche, als Hart-PVC für Rohre, Platten, Isolierungen Verbrennungsgase enthalten HCl!

Polystyrol

PS

70

Messbecher, Gefäße, Schalen, Gehäuse, geschäumt als Isolator verbrennt stark rußend

Polytetrafluorethylen

PTFE

260

auch als Teflon bekannt, sehr beständig gegen Chemikalien Dichtungen, Verbindungsstücke, Beschichtungen, Schablonen Bei der Verbrennung entwickeln sich äußerst giftige HF-Dämpfe!

Polymethacrylat

PMA

150

auch als Plexiglas bekannt, relativ schlecht beständig gegen Chemikalien Hinweisschilder, Spezialgeräte

Polyamid

PA

150

Filter, Netze, Schrauben, weitere Kleinteile lädt sich stark elektrostatisch aufl

Fette sind gewöhnlich etwas hartnäckiger und nur mit speziellen Spülmitteln zu entfernen. Hochviskose Haftstoffe wie Harze, Teere und Öle entfernt man mit organischen Lösemitteln. Die früher in solchen Fällen eingesetzte, aber sehr gefährliche Chromschwefelsäure wird als Reinigungsmittel generell nicht mehr empfohlen (vgl. auch Angaben in Kapitel 7.7).

38

3 Werkstoffe, Geräte und Apparaturen

Porzellan Das dem Glas in vielen physikalischen Eigenschaften ähnliche keramische Erzeugnis Porzellan ist beständig gegen hohe Temperaturen, aber weniger stabil bei schroffen Temperaturwechseln. Außerdem leitet es Wärme und elektrischen Strom nur schlecht. Aus relativ dickwandigem Porzellan fertigt man üblicherweise Reibschalen (Mörser) und Pistille (Stößel). Mit glasierter Oberfläche ausgerüstet sind beispielsweise Tiegel, Nutschen und Rührblätter. Zerbrochenes Porzellan wird nicht zusammen mit Glas entsorgt, sondern zum Restmüll gegeben. Kunststoffe Unter Kunststoffen (die stark umgangssprachlich geprägte Bezeichnung ist begrifflich eher unakzeptabel) versteht man eine Gruppe von Werkstoffen, die überwiegend aus hochmolekularen und fallweise durch Substitution modifizierten Kohlenwasserstoffen bestehen. Thermoplaste sind solche Kunststoffe, die beim Erwärmen weich werden und dann verformbar sind. Duroplaste sind nach dem Aushärten nicht mehr verformbar. Fast alle Kunststoffe überzeugen durch eine beachtliche Beständigkeit bis zu gewissen Maximaltemperaturen, weitgehende Beständigkeit gegen Chemikalien, gute bis sehr gute elektrische Isolierung, Abriebfestigkeit und – als entscheidender Vorteil gegenüber Glas – Elastizität sowie Bruchfestigkeit. Kunststoffe sind allerdings brennbar und beispielsweise gegen organische Lösemittel nur bedingt beständig. Außerdem werden sie mit der Zeit spröde. Auch unterhalb von 0 °C verspröden sie relativ rasch. Fast alle Kunststoffe sind gegen kratzende Scheuermittel empfindlich. Zum Reinigen verwendet man daher nur warmes Wasser mit Detergenzienzusatz, beispielsweise eine 1- bis 5%ige RBS-Lösung. Einen orientierenden und keineswegs erschöpfenden materialkundlichen Überblick gibt Tabelle 3-2. Weitere Werkstoffe Außer den benannten Materialien finden sich im Labor diverse Utensilien beispielsweise aus Naturkautschuk (Gummi), Kunstgummi oder Siliconkautschuk (Latex), den man für Schutzhandschuhe und als Schlauchmaterial verwendet. Naturgummi wird durch Lichteinwirkung sowie Trockenheit spröde und ist gegen stärkere Säuren, organische Lösemittel und Halogene unbeständig.

3.2 Geräte

39

3.2 Geräte Die Vielzahl der im Labor verwendeten Geräte aus einem der oben benannten Werkstoffe widersetzt sich einer einfachen systematischen Gliederung. Die folgende Auflistung gibt daher lediglich einen eher typologischen Überblick, der dem Laborneuling die korrekte Benennung der benötigten Hilfsmittel erleichtern soll. Gerät

Benennung, Besonderheiten, Verwendung Reagenzglas (Probenröhrchen) Nennvolumen 25, 50 oder 100 mL Reaktionsgefäß für analytisches Arbeiten in kleinem Maßstab mehrere abweichende Sonderformen z.B. als Saugglas oder besonders dickwandig Becherglas Nennvolumen meist 10, 25, 50, 100, 150, 250, 500 und 1000 mL Normalform oder schmale (schlanke) Form Glas oder Kunststoff Ansetzen und vorübergehende Bevorratung von Lösungen Erlenmeyerkolben Nennvolumen 10, 25, 50, 100, 250, 500, 1000 mL Enghals- oder Weithals-Ausführung Ansetzen und vorübergehende Bevorratung von Lösungen Messkolben Nennvolumen 10, 25, 50, 100, 250, 500, 1000 mL Genauigkeitsklassen A oder B (vgl. Kapitel 7) Ansetzen und vorübergehende Bevorratung von Lösungen

40

3 Werkstoffe, Geräte und Apparaturen

Messzylinder Nennvolumen 10, 25, 50, 100, 250, 500, 1000 mL Aus Glas oder Kunststoff Abmessen von Lösemitteln und Lösungen, nicht zur ständigen Aufbewahrung gedacht

Rundkolben Nennvolumen 50, 100, 250, 500, 1000 mL meist mit Normschliffanschluss zum Einbau in komplexere Apparaturen (bei der Destillation o.ä.) Sonderformen wie Zwei- oder Mehrhalskolben in Analyse- oder Syntheseapparaturen Destillierkolben mit seitlichem Ableitungsrohr Nennvolumen 250, 500, 1000 mL für einfache Wasserdampfdestillationen Stehkolben Nennvolumen 100, 250, 500, 1000 mL ohne Graduierung vorübergehende Aufbewahrung von Lösungen Standzylinder Nennvolumen 250, 500, 1000 mL ohne Graduierung, eventuell mit Überwurfdeckel zum Schutz gegen eindringenden Schmutz vorübergehende Aufbewahrung von Lösungen und sonstigen Reaktionsansätzen, beispielsweise Proben zur Sedimentation

3.2 Geräte

41

Glasflasche (Schulter- oder Steilbrustflasche) Nennvolumen 50, 100, 250, 500, 1000, 2000 mL mit Normschliffstopfen aus Glas oder Kunststoff Enghals- oder Weithalsform Aufbewahrung von Flüssigkeiten (Enghalsform) oder pulverförmigen Chemikalien (Weithalsform), grundsätzlich zu beschriften Schraubflasche Nennvolumen 100, 250, 500, 1000 mL mit Schraubdeckel Enghals- oder Weithalsform Aufbewahrung von Flüssigkeiten (Enghalsform) oder pulverförmigen Chemikalien bzw. Pasten und Granulaten (Weithalsform) Säurekappenschraubflasche Nennvolumen meist 250, 500, 1000 mL mit Spezialverschluss (Schliffstöpsel und Überwurfkappe) Aufbewahrung von hochkonzentrierten Säuren und Laugen Spritzflasche Nennvolumen meist 500 mL gewöhnlich aus PE-Kunststoff Bevorratung von demineralisiertem oder destilliertem Wasser Tropfflasche (Ranvier-Flasche) Nennvolumen meist 50 oder 100 mL aus Glas oder PE-Kunststoff Bevorratung von häufig eingesetzten Fertigreagenzien (beispielsweise Indikatoren, Nachweisreagenzien für die Mikroskopie u.ä.)

42

3 Werkstoffe, Geräte und Apparaturen

Pipette als Messpipette (links) oder Vollpipette (Mitte), je nach Hersteller unterschiedlich farbcodiert, auch mit angeschlossenem Saugkolben Nennvolumen: Messpipette meist 0,5, 1, 2, 5, 10, 20, 25 mL Vollpipette meist 2, 5, 10, 20, 25, 50, 100 mL in verschiedenen Genauigkeitsklassen (vgl. weitere Angaben in Kapitel 7) Ungraduierte Tropfpipetten (mit Saugkappe) bezeichnet man auch als Pasteur-Pipetten (rechts) Mikropipette (Automatikpipette) 005

Nennvolumen entweder fest 10, 20, 25, 40, 50, 100, 200 und 500 μL oder variabel mit auswechselbaren Pipettenspitzen, auch als Mehrkanalpipette mit 6, 12 oder 16 Steckplätzen für Pipettenspitzen vor allem im biochemisch-mikroanalytischen Bereich sehr häufig eingesetzt Waschflasche nach Drechsel Nennvolumen meist 250 oder 500 mL zum Entfernen (Auswaschen) bestimmter Gase aus Gasgemischen

Saugflasche (Erlenmeyerform) mit seitlich fest angesetztem Glas- oder austauschbaren Kunststoffstutzen (= Olive) Nennvolumen meist 250 oder 500 mL zum Arbeiten unter vermindertem oder erhöhtem Druck

3.2 Geräte

43

Büchner-Trichter (Nutsche) meist aus Porzellan Abfiltrieren von Feststoffen über Rundfilter Tropf- (links) und Scheidetrichter (rechts) Glas fallweise mit Normschliffstopfen aus Glas oder Kunststoff Trennen von Flüssigkeitsgemischen unterschiedlicher Mischbarkeit, auch als Komponenten in Gasentwicklungsapparaturen Exsikkator Nennvolumen 1, 2, 3 L oder mehr Glas oder Porzellan zum Trocknen oder Aufbewahren von Proben unter Vakuum; Vakuumanschluss oft auch seitlich Reaktionsrohr Glas Durchführung von Reaktionen in kontrollierten Gasräumen Abdampfschale Porzellan Eindampfen zu schwach konzentrierter Lösungen Brenner (Bunsen- und Teclu-Brenner) Metall Wärmequelle zur Prozessbeschleunigung Wasserstrahlpumpe Glas, Kunststoff oder Metall Abpumpen oder Evakuieren von Reaktionsgefäßen; wird an die Brauchwasserleitung angeschlossen

44

3 Werkstoffe, Geräte und Apparaturen

Bürette Glas mit Messskala und Schellbachstreifen (s. Kapitel 7) eventuell fest montiert auf einem Vorratsgefäß mit Vorrichtung zum Befüllen und zur automatischen Nullpunkteinstellung für Maßanalysen

Die in dieser Übersicht dargestellten Geräte und Hilfsmittel stellen nur die übliche Basisausstattung für chemisch oder physiologisch arbeitende Labors dar. Nicht berücksichtigt sind das übliche Stativmaterial (BunsenStative, Stativstangen, Klammern, Muffen und andere Befestigungen) sowie das fast immer benötigte Schlauchmaterial verschiedener Qualitäten und Materialien. In Speziallabors, die mikrobiologische, biochemische oder gentechnische Forschung durchführen, werden zusätzliche Sondereinrichtungen benötigt. Nützliche oder sogar unverzichtbare Kleinteile und Hilfsmittel, die in fast allen Labors anzutreffen sind, zeigt die folgende Übersicht:

Schutzbrille

Tiegelzange

Reibschale mit Pistill

Spatel Spatellöffel

Peleusball

Porzellantiegel

Trichter

Pulvertrichter

3.3 Verbindungen schaffen

Reagenzglashalter

Quetschhahn

45

Tropfpipette Gasflasche

Petrischale

Uhrglas

Reduzierventil Zweiwegehahn

Die einzelnen hier aufgeführten Laborutensilien dienen unter anderem dem sicheren Arbeiten (Schutzbrille, Tiegelzange, Reagenzglashalter, Reduzierventil; vgl. Kapitel 1). Sie werden in ihrer Funktionalität fallweise in einzelnen Folgekapiteln näher erläutert. 3.3 Verbindungen schaffen Beim Zusammenbau von Apparaturen stellt sich gewöhnlich das Problem, dass man mehrere Glasteile miteinander verbinden muss. Die Verbindungsstellen müssen gasdicht sein, aber auch ein rasches Auswechseln von Bauteilen ermöglichen. Für solche Zwecke wurden unter anderem nach DIN genormte Schliffverbindungen entwickelt (Abb. 3-1 bis 3-3). Die über solche Verbindungen miteinander gekoppelten Bauteile werden jeweils über besondere Klammern (Normalschliff-, Kugelschliffklammern) davor gesichert, sich unkontrolliert voneinander zu lösen oder aus dem Geräteverbund zu verschieben. Auf den Normalschliffteilen bedeutet beispielsweise die Angabe 29/32, dass der größte Durchmesser am Schliffkern bzw. an der Schliffhülse 29 mm beträgt, die Länge des Schliffes 32 mm (Abb. 3-1). Verbreitete weitere Kegelschliffe sind 12/21, 14/15, 14/23, 19/26, 24/29 und 45/40. Die entsprechenden Hülsenabmessungen finden sich auch am Hals von Messkolben, Rundkolben, Schliffflaschen und Kühlern. Kunststoffstopfen weisen dagegen die NS-Abmessungen der Schliffkerne auf. Kegelschliffe lassen nur in Achsenrichtung starre Verbindungen zwischen den Bauteilen zu. Mit den konvexen bzw. konkaven Kugelschliffen (Abb. 3-1) sind dagegen auch gegen die Achse in gewissem Umfang bewegliche Verbindungen möglich. Bauteile von sehr großem Durchmesser, darunter beispielsweise

46

3 Werkstoffe, Geräte und Apparaturen

Bodenteil und Deckel eines Exsikkators, werden über Planschliffe miteinander verbunden. Normalschliff

Kugelschliff

Kern NSK 29/32

Planschliff

Kugel KSK 35/20

NW 45

D

D

h d

Hülse NSH 29/32

Pfanne KSP 35/20

Abb. 3-1. Typen und Benennung von Normschliffteilen, im gewählten Beispiel Normalschliff (NS) mit D = 29 mm und h = 32 mm sowie Kugelschliff mit D = 35 mm und d = 20 mm. Bei Planschliffteilen gibt man die Nennweite (innerer Durchmesser) an A

B

C

D

Abb. 3-2. Übergangsstücke zwischen verschiedenen Normschliffteilen: A KS→NS, B NS→KS, C Erweiterungsstück, D Reduzierstück

Abb. 3-3. Schliffstöpsel (links) und Hahnküken (rechts) fettet man nur an den markierten Bereichen ein. Bei falsch gefetteten Hahnküken droht eventuell die Blockade der zentralen Öffnung

3.3 Verbindungen schaffen

47

Schliffteile werden zum Abdichten sehr dünn mit Silicon- oder anderen Spezialfetten (Schlifffetten) bestrichen, so dass die Schliffverbindung beim Drehen klar durchsichtig erscheint. Erst dann ist die Verbindung gas- und flüssigkeitsdicht. Ungefettete Schliffverbindungen (beispielsweise von Schliffflaschen) haben gelegentlich die Unart, außerordentlich fest und unlösbar zu sein, weil sich eventuell Kristalle zwischen den Schliffteilen entwickelt haben. Zum Lösen klopft man entweder mit einem Stück Holz gegen den festsitzenden Schliffstopfen, tropft heißes Wasser auf oder erwärmt die Schliffhülse rasch mit der Brennerflamme. Ähnlich geht man auch bei verkrusteten Schliffhähnen vor. Mitunter lassen sich Schliffverbindungen nicht (mehr) leicht lösen, wenn sich zwischen den geschliffenen Apparaturenteilen Fremdstoffe abgesetzt haben. Das Trennen von Schliffteilen versucht man dann durch • vorsichtiges Klopfen mit einem Gegenstand aus Holz oder Kunststoff • rasches Erhitzen der Schliffhülse mit heißem Wasser oder einem Gebläse • Diffusion von Wasser oder Kriechöl zwischen die geschliffenen Komponenten. Für sichere Verbindungen zwischen Glas- bzw. Kunststoffrohren und Schläuchen bieten sich verschiedene technische Möglichkeiten an: Die Rohrenden tragen ein nach DIN/ISO genormtes Schraubgewinde, an dem sich eine Schlauchtülle mit einer Überwurfmutter befestigen lässt. Außerdem gibt es auch spezielle Übergangsstücke mit Normschliffanschluss (Abb. 3-4):

Abb. 3-4. Übergangsstücke zwischen Schlauch und Glasrohr (links) oder Schliffstück und Glasrohr (rechts)

Wesentlich einfacher herzustellen ist die Verbindung zwischen zwei Glas- oder Kunststoffrohren mithilfe eines kurzen Schlauchstücks. Dabei sollten die verbundenen Teile ungefähr den gleichen Durchmesser aufweisen und dürfen in der Verbindungsmanschette nicht allzu weit voneinander entfernt sein (vgl. Abb. 3-5), damit die Verbindungsteile nicht durchhängen oder die Schlauchstücke das Durchflussvolumen ungünstig verengen. Rohrstücke in Versuchsapparaturen werden aus Sicherheitsgründen jeweils über Stativklammern in ihrer Position fixiert und keineswegs nur über die Elastizität der verbindenden Schlauchstücke gehalten.

48

3 Werkstoffe, Geräte und Apparaturen

Abb. 3-5. Richtige (links) und falsche (rechts) Schlauchverbindung zwischen zwei Glas- oder Kunststoffrohren Für Schlauchverbindungen zwischen Glas- oder Kunststoffrohren oder Leitungsverzweigungen sehr praktisch sind spezielle Verbindungsstücke (Abb. 3-6). In jedem Fall ist bei deren Einsatz die Chemikalienbeständigkeit der Verbindungsstücke zu beachten.

Abb. 3-6. Schlauchverbindungsstücke für Leitungsverzweigungen Über spezielle Schlauchverbindungen mit passenden Tüllen baut man auch Absperrhähne (Zweiwegehähne) aus Glas, Teflon oder anderen Kunststoffen bzw. Edelstahl in Rohr- oder Schlauchleitungen ein. Alternative Absperrmöglichkeit für Schlauchleitungen bzw. Schlauchabschnitte in Röhrensystemen sind die verschiedenen Typen gebräuchlicher Schlauchklemmen (Quetschhähne). Mit Dreiwegehähnen bestückt man komplexere Leitungssysteme und kann damit jeweils zwei Leitungsäste wegsam schalten (vgl. Abb. 3-7). Bei Zwischenstellungen des Hahns zwischen den dargestellten Positionen sind sämtliche Zu- und Ableitungen blockiert.

Abb. 3-7. Zweiwegehähne sind einfache Sperrhähne (links in Seitenansicht). Mithilfe von Dreiwegehähnen (rechts im Querschnittbild) lassen sich Flüssigkeits- oder Gasströme exakt in verschiedene Richtungen kanalisieren.

4

Einheiten, Maße und Zahlen

Die Vorteile eines global gültigen und unabhängig von Sprachen und Kulturen anwendbaren Einheitensystems liegen auf der Hand: Außer Wissenschaft und Technik profitieren davon auch Wirtschaft und Verwaltung. Nachdem über die Jahrhunderte hinweg zahlreiche nur regional oder sogar lokal gültige und nur ausnahmsweise exakt konvertierbare Maße und Gewichte in Gebrauch waren, zeigte sich bereits im frühen 19. Jahrhundert die Notwendigkeit einer Standardisierung. Der geniale Carl Friedrich Gauß schlug erstmals 1832 ein Absolutsystem für Masse, Länge und Zeit vor. Aber erst 20 Jahre später stellte er zusammen mit dem Physiker Wilhelm Eduard Weber, ebenfalls einer der liberal gesinnten und deswegen aufmüpfigen „Göttinger Sieben“, eine Anzahl von Einheiten zusammen, die auf Millimeter, Milligramm und Sekunde basierten. Ein erster bedeutsamer Schritt war 1875 die Unterzeichnung der Meterkonvention durch 17 Staaten. Auf der 1. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) 1889 wurde das MKS-System mit den drei Basiseinheiten Meter, Kilogramm und Sekunde eingeführt. Dieses mehrfach erweiterte System wurde 1960 in Système International d’Unités (abgekürzt SI) umbenannt. Es gilt in allen Ländern und in allen Sprachen, in Deutschland seit 1970. Erst 1971 kam die siebte und vorerst letzte Basiseinheit Mol hinzu und wurde an sechster Position zwischen Kelvin und Candela (vgl. Tabelle 4-1) eingeordnet. In der EU ist die Verwendung des SI im amtlichen und geschäftlichen Verkehr gesetzlich vorgeschrieben. In den USA haben sich die SI-Einheiten bisher fast nur im wissenschaftlich-technischen Bereich durchgesetzt. Seit etwa 1990 sind auch sämtliche Lehrbücher (mit Ausnahmen in einigen technischen Sondersparten wie Elektrodynamik) auf SI-Einheiten umgestellt worden. Dem SI liegt die im Prinzip überaus erstaunliche Feststellung zu Grunde, dass man zur Quantifizierung der Natur tatsächlich nur sieben Basisgrößen benötigt. Das SI-Einheitensystem legt dafür die entsprechenden Einheiten und ihre Symbole (Einheitenzeichen) fest (Tabelle 4-1). Eine SI-Basisgröße kann nicht durch eine andere Basisgröße ausgedrückt werden. Das Gleiche gilt für die Basiseinheiten. Die Symbole der Basisgrößen schreibt man immer kursiv, die Symbole der zugehörigen Dimensionen mit einem geraden (halbfett gesetzten) Großbuchstaben.

50

4 Einheiten, Maße und Zahlen

Tabelle 4-1. SI-Basisgrößen und Basiseinheiten Basisgröße (Name der Dimension)

Symbol der Basisgröße

Symbol der Dimension

Basiseinheit

Symbol der Basiseinheit (Einheitenzeichen)

Länge

l

L

Meter

m

Masse

m

M

Kilogramm

kg

Zeit

t

T

Sekunde

s

elektrische Stromstärke

I

I

Ampere

A

thermodynamische T Temperatur

Θ

Kelvin

K

Stoffmenge

n

N

Mol

mol

Lichtstärke

IV

J

Candela

cd

Die sieben SI-Basiseinheiten sind folgendermaßen definiert: Der Meter (als Längenmaß abweichend von den in Rechtschreibungs-Lexika umgangssprachlich zugelassenen Varianten nur als Maskulinum zu gebrauchen; in der Bezeichnung für ein Messgerät dagegen ausschließlich als Neutrum, beispielsweise das Baro- bzw. das Thermometer) ist die Länge einer Strecke, die das Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299 792 458 Sekunden zurücklegt. Mit dieser Definition wurde gleichzeitig die Naturkonstante Lichtgeschwindigkeit im Vakuum co auf den Wert 299 792 458 m s–1 festgelegt, obwohl die experimentelle Bestimmung von co auch geringfügig abweichende Werte im Meterbereich ergibt. Das Kilogramm war ursprünglich die Masse eines Liters Wasser von maximaler Dichte (bei 3,98 °C). Seit 1889 ist das Kilogramm gleich der Masse des Internationalen Kilogrammprototyps. Der entsprechende Referenzkörper aus einer Pt/Ir-Legierung mit 90% Platin (Pt) und 20% Iridium (Ir) wird seit 1889 im Internationalen Büro für Maß und Gewicht in Sèvres bei Paris unter drei ineinander geschachtelten Glasgefäßen aufbewahrt. Der Prototyp ist ein Zylinder von 39 mm Höhe und Durchmesser. Die Vertragsstaaten der Meterkonvention besitzen davon eine Kopie. In Deutschland hortet die für metrologische Belange zuständige PhysikalischTechnische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig drei Exemplare – das ursprünglich zugeteilte, jedoch im Zweiten Weltkrieg beschädigte Urkilogramm, eine neuere Ersatzkopie sowie das Exemplar der ehemaligen DDR. Das Kilogramm ist somit die einzige SI-Einheit, die bislang nicht

4.1 Teile und Vielfache von Einheiten

51

von einer physikalischen Fundamentalkonstante abgeleitet ist. An einer zeitgemäßen Neudefinition wird gegenwärtig allerdings gearbeitet. Die Sekunde ist definiert als Dauer von 9 192 632 770 Schwingungsperioden der Strahlung, die beim Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus 2S1/2 des Grundzustandes des Atomkerns vom Isotop 133 Caesium ausgesandt wird (Atomzeitsekunde). Die Stromstärke Ampere ist die Stärke eines konstanten elektrischen Stromes, der durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von 1 m voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem kreisförmigem Querschnitt fließt und zwischen diesen beiden Leitern pro Meter Leiterlänge die Kraft 2 × 10–7 Newton hervorruft. Die Basiseinheit Ampere schreibt man in diesem Anwendungszusammenhang grundätzlich ohne Akzent, obwohl sie an den französischen Physiker André Marie Ampère erinnert. Das Kelvin ist 1/273,16 der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wasser einer genau definierten istopischen Zusammensetzung entsprechend dem Vienna Standard Mean Ocean Water. Damit wurde gleichzeitig die Temperatur des Tripelpunktes von Wasser auf genau 273,16 K (= 0,01 °C) festgelegt. Erst seit 1968 schreibt man das Einheitenzeichen K statt des früheren °K. Ein Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen Teilchen besteht, wie Atome in 0,012 Kilogramm des Kohlenstoff-Isotops 12C in ungebundenem Zustand enthalten sind. Die molare Masse von 12C ist damit auf genau 12 × 10–3 kg mol–1 festgelegt. Schließlich ist die Lichtstärke definiert als die monochromatische Strahlung einer Strahlungsquelle der Frequenz 540 × 1012 Hertz. In diesen Definitionen sind nur die drei Basiseinheiten Kilogramm, Sekunde und Kelvin voneinander unabhängig. Die übrigen Basiseinheiten weisen Abhängigkeiten zu anderen Basiseinheiten auf, und zwar der Meter von der Sekunde, das Mol vom Kilogramm und Ampere sowie Candela von Meter, Kilogramm und Sekunde. Alle anderen als die sieben Basiseinheiten sind abgeleitete Einheiten. Beide Gruppen bilden zusammen die kohärenten SI-Einheiten. Durch Verwendung eines SI-Präfixes wie Mega- oder Milli- (vgl. Tabelle 4-3) werden diese zu nichtkohärenten Einheiten. Die einzige Ausnahme ist das Kilogramm, das bereits als Basiseinheit mit einem Präfix versehen ist. Die SI-Einheiten sind die Gesamtheit aller kohärenten und nichtkohärenten Einheiten. Von den sieben Basisgrößen bzw. -einheiten lassen sich die zahlreichen übrigen in den Naturwissenschaften verwendeten Größen und ihre Einheiten ableiten, von denen in den zahlreichen Spezialsparten des modernen Wissenschaftsbetriebes und der Technik unterdessen mehrere hundert in Ge-

52

4 Einheiten, Maße und Zahlen

Tabelle 4-2. Einige abgeleitete Einheiten mit ihren Namen und Symbolen (Auswahl) Größe

Symbol Name der der Größe Größe bzw. abgeleiteten Einheit

Einheiten- Ableitung aus SIzeichen Basiseinheiten

Frequenz

f

Hertz

Hz

s–1

Volumen

V

Liter

L

1 L = 10–3 m3

ebener Winkel

α, β, γ...

Radiant

rad

Grad (°) 1°= 1rad × π/180 (Winkel-)Minute (’),1’=1°/60 (Winkel-)Sekunde (”) 1” = 1’/60

Fläche

A

Ar Hektar

a ha

1 a = 100 m2 1 ha = 10 000 m2

Zeit

t

s

Jahr (a), 1 a = 365 d Tag (d), 1 d = 24 h Stunde (h), 1 h = 60 min Minute (min), 1 min = 60 s

Kraft

F

Newton

N

m · kg · s–2

Druck

p

Pascal

Pa

Bar (bar), 1 bar = 105 Pa

Radioaktivität

A

Becquerel

Bq

s–1

brauch sind. Insgesamt 22 kohärenten abgeleiteten SI-Einheiten hat man eigene Namen und Symbole (Einheitenzeichen) gegeben, die sich ihrerseits wiederum mit allen Basis- und abgeleiteten Einheiten kombinieren lassen. So ist beispielsweise die SI-Einheit für die Kraft (= Newton; m · kg · s–2) geeignet, um die Einheit der Energie (Joule) als Newton mal Meter (N · m) auszudrücken. Einige auch für die Laborpraxis in Biologie und Chemie relevante abgeleitete Einheiten und ihre Symbole (ohne Elektrizitätslehre) führt Tabelle 4-2 auf. Während sich die Einheitennamen in den verschiedenen Sprachen geringfügig unterscheiden können (mètre, meter, metro, Meter), sind die Symbole selbst grundsätzlich unveränderbar. Die Größensymbole setzt man üblicherweise kursiv. Alle abgeleiteten Einheiten sind als Potenzprodukte der Basisgrößen darstellbar (vgl. Tabelle 4-3). Als Einheitenzeichen wählte man sowohl Klein- als auch Großbuchstaben. Da das Alphabet für die

4.1 Teile und Vielfache von Einheiten

53

Tabelle 4-3. Vorsätze (SI-Präfixe) zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen von Einheiten Vorsatz

Zeichen

Zahlenwert des Multiplikators

Exa

E

1 000 000 000 000 000 000

1018

Peta

P

1 000 000 000 000 000

1015

Tera

T

1 000 000 000 000

1012

Giga

G

1 000 000 000

109

Mega

M

1 000 000

106

Kilo

k

1 000

103

Hekto

h

100

102

Deka

da

10

101

1

100

Dezi

d

0,1

10–1

Zenti

c

0,01

10–2

Milli

m

0,001

10–3

Mikro

μ

0,000 001

10–6

Nano

n

0,000 000 001

10–9

Pico

p

0,000 000 000 001

10–12

Femto

f

0,000 000 000 000 001

10–15

Atto

a

0,000 000 000 000 000 001 10–18

Vielzahl notwendiger Einheitenzeichen nicht ausreicht, gibt es fallweise auch mehrbuchstabige Symbole, allerdings immer nur mehrere Kleinbuchstaben (lx, rad) oder eine Kombination aus nur einem Groß- mit einem Kleinbuchstaben (Bq, Hz). Als zusätzliche Einheiten lässt das SI weiterhin einige weitere Messgrößen und Symbole (Einheitenzeichen) zu, von denen die meisten für Messungen der Dimensionen Länge und Zeit verwendet werden. Etliche davon erweisen sich als Konzessionen an lange vertraute Alltagsgrößen. Tabelle 4-2 listet einige davon ebenfalls auf.

54

4 Einheiten, Maße und Zahlen

4.1 Teile und Vielfache von Einheiten Durch besondere Vorsätze (Präfixe) zu den Einheitenzeichen lassen sich von allen Einheiten dezimale Vielfache oder Teile bilden (Tabelle 4-3). Diese Präfixe setzt man jeweils ohne Zwischenraum an das zugehörige Einheitenzeichen: 2 Ma = 2 × 106 Jahre (in der Geologie und Archäologie zunehmend übliche Bezeichnung), 1 ms = 1 Millisekunde, 5 μg = 0,005 mg = 5 Mikrogramm. Ein Einheitenzeichen darf man allerdings nie gleichzeitig mit zwei Präfixen versehen, um besonders kleine oder große Teiler zu kennzeichnen: Die Schreibweise 1 mμm („Millimikrometer“) für 10–9 m ist demnach unzulässig. • Zwischen der Zahlenangabe (Multiplikator) und dem verwendeten Einheitenzeichen steht immer ein einfacher Zwischenraum: 5 mm, 3 d, 125 Ci, 27 ha, 1,035 hPa. • In wissenschaftlichen Manuskripten sollte man routinemäßig so genannte geschützte Leerzeichen verwenden, damit Zahl und Einheit beim automatischen Zeilenumbruch nicht getrennt werden können. Nur die für Winkelangaben üblichen Einheitenzeichen °, ’ und ” werden nach der Zahlenangabe ohne Zwischenraum gesetzt: Position 54°13’33” N bzw. 7°14’48” O • Bei astronomischen Zeitangaben ist es üblich, die Einheiten h, m und s als Exponenten anzugeben; der Zeitpunkt 8 Uhr, 14 Minuten und 23 Sekunden ist dann folgendermaßen zu setzen: 08h14m23s • Durch die Kombination eines dezimalen SI-Präfixes mit dem jeweiligen Einheitenzeichen entsteht gleichsam ein neues Symbol, das man ohne Klammer zur Potenz erheben kann: km2, μL3, ns–2. • Für die Volumenangabe in Liter hat die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), die gleichsam für die Genfer Konventionen chemischer Bezeichnungen zuständig ist, in Übereinstimmung mit dem SI ausschließlich den Gebrauch des Einheitenzeichens L (Großbuchstabe) festgelegt. • Für zahlreiche Benennungen und Bezeichnungen (auch) im Einheitenwesen sind Klein- oder Großbuchstaben aus dem griechischen Alphabet üblich, beispielsweise bei den Elementarteilchen (γ = Photon, ν = Neutrino, Σ = Sigmateilchen) oder zur Angabe der Wellenlänge (λ). Für solche Anwendungen bieten die Tabellen 4-4 und 4-5 eine über α, β und γ hinausgehende Orientierungs- bzw. Übersetzungshilfe. Die Buchstaben Epsilon/Eta sowie Omikron/Omega haben im gesprochenen Wort unterschiedliche Lautwerte. Für den Gebrauch im Einheitenwesen sind diese jedoch unerheblich.

4.2 Einheiten und Zahlen erfordern besondere Schreibweisen

55

Tabelle 4-4. Griechische Buchstaben Bezeichnung Alpha Beta Gamma Delta Epsilon Zeta Eta Theta Iota Kappa Lambda My Ny Xi Omikron Pi Rho Sigma Tau Ypsilon Phi Chi Psi Omega

Transliteration Symbol Großbuchstabe A, a Α B, b Β G, g Γ D, d Δ E, e Ε Z. z Ζ E, e Η Th, th Θ I, i Ι K ,k Κ L, l Λ M, m Μ N, n Ν X, x Ξ O, o Ο P, p Π R, r Ρ S, s Σ T, t Τ Y, y Υ Ph, ph Φ Ch, ch Χ Ps, ps Ψ O, o Ω

Symbol Kleinbuchstabe α β γ δ ε ζ η ϑ ι κ λ μ ν ξ ο π ρ σ τ υ ϕ χ ψ ω

Tabelle 4-5. Häufig verwendete griechisch(-lateinische) Zahlwörter 1 mono 2 di 3 tri

4 tetra 5 penta 6 hexa

7 hepta 8 octa 9 nona

10 deka 11 endeka 12 dodeka

4.2 Einheiten und Zahlen erfordern besondere Schreibweisen Für die eindeutige und korrekte Schreibweise von Einheiten sind im wissenschaftlichen bzw. sonstigen offiziellen Kontext die folgenden typographischen Hinweise zu beachten:

56

• • • •

•

•

•

• • •

•

4 Einheiten, Maße und Zahlen

Hinter einem Einheitenzeichen steht niemals ein Punkt. Die einzige Ausnahme ist das reguläre Satzzeichen, wenn ein Symbol der letzte Buchstabe in einem Satz ist. Bei Einheitenprodukten setzt man zwischen den Einzelangaben jeweils einen Zwischenraum: Nm Nur die Divisionen gibt man mit Schrägstrich oder – vorzugsweise – negativem Exponenten an: m/s oder besser m s–1 Bei mehr als zwei Divisionen wie Milligramm pro Kilogramm pro Stunde verwendet man immer die Exponentialangabe: statt mg/kg/h also grundsätzlich mg ⋅ kg–1 ⋅ h–1 oder aus Gründen der besseren Lesbarkeit mit typographischem Multiplikationszeichen (×; in den meisten Schreibprogrammen unter Einfügen/Sonderzeichen/Symbol zu finden) statt des hier nicht korrekten üblichen Kleinbuchstabens x: mg × kg–1 × h–1. Bei Divisionen von Einheitenprodukten setzt man die zusammengehörenden Ausdrücke wegen der notwendigen Eindeutigkeit gegebenenfalls in eine Klammer, also W/ (m ⋅ K) oder W ⋅ (m × K)–1. Zwischen zwei Einheitenzeichen verwendet man immer dann ein typographisches Multiplikationszeichen (×), wenn die Angabe sonst missverständlich sein könnte: Bedeutet nun die Angabe m s Millisekunde oder Meter × Sekunde? Die Schreibweise m × s schafft sofort Klarheit. Zwischen zwei Zahlenangaben und die sie verknüpfenden Rechenzeichen der Arithmetik setzt man wegen der besseren Lesbarkeit grundsätzlich ein Leerzeichen. Statt 3,7+5,4=9,1 schreibt man also 3,7 + 5,4 = 9,1 Vorzeichen stehen immer ohne Leerraum direkt vor der zugehörigen Zahl: –78 °C, +25 °C Als Minuszeichen verwendet man nicht den Trennstrich (Divis: -), sondern einen Gedankenstrich (–): 55 – 75 = –25; Die mathematischen Operatoren % (bedeutet: multipliziere mit 0,01 bzw. 10–2) und ‰ (multipliziere mit 0,001 bzw. 10–3) behandelt man wie Maßeinheiten: Glucose-Gehalt 5,8 % Salinität der Nordsee 3,4 ‰ Bei Ableitungen entfällt dagegen der Zwischenraum:

4.2 Einheiten und Zahlen erfordern besondere Schreibweisen

57

25%ige HCl, 96%iges Ethanol • Kleinere Operatoren als % und ‰ sind die Angaben ppm (parts per million für den Faktor 10–6) und ppb (parts per billion; Faktor 10–9). • Eine Messwertangabe wählt man immer so, dass der zu benennende Zahlenwert zwischen 0,1 und 1000 liegt und man die Einheit an Stelle ihres dezimalen Teilers oder Vielfachen verwenden kann: 0,7 L statt 70 cL oder 700 mL 5 mL statt 0,005 L 3 μL statt 0,003 mL • Zu bevorzugen ist jeweils auch die Exponentialangabe, wenn ansonsten „unhandliche“ Zahlen drohen: 5,8 ⋅ 109 Bakterien/mL. • Bei quantitativen Angaben deutet das Zeichen ± den Schwankungsoder Toleranzbereich an. Bei Zahlenwerten mit einer Einheit folgt das Einheitenzeichen einer runden Klammer, die den Toleranzbereich angibt: (15 ± 3) mg meint den Bereich zwischen 12 und 18 mg. Die Schreibweise 15 ± 3 mg ist dagegen nicht korrekt, weil die Einheit für den Bezugswert 15 fehlt. Zahlen lassen sich in Ziffern (3, 4, 5) oder in Buchstaben (drei, vier, fünf) schreiben. In literarischen Texten verfahren die Autoren oft nach der alten und aus heutiger Sicht nicht begründbaren Konvention, die Zahlen von eins bis zwölf in Buchstaben und ab 13 in Ziffern zu setzen. Ausnahmen sind lediglich die Dezimalzahlen 300 dpi, dpi = dots per inch = ca. 14 000 Punkte/cm2) direkt über einen leistungsstarken Drucker im Dokument ausgeben lässt oder sie als klassische farbige bzw. schwarzweiße Fotopapierkopien mit der Oberflächenausrüstung „Hochglanz“ in die fertige Version des Laborberichtes einklebt, ist letztlich nur eine Frage der jeweils verfügbaren Technik und kein grundsätzliches Problem. 5.2 Grafiken Unter Grafiken sind alle Bilddarstellungen zu verstehen, die nicht auf fotografischem Wege entstanden sind, sondern als Strichzeichnungen oder Diagramme entweder von Hand oder mit Hilfe eines speziellen CADZeichenprogramms per Computer erstellt wurden. Sie vereinfachen die Übersicht und Bewertung größerer Datenmengen auf einen Blick. Grafiken können beispielsweise Strichzeichnungen oder verschiedene Formen von Diagrammen sein, die jeweils komplexe Sachverhalte veranschaulichen. Die zeichnerische Darstellung eines mikroskopischen Präparates kann im Unterschied zum Foto durch Kombination mehrerer Abtastebenen ähnlich wie das Rasterelektronenmikroskop auch räumliche Tiefe ohne weiteres wiedergeben und zudem durch Verschieben des Objektes fehlende Anteile außerhalb des Sehfeldes berücksichtigen. Die Zeichnung bietet klare Konturen, wo das Foto ein Liniengewirr darstellt. Jede zeichnerische Darstellung ist in gewissem Umfang eine vereinfachende, idealisierende und in hohem Maße auch interpretierende Wiedergabe des Gesehenen. Sie kann also sinnvollerweise die bildgebende Dokumentation moderner mikroskopischer Verfahren ergänzen. Die funktionalen Abhängigkeiten und Zusammenhänge mehrerer Kenngrößen, die verschiedene Zahlenwerte annehmen, stellt man immer dann in einem Diagramm bzw. Graphen dar, wenn mehr als vier Wertepaare direkt miteinander verglichen werden sollen. Für nur zwei oder drei Wertepaare

5.2 Grafiken

65

genügt fast immer die verbale Beschreibung. Für die optimale Verdeutlichung wählt man je nach gewünschter Aussageabsicht unter mehreren Diagrammtypen aus. Wie die übrigen Grafiken zeichnet man die Diagramme entweder konventionell von Hand oder per Computerprogramm, wofür es in den verschiedenen Anwendungen (beispielsweise Winword, PowerPoint u. a.) entsprechende Optionen gibt. Ihre Handhabung ist meist recht unproblematisch: Man trägt die Einzelwerte in eine Tabelle ein, wählt den gewünschten Diagrammtyp an und lässt das Programm die grafische Umsetzung ausführen. Zudem kann man nacheinander verschiedene Darstellungstypen ausprobieren und ihre Gesamtoptik vergleichen. Manche dieser Diagrammoptionen verführen allerdings zu einer gewissen barocken Fülle der Darstellungen, welche die beabsichtigte Klarheit der Botschaft nicht immer unterstützt. Der zur Veranschaulichung in Naturwissenschaften und Technik am häufigsten verwendete Diagrammtyp ist das Kartesianische Koordinatensystem: Es weist jeweils eine y-Achse (Ordinate, senkrecht) und eine x-Achse (Abszisse, waagerecht) auf. Beide Achsen sind numerisch mit kontinuierlichen Zahlenintervallen eingerichtet. Folgen von Wertepaaren, auch Datenreihen genannt, erzeugen im Koordinatensystem eine charakteristische Kurve. Daher nennt man diesen Darstellungstyp auch Kurvendiagramm. Er zeigt beispielsweise konzentrationsabhängige Prozesse (Dosis-Effekt-Kurve) oder zeitabhängige Verläufe (Kinetik) gemessener Parameter. Beim Eintragen zahlreicher Wertepaare mit größerer Schwankungsbreite ergeben sich fallweise „Messpunktwolken“ (Cluster) und damit Punkte- oder Scatterdiagramme. Balken- oder Säulendiagramme sind meist nur in der y-Achse numerisch skaliert, während die x-Achse mehrere Probengruppen als diskrete Parameter nebeneinander stellt. Wertepaare erzeugen in diesem Diagrammtyp Balken oder Säulen und erleichtern damit den Direktvergleich. Manche Anwendungen unterscheiden zwischen Balkendiagrammen mit horizontalen und Säulendiagrammen mit senkrechten Rechtecken. Anstelle der Balken lassen sich die Funktionswerte auch als gestaffelte Wände oder Flächen darstellen. Verbindet man die Funktionswerte eines Balkendiagramms ohne Zwischenräume auf der x-Achse miteinander, erhält man ein Histogramm, früher auch Treppenpolygon genannt. Bei der formalen Gestaltung eines Diagramms berücksichtigt man die folgenden technischen Hinweise und Standards (vgl. Abb. 5-1): • Im kartesianischen oder Kurvendiagramm trägt man die unabhängige Veränderliche auf der x-Achse, die abhängige Veränderliche auf der y-Achse ein. Beide Achsen werden mit der jeweils gewählten Größe und ihrer Einheit beschriftet. Auch im Balkendiagramm stellt die y-Achse die abhängige Veränderliche dar.

66

•

5 Protokollieren und Dokumentieren

Die Skalierung der x- und y-Achse wird als Achsenteilung durch Teilungsstriche eingetragen, die nach außen (x-Achse: nach unten, y-Achse: nach links) oder innen (x-Achse: nach oben, y-Achse: nach rechts) weisen können. Sie stellen eigentlich die Reste von Netzlinien dar, die man zur genauen Eintragung der Messpunkte benötigt. Auf Millimeterpapier sind sie noch in voller Länge durchgezogen. Y-Achsenbezeichnung mit Einheit

Rahmen Netzlinien

Kurvenbezeichnung

berechnete Kurve graphisch gemittelte Kurve Zahlenwert Hilfsteilung

Nullpunkt

Zahlenwerte

Datenpunkt

x-Achsenbezeichnung mit Einheit

Abb. 5-1. Notwendige Elemente eines Kurvendiagramms im kartesianischen Koordinatensystem

• •

•

Nicht alle Teilstriche erhalten eine eigene Linie – die Ausführung größerer Intervalllinien genügt vollends, beispielsweise die Kennzeichnung von 5er-, 10er- oder 20er-Schritten. Für die Netz-, Achsen- und Kurvenlinien wählt man eine angemessene Strichstärke (Linienbreite). Optimal ist ein Maßverhältnis von Netz zu Achse zu Kurve wie 1 : 2 : 4. Keineswegs dürfen alle Linien in der gleichen Stärke ausgeführt werden. Die Achsenkreuzeinteilung nimmt man logarithmisch vor, wenn ein sehr großer Wertebereich darzustellen ist. Beim Vergleich von Datenreihen mit sehr unterschiedlicher Skalierung (z. B. Datenreihe A in mg/mol und Datenreihe B in kg m–2) kann man auch zwei deutlich gekennzeichnete y-Achsen nebeneinander stellen.

5.2 Grafiken

•

•

•

• •

•

67

Die Achsenteilung richtet sich jeweils nach dem größten Einzeldatenwert. Beträgt der höchste Einzelwert beispielsweise 62 °C, lässt man die betreffende Achse sinnvollerweise bei der Markierung 70 °C enden und nicht erst bei 100 °C, womit man eine Menge Leerraum spart. Wird für eine vergleichene Darstellung etwa nur das Werteintervall 35–70 °C benötigt, kann man die Achsenteilung (deutlich!) unterbrochen darstellen und die Skalierung erst mit 30 °C beginnen lassen. Den Achsenschnittpunkt markiert man – auch im Fall einer Achsenunterbrechung – immer deutlich mit Null. Sind Achsenabschnitte mit negativen Werten darzustellen, beispielsweise beim Lineweaver-BurkDiagramm zur Bestimmung der KM-Werte von Enzymen, wird das Koordinatensystem tatsächlich zum Achsenkreuz. Die Achsenteilung im negativen Bereich wird mit negativem Vorzeichen markiert. Die Kurvenpunkte bzw. Einzelwerte markiert man mit Symbolen, gegebenenfalls auch mit der Standardabweichung der jeweiligen Messwerte, und grundsätzlich so, dass die genaue Lage des Messpunktes und der etwaigen Standardabweichungen erkennbar ist. Als Symbole bestens geeignet sind Kreis ({,z), Quadrat (…, „) oder Raute (◊,‹), offen oder gefüllt, nach Endvergrößerung in der Größe des Kleinbuchstabens o der verwendeten Schrift. Weniger geeignet, weil nach etwaiger Verkleinerung nicht mehr klar unterscheidbar, sind Kreuz (× oder +), Stern (“) oder sonstige Symbolangebote aus der Spielzeugkiste eines Schriftfonts (beispielsweise Windings). Die Kurvenunterscheidung durch verschiedene Messpunktsymbole ist wesentlich besser und lesefreundlicher als durch mehrere nebeneinander verlaufende oder sich überschneidende Linientypen (dickere/dünnere, gestrichelte, gepunktete Linien). Enthält ein Kurvendiagramm mehrere Kurven, kennzeichnet man jede mit dem ihr zugewiesenen Parameter, beispielsweise mit einem Buchstaben oder einer Verweisziffer für die Bildlegende. Ein Diagramm sollte zur Vermeidung von Linienchaos mit „Sauerkrauteffekten“ nicht mehr als vier Einzelkurven aufweisen. Zusätzlich mitzuteilende Befunde oder Ergebnisserien sind dann Gegenstand einer eigenen Grafik. Die per Computer leicht durchführbare 3-D-Darstellung von Kurven-, Balken- oder Kreisdiagrammen ist möglicherweise ein grafischer oder besonderer Layout-Gag, aber meist kein informativer Zugewinn. Einzelwerte sind durch die perspektivischen Verschiefungen wesentlich schlechter abzulesen und zu vergleichen. Räumliche Darstellungen sind weniger rasch zu erfassen als zweidimensional flächige Graphen.

68

•

5 Protokollieren und Dokumentieren

Enthält ein Labor- oder Forschungsbericht mehrere Diagramme, behält man das einmal gewählte Basislayout einheitlich im gesamten Dokument bei.

5.3 Tabellen Ebenso wie Abbildungen sind auch Tabellen besondere Hilfen zur umfangsökonomischen Mitteilung stark verdichteter Information. Mit einer gut gestalteten Tabelle lassen sich lange, aufzählende und eventuell sogar wiederholende Textpassagen vermeiden. Während Grafiken überwiegend mit bildlichen Mitteln arbeiten, bestehen Tabellen aus übersichtlichen Anordnungen verbaler oder numerischer Teile. Unüblich ist jedoch die doppelte Dokumentation identischer Inhalte in einer Abbildung und gleichzeitig in einer Tabelle. Vergleichbar einem kartesianischen Koordinatensystem sieht auch die übliche Tabellenlogik feste Bezugsachsen vor. Jede Eintragung in die Tabelle ist somit durch zwei Ortskoordinaten festgelegt. Die horizontalen Mitteilungsfelder nennt man Tabellenzeilen, die vertikalen Felder Tabellenspalten oder -kolonnen. Die von den einzelnen Zeilen und Spalten definierten Tabellenfächer mit ihren jeweiligen Werte- bzw. Begriffspaaren bezeichnet man auch als Zellen (Abb. 5-2). Tabellen behandelt man schreibtechnisch wie einen normalen Textsatz. Für die Tabellenerstellung wählt man jedoch nicht die Tabellatorfunktion, sondern formatiert sie mit der Menüoption Tabelle aus dem verwendeten Textverarbeitungsprogramm, die hinsichtlich der benötigten Gestaltungsmöglichkeiten bei weitem überlegen ist. Einer in den Text integrierten Tabelle stellt man jeweils eine eigene Tabellenüberschrift voran. Sie besteht aus der innerhalb des Dokuments nur einmal vergebenen Tabellennummer und der Tabellenlegende, die den Tabelleninhalt per Titelzeile ankündigt. Der Tabellenkopf ist gleichsam die Abszisse einer Tabelle: Die oberste Zeile bezeichnet in prägnanter Form die verbalen oder numerischen Inhalte der einzelnen Spalten. Um sie optisch aus der übrigen Zeilenfolge herauszuheben, setzt man sie gewöhnlich zwischen zwei durchgezogene Linien (oben Kopflinie, als Grenze zum Tabellenfeld Halslinie) oder hebt sie durch eine auffällige Hintergrundeinfärbung hervor (vgl. die Beispiele in diesem Buch). Die am weitesten links stehende Spalte einer Tabelle entspricht der y-Achse eines Koordinatensystems. Sie liefert demnach die Ordinatenposition für die einzelnen Tabellenfelder. Je nach Tabelleninhalt kann man auch die Leitspalte in thematisch zusammengehörende Zeilengruppen und

5.3 Tabellen

69

übergeordnete Adressen gliedern (Verschachtelung). Ansonsten sind beide Leserichtungen, die in Spalten- und die in Zeilenrichtung, innerhalb der Tabelle gleichwertig. Welche Größen man in die Spalten und welche in die Zeilen verpackt, lässt sich nicht grundsätzlich festlegen – schmale, hohe Tabellen sehen ebenso ungünstig aus wie kurze breite. Innerhalb des normalen Satzspiegels sollte man höchstens fünf bis sieben Spalten nebeneinander anordnen. Reicht das nicht aus, sollte man dafür entscheiden, den gesamten Tabelleninhalt zu reorganisieren und die mitzuteilende Information auf zwei kleinere, thematisch getrennte und damit vermutlich instruktiver erscheinende Tabellen zu verteilen. Tabellenkopf

verschachtelte Spalten

einfache Spalte

Kopfleiste Halsleiste Zeile Zeilengruppe Rahmenleiste Fußleiste

Tabellenfußnote

Tabellenfach (Zelle)

Tabellenfeld

Abb. 5-2. Elemente eines übersichtlichen Tabellenlayouts

Die folgenden Hinweise helfen bei der Tabellengestaltung: • • •

Im gleichen Dokument wählt man möglichst ein einheitliches Tabellenlayout. Jede im Dokument verwendete Tabelle erhält eine eigene Nummer und eine eigene Legende, die kurz den Tabelleninhalt ankündigt oder erläutert (vgl. Beispiele in diesem Buch). Einheiten und Einheitensymbole tauchen jeweils nur im Tabellenkopf auf, möglichst nicht in den einzelnen Zellen. Diese enthalten immer nur die mitzuteilenden Zahlenwerte.

70

•

•

•

5 Protokollieren und Dokumentieren

Tabellenfächer (Tabellenzellen) zäunt man nicht unnötig durch Linien zwischen allen Spalten und Linien ein. Ein genügender vertikaler Abstandsstreifen zwischen den Eintragungen lässt die einzelnen Spalten auch ohne starre Fenstervergitterung klar genug unterscheiden. Ein variabler Zeilenabstand ist ein weiteres Gestaltungsmittel für eine verbesserte Lesbarkeit. Eine gut gestaltete Tabelle bildet Leseeinheiten durch die bloße Anordnung und nicht durch Linien. Zahlenkolonnen ordnet man in den Tabellenspalten so an, dass die jeweiligen Dezimalstellen exakt untereinanderstehen (vgl. Kapitel 4). Nur so kann man auf den ersten Blick feststellen, ob die Tabelle größere mit sehr kleinen Zahlen vergleicht. Während erläuternde und vom eigentlichen Textfluss unnötig ablenkende Fußnoten gewöhnlich kein brauchbares Textelement sind, können Tabellenfußnoten fall- und eher ausnahmsweise sinnvoll sein, beispielsweise um etwaige einzelne (!) Leerfelder zu erklären (Daten nicht verfügbar, Aussage nicht sinnvoll, Einzelwerte geschätzt oder analoge Angaben).

6

Stoffe wägen

Zum quantitativen Arbeiten im Labor gehört das genaue Abmessen von Massen – sicherlich keine der besonders schwierigen Aufgaben, aber ein Tätigkeitsbereich, den man kompetent erledigen muss. Das Abmessen oder Bestimmen der Masse einer Substanz bezeichnet man generell als Wägung, den Vorgang der Wägung auch als Abwiegen. Die verbindliche SI-Einheit der Masse ist das Kilogramm (kg; vgl. Kapitel 4). Die Schwerkraft (Gravitation) der Erde zieht jede Masse in Richtung zum Erdmittelpunkt an. Dadurch übt ein Körper auf seine Unterlage oder seinen Aufhängungspunkt eine Kraft aus, die man als Gewichtskraft bezeichnet. Sie wird in der Einheit Newton (N) abgegeben. Um eine Masse von 1 kg anzuheben, muss man eine Kraft von 9,81 N aufwenden. Die Schwer- bzw. Gewichtskraft ist wegen der Geoidgestalt der Erde allerdings breitenabhängig. Sie beträgt an den Polen 9,84 N und am Äquator 9,78 N. Der oben angegebene Wert von 9,81 N gilt demnach nur für mittlere Breiten. Lastarm

Last

Drehpunkt Kraftarm

Kraft

Abb. 6-1. Funktionsschema einer Balken- oder Hebelwaage

Bei einer Wägung vergleicht die unbekannte Masse eines Körpers mit einer genau bekannten Masse beispielsweise mithilfe einer Balken- oder Hebelwaage. Die unbekannte Masse gilt als bestimmt, wenn sich nach dem Hebelgesetz der Last- und der Kraftarm im Gleichgewicht befinden und die Drehmomente auf beiden Seiten gleich groß sind (Abb. 6-1). Nach diesem Prinzip des Masse-Masse-Vergleichs arbeiten die meisten mechanischen

72

6 Stoffe wägen

Laborwaagen. Ein anderes Wägeprinzip ist der Masse-Kraft-Vergleich, bei dem eine unbekannte Masse zu einer bekannten Kraft in Beziehung gesetzt wird, wie sie beispielsweise die Feder einer Federwaage ausübt. Dieses Prinzip wird in den meisten elektronischen Waagen angewendet; die technisch simple Federkraft wird hier allerdings durch die Kraftwirkung eines Elektromagneten ersetzt. Je nach Anforderung an die Masse des Wägegutes und die Genauigkeit der Wägung unterscheidet man rein praktisch im Laborbetrieb die folgenden Waagetypen (Tabelle 6-1): Tabelle 6-1. Unterscheidung laborüblicher Waagetypen Gerätetyp

Ablesbarkeit

Maximaler Wägebereich (Höchstbelastbarkeit)

Präzisionswaage

bis 1 mg

1000–20 000 g

Analysenwaage

bis 0,01 mg

100–1000 g

Mikrowaage

bis 0,001 mg

0,002–30 g

Bei einer Wägung sollte die Ablesbarkeit weniger als 1% des Nettostoffgewichtes betragen, um innerhalb einer vertretbaren Fehlertoleranz zu bleiben. Wenn für einen Versuch 150 mg Substanz benötigt werden und die kleinste zuverlässig ablesbare Massendifferenz auf der vorhandenen Analysenwaage 0,01 mg beträgt, liegt die Fehlertoleranz bei weniger als 0,1% – die Wägung ist also hinreichend genau. Alle im Labor verwendeten Waagetypen sind teure und sensible Instrumente. Daher gibt man die abzuwägende Substanz niemals direkt auf die Waagschale, sondern verwendet grundsätzlich ein Wägehilfsmittel. Beim analytischen Abwiegen von Feststoffen (Pulversubstanzen) benutzt man ein glattes, an den Rändern aufgefaltetes Wägepapier oder ein spezielles Wägeschiffchen, das aus verschiedenem Material bestehen kann. Flüssigkeiten (Lösemittel) werden dagegen direkt in Laborgefäßen (Becherglas, Erlenmeyerkolben, Messkolben) eingewogen. Für hygroskopische oder flüchtige Feststoffe verwendet man besondere Wägegläschen mit eingeschliffenem Deckel. Flüchtige oder hygroskopische Flüssigkeiten werden in Einwegspritzen abgewogen. Bei sehr kleinen abzuwiegenden Mengen (so genanntes analytisches Wägen) wiegt man die Substanz direkt in demjenigen Gefäß ab, in dem sie anschließend verwendet werden soll. Die abzuwiegende Substanz muss beim analytischen Wägen die gleiche Temperatur wie die Waage haben. Pulverförmige Chemikalien entnimmt man aus dem Vorratsgefäß entweder durch leichtes Klopfen oder – vor allem bei kleineren Mengen

6 Stoffe wägen

73

mithilfe eines passend dimensionierten Utensils vom Typ Wägeschaufel, Spatellöffel oder Mikrospatel. Die etwas antiquiert erscheinenden Balkenwaagen, mitunter auch Apothekerwaagen genannt, stehen in ihrer Genauigkeit einer elektronischen Analysen- oder Mikrowaage kaum nach. Beim Abwiegen mit einem solchen Waagentyp werden auf der Kraftseite der Balkenwaage feine Gewichtsstücke aus einem geeichten Gewichtssatz aufgelegt. Diese bedürfen einer besonders sorgfältigen Behandlung und werden grundsätzlich nur mit einer Pinzette angefasst bzw. transferiert. Wägungen führt man sinnvollerweise an einem zugfreien Ort aus. Bereits geringe Luftströmungen können an einer Waagschale soviel Auftrieb erzeugen, dass das Wägeergebnis grob verfälscht wird. Für analytisches Arbeiten sollten die vorgesehenen Analysen- bzw. Mikrowaagen in einem eigens abgetrennten Teilraum des Labors aufgestellt werden. Bei modernen Mikrowaagen ist der Bereich der Waagschale zusätzlich durch seitliche Schiebefenster vor störenden Luftbewegungen gesichert. Für eine kompetent durchgeführte Wägung wird folgendes Vorgehen empfohlen: 1. Bei der Wägung von Pulverchemikalien ist vorab zu klären, ob man einen Mundschutz tragen sollte. Vor allem feinpulverige Substanzen verstäuben trotz vorsichtigen Arbeitens und gelangen eventuell in die Atemwege. Kritische Vorsicht ist vor allem beim Umgang mit toxischen Substanzen gefragt. 2. Nach dem Einschalten wird die Waage mit dem Wägepapier oder dem vorgesehenen Wägegefäß tariert. Bei modernen Laborwaagen jeglicher Genauigkeitsklasse genügt dabei die Betätigung einer besonderen „Tara“-Taste. Bei manchen älteren Waagemodellen ist eine automatische Tarierung nicht möglich. In diesem Fall wiegt man zunächst das leere Wägegefäß, notiert dessen Gewicht, addiert das benötigte Substanzgewicht zum Gefäßgewicht und gibt die benötigte Menge bis zum errechneten Gesamtgewicht hinzu. 3. Sobald die benötigte Substanzmenge abgewogen ist, wird das Wägegut sofort in das bereitstehende Aufnahmegefäß umgefüllt – soweit dieses nicht Bestandteil der Wägeprozedur ist. Jedes mit Wägegut befüllte Gefäß wird sofort beschriftet – mit Filzstift, genügend haftfestem Klebezettel oder beschriftungsfähigem Klebeband. So lässt sich vor allem beim Abwiegen verschiedener Substanzen, die man für einen komplexeren Reaktionsansatz benötigt, das drohende Durcheinander oder eine Substanzverwechslung wirksam vermeiden. 4. Jedes mit abgemessenem Wägegut beschickte Gefäß wird sofort mit einem Stopfen oder zumindest mit Folie (Parafilm o.ä.) verschlossen.

74

6 Stoffe wägen

5. Die Vorratspackung, aus der das Wägegut entnommen wurde, muss sofort nach Abschluss der Wägung sorgfältig verschlossen werden, damit keine Fremdsubstanzen hineingeraten können. 6. Nach der Wägung wird die Waage abgeschaltet – sie befindet sich jetzt wieder im arretierten Zustand und kann nun erforderlichenfalls auch gesäubert werden: Vor allem beim Abwiegen größerer Mengen Pulverchemikalien können kleine Mengen neben der Waagschale landen und sich dort in Verbindung mit dem Feuchtegehalt der Luft eventuell zu aggressiven bzw. korrosiven Gemischen entwickeln. Neben der Waage sollte daher immer ein kleiner Reinigungspinsel für Waagschale oder andere Oberflächen der Waage liegen. 7. Für die weitere Verwendung werden die abgewogenen Pulverchemikalien gewöhnlich in Wasser aufgelöst. Die unterschiedlichen Stoffmengenkonzentrationen, die man erreichen möchte, werden in Kapitel 13 behandelt. Zum Lösen schüttelt man die entsprechenden Laborgefäße nicht nach Barkeepermanier durch, sondern gibt einen Rührfisch (mit Teflon oder anderem beständigem Kunststoff ummantelt) in das Gefäß und stellt dieses zum Auflösen des Wägegutes auf einen Magnetrührer. Vorsicht: Manche Magnetrührer sind beheizbar! Niemals ein Laborgefäß aus Kunststoff auf einen Magnetrührer stellen, dessen Heizung versehentlich eingeschaltet wurde.

7

Volumina bemessen

Eine bestimmte Flüssigkeits- oder auch Gasmenge genau abzumessen, gehört zu den häufigsten Aufgaben beim praktischen Arbeiten im Labor. Mal mag es sich um die definierte Menge einer Lösung von vorgegebener Stoffmengenkonzentration (vgl. Kapitel 12) handeln, die möglichst exakt bemessen sein soll, mal sind es auch genau einzuhaltende Volumina von Lösungen mit Reaktanden, die bei einem Experiment zu einem bestimmten Effekt führen sollen. Beim Umgang mit Flüssigkeiten bzw. Lösungen spielen neben dem Aspekt der größtmöglichen Genauigkeit der einzusetzenden Volumina auch die besonderen Belange der Laborsicherheit eine Rolle (vgl. Kapitel 1). Das heute gültige Maß für Volumina ist der Liter – 1793 entstanden aus dem vorrevolutionären französischen Raummaß le litron. Die Einheit ist im modernen SI-Einheitensystem definiert als dasjenige Volumen, welches 1 kg reines Wasser unter Normaldruck (1013,25 hPa) und bei der Temperatur seiner größten Dichte (3,98 °C) einnimmt. Eine Masse von 1 kg Wasser nimmt unter diesen Voraussetzungen jedoch 1,000028 Kubikdezimeter (dm3) ein, und 1 dm3 Wasser sind 0,999 975 kg. Die geringfügige Zahlendiskrepanz zwischen Liter und Kubikdezimeter erkannte man erst 1875. Seit 1964 ist jedoch international ausdrücklich vereinbart, die Ungenauigkeit von etwa 1 : 36 000 zu vernachlässigen und die direkte Entsprechung 1 L  1 kg Wasser zuzulassen. Im SI-Einheitensystem gehört die Dimension (Größe) Volumen mit dem Dimensionssymbol (Symbol der Größe) V zu den abgeleiteten Größen, da man die Einheit Liter mit der Basiseinheit Länge ausdrücken kann: 1 L entspricht dem Volumen eines Würfels mit der Kantenlänge 1 dm (10 cm) und ist eben 1 dm3. In der Laborpraxis gilt, dass man das Volumen in Teilen oder Vielfachen von L oder den zahlengleichen dm3 ausdrücken kann. Demnach gelten unter anderem die folgenden Bezeichnungen: 1 Mikroliter = 1 μL = 1 mm3 = 10–6 L 1 Milliliter = 1 mL = 1cm3 = 10–3 L 1 Zentiliter = 1 cL = 10 cm3 = 0,01 L 1 Deziliter = 1 dL = 100 cm3 = 0,1 L 1 Hektoliter = 1 hL = 100 dm3 = 100 L 1 Kiloliter = 1 kL =1 m3 = 1000 L

76

7 Volumina bemessen

Diese Praxis betrifft auch alle übrigen Anwendungsbereiche. Die früher verbreiteten Benennungen bzw. Schreibweisen λ für μL, ccm für cm3 oder cbm für m3 gelten als veraltet und sind nicht mehr zulässig. Sie tauchen im (älteren) Schrifttum aber dennoch gelegentlich auf. Eine gewisse Diskrepanz besteht allerdings hinsichtlich des grammatischen Geschlechts der Maßeinheit Liter und in der Schreibweise des zugehörigen Einheitenzeichens. Im wissenschaftlichen Bereich hat sich das Maskulinum der Liter durchgesetzt, obwohl Rechtschreibelexika ebenso wie DIN 1301/I das Liter festsetzen. Nach einer IUPAC-Empfehlung soll das Einheitenzeichen mit dem Großbuchstaben L geschrieben werden statt des Kleinbuchstabens l, der in manchen Typographien zu Verwechslungen mit der Ziffer 1 führen kann. Dieses Buch folgt der L-Schreibung und der maskulinen Benennung. 7.1 Laborgeräte zur Volumenmessung Typische und generell eingesetzte Laborgeräte zur genauen Volumenmessung von Flüssigkeiten sind Pipetten, Büretten, Messkolben und Messzylinder. Daneben sind noch einige Spezialgeräte wie Pyknometer, Dispenser u.a. in Gebrauch. Die Genauigkeit dieser Hilfsmittel hängt von ihrem Ablesedurchmesser ab. Darunter versteht man den Durchmesser der Flüssigkeitssäule im Bereich der außen auf dem Gefäß angebrachten Strichmarken. Je kleiner der Ablesedurchmesser ist, desto exakter lässt sich ein bestimmtes Volumen an den Skalen ablesen. Bei Pipetten bewegen sich die Skalenteile im Millimeterbereich. Dagegen liegen bei Messkolben und -zylindern die Ablesedurchmesser im Bereich von wenigen Zentimetern. Mitunter werden herstellerseitig auch Bechergläser, Erlenmeyerkolben und Tropftrichter mit volumetrischen Strichmarken versehen. Wegen der generell zu großen Ablesedurchmesser geben diese Skalen allenfalls ungefähre Richtwerte an und können eine exakte Volumenbestimmung nicht ersetzen. Bei den Volumenmessgefäßen unterscheidet man grundsätzlich zwei verschiedene Typen: • In den auf Einlauf geeichten und mit der Kennzeichnung „In“ versehenen Geräten befindet sich bei exakter Füllung bis zur Eichmarke das angegebene Volumen. Zu diesem Gerätetyp gehören Messkolben und Messzylinder. Weil Flüssigkeiten – und zumal Wasser oder wässrige Lösungen – aufgrund der Kapillarkräfte jedoch die Gefäßwände benetzen, lässt sich das angegebene Volumen nicht ganz genau entnehmen. Bei Messzylindern, die man in der Praxis häufig als Ausgussgefäß verwendet, obwohl sie auf „In“ geeicht sind, können dadurch Messfehler bis etwa 3% entstehen.

7.1 Laborgeräte zur Volumenmessung

77

• Bei Messgefäßen, die auf Auslauf geeicht sind und die deswegen die Kennzeichnung „Ex“ tragen, läuft bei korrekter Handhabung das angegebene Volumen heraus. Zu diesem Gerätetyp gehören die verschiedenen Pipettentypen. Aus konstruktiven Gründen verbleibt nach der Entnahme eines bestimmten Volumens eine gewisse Restflüssgkeit in der Pipettenspitze. Diesen Rest darf man auf keinen Fall durch Ausblasen dem abgemessenen Volumen zugeben. Eine Folge der Adhäsion des Wassers an das Glas ist seine Kapillarität, die es in engen Gefäßen aufsteigen lässt. Der seitliche Blick auf eine mit Wasser gefüllte Pipette zeigt, dass der Spiegel der Wasserfüllung randlich nach oben gebogen ist (Abb. 7-1) – er bildet einen liegenden, nach oben offenen Halbmond und heißt deswegen auch Meniskus (griechisch menískos = kleiner Mond). Die Wassermoleküle entwickeln hier eine Vielzahl inniger und haftungssteigernder Wasserstoffbrücken zu bestimmten Molekülgruppen des Werkstoffes Glas. Der Meniskus zeigt übrigens, dass die Adhäsionskräfte betragsmäßig viel größer sind als die der Flüssigkeit innewohnenden Kohäsionskräfte.

konkaver Meniskus: Ablesung unten

konvexer Meniskus: Ablesung oben

Abb. 7-1. Konvention zum Ablesen eines Meniskus

Für die Ablesegenauigkeit einer Pipettenfüllung gilt die folgende Konvention: • Bei wasserklaren oder durchsichtigen wässrigen Lösungen nimmt man immer nur die Basislinie des Meniskus – also die tiefste Stelle in der Mitte. • Bei undurchsichtigen wässrigen Lösungen oder nicht benetzenden Flüssigkeiten (z.B. Quecksilber) wird jeweils die höchste obere Flüssigkeitswölbung abgelesen.

78

7 Volumina bemessen

7.2 Gefäßkennzeichnung Die laborüblichen Volumenmessgefäße werden von jedem Hersteller nach festgelegten DIN-/EN- bzw. ISO-Normen justiert. Die betreffenden Kenndaten sind jeweils auf den Gefäßen vermerkt. Eine genaue Volumenmessung ist konsequenterweise nur möglich, wenn die angegebenen Justierbedingungen eingehalten werden. Folgende Angaben sind üblicherweise auf dem Gefäß aufgedruckt oder in das Glas eingeschmolzen: • Qualitätsklassenzeichen A, AS oder B Gefäße der Qualitätsklasse A weichen im Allgemeinen um weniger als 0,2% vom angegebenen Volumen ab. In der Qualitätsklasse AS gelten die gleichen Genauigkeiten, jedoch sind die betreffenden Gefäße für schnelleren Auslauf konstruiert. Gefäße der Klassen A und AS werden generell beim analytischen Arbeiten eingesetzt. In der Qualitätklasse B ist der Messfehler meist größer als 0,2%. Gefäße der B-Klasse werden gewöhnlich nur beim präparativen Arbeiten eingesetzt. • Einlauf- oder Auslaufgefäße Die Gefäße tragen die Angabe „In“ oder „Ex“. Diese Hinweise bedeuten In: Das Gefäß ist auf Einlauf justiert – die angegebene Menge befindet sich bei richtiger Befüllung im Gefäß. Ex: Das Gefäß ist auf Auslauf justiert. Im Gefäß befindet sich etwas mehr als die angegebene Menge, damit das gewünschte Volumen exakt zu entnehmen ist. Bei AS-Gefäßen ist meist zusätzlich die empfohlene Wartezeit vermerkt – vor dem Ablesen muss man die angegebene Auslaufzeit abwarten, beispielsweise Ex + 15 s. Moderne Gefäße sind auf relativ kurze Wartezeiten von 15 s oder weniger eingerichtet. • Nenninhalt und Skalenteilung In der Gefäßbeschriftung ist der messbare Inhalt angegeben sowie zusätzlich, wie die Skala unterteilt ist. Die Angabe 50/0,1 bedeutet also, dass das Nennvolumen 50 mL beträgt und die Skala in Schritte zu je 0,1 mL unterteilt ist. • Maßeinheit und Justiertemperatur Die verwendete Maßeinheit wird gewöhnlich in Milliliter und mit dem Einheitenzeichen mL angegeben. Die Genauigkeit des Messgefäßes be-

7.2 Gefäßkennzeichnung

79

zieht sich gewöhnlich auf 20 °C, da Volumina bekanntermaßen temperaturabhängig sind. • Fehlergrenze Sicherheitshalber ist der Gefäßbeschriftung auch die Fehlertoleranz zu entnehmen.

50 mL

Nennvolumen Farbcode Einheitenzeichen Ringmarke (Eichmarke)

10

Nennvolumen

0,10

Farbcode

ABC DIN A Ex 15 s 20°C ±0,01

[ABC] DIN AS Ex-15 s 20 °C 25 mL ±0,03 mL

Hersteller

mL

Genauigkeitsklasse Zeichen für Auslauf und Wartezeit Justiertemperatur Nennvolumen Einheitenzeichen Fehlergrenze

Skalenteilung Hersteller Genauigkeitsklasse Zeichen für Auslauf und Wartezeit Justiertemperatur Fehlergrenze Einheitenzeichen

0 1 2

8 9

Abb. 7-2. Kenndaten auf einer 25-mL-Vollpipette (links) und einer 10-mL-Messpipette (rechts)

Alle Angaben beziehen sich jeweils auf Wasser als Lösemittel. Die Toleranzen (Fehlergrenzen) stimmen daher nur, wenn hinsichtlich Viskosität, Dichte und Benetzungsverhalten ähnliche Lösungen abgemessen werden.

80

7 Volumina bemessen

Die benannten Kenndaten können herstellerabhängig verschieden angeordnet, müssen aber immer komplett vorhanden sein (vgl. Abb. 7-2). Typ 1

Typ 2

Typ 3

teilweiser Ablauf

völliger Ablauf

völliger Ablauf

Nullpunkt oben

0

10

benötigtes Volumen Vt aufziehen und ablaufen lassen

benötigtes Volumen Vt

Nennvolumen unten ablesbar

Nennvolumen oben

10

Nullpunkt oben

benötigtes Volumen V t

1

Nullpunkt in der Spitze

0

9

Nennvolumen in der Spitze

Abb. 7-3. Aufzieh- und Ablaufunterschiede bei Messpipetten der konventionellen Typen 1 und 3 und des neuen Typs 2

Für Messpipetten der Klasse AS beschrieb die bisherige Norm DIN 12 697 zwei verschiedene Typen: Typ 1 sind Pipetten mit teilweisem Ablauf, Typ 3 sind solche mit völligem Ablauf. Bei beiden Typen ist eine Ablaufzeit von 15 s einzuhalten, und der Meniskus muss beim Arbeiten zwei Mal eingestellt werden. Nach der neuen Norm DIN EN ISO 835 gibt es in der Klasse AS jetzt auch den Pipetten-Typ 2 mit völligem Ablauf, wobei das Nennvolumen jedoch oben liegt und der Nullpunkt in der Pipettenspitze. Bei diesen Pipetten wird der Meniskus nur noch ein Mal eingestellt, und die Ablaufzeit nach der Flüssigkeitsabgabe verkürzt sich nunmehr auf 5 s (Abb. 7-3).

7.3 Mit Pipetten kompetent umgehen

81

7.3 Mit Pipetten kompetent umgehen Grundsätzlich dürfen Pipetten aus Sicherheitsgründen immer nur mit einer Pipettierhilfe befüllt werden und nicht durch Ansaugen mit dem Mund, auch wenn keine toxische oder sonstwie problematische Lösung abzumessen ist. Als Aufziehhilfe stehen verschiedene Pipettierhilfsgeräte zur Verfügung, soweit an der Pipette kein gläserner Aufziehkolben angebracht ist. A-Ventil zum Entleeren des Balles

A

S-Ventil (Ansaugen) E-Ventil (Entleeren)

S E

Aufnahme für Pipettenhals

Abb. 7-4. Peleus-Ball als aufsteckbare Pipettierhilfe

Außer dem in Abb. 7-4 dargestellten Peleus-Ball aus Gummi bietet der Fachhandel eine Reihe alternativer Pipettierhilfe-Typen an, darunter beispielsweise den Howorka-Ball oder die Brand-Saughilfe. Die Farbcodes für die Nennvolumina von Pipetten sind nach DIN 12 621 festgelegt (vgl. Tabelle 19-15 im Anhang). Bei der Auswahl der richtigen Pipette verlässt man sich nicht ausschließlich auf den Farbcode am Pipettenhals, sondern überprüft immer auch das Nennvolumen. Der Farbcode dient ohnehin eher als Orientierungshilfe beim Einsortieren größerer Mengen gespülter Pipetten. Beim richtigen Pipettieren geht man nun folgendermaßen vor: 1. Bevor man eine Voll- oder Messpipette einsetzt, überprüft man sie auf Sauberkeit und eine intakte Spitze. Eine beschädigte Pipettenspitze führt erfahrungsgemäß zu groben Pipettierfehlern.

82

7 Volumina bemessen

m l

Augenhöhe

Abb. 7-5. Richtiges Halten einer Pipette beim Entleeren

2. Grundsätzlich verwendet man nur Pipetten mit einwandfrei ablesbarer Skalierung. Im Labor finden sich oft auch solche Pipetten, deren Skalen durch langen und häufigen Gebrauch verblasst oder gänzlich unleserlich sind. Diese sollte man unbedingt aussortieren. 3. Die abzumessende Flüssigkeitsmenge muss in einem vernünftigen Verhältnis zur Kalibrierung des verwendeten Messgefäßes stehen. Die benötigte Menge von 0,2 mL eines bestimmten Reagenz lässt sich nicht mit hinreichender Genauigkeit mithilfe einer 5- oder gar 10-mL-Pipette abmessen. Das Messgefäß der Wahl wäre in diesem Fall eine 0,5-mL-Pipette. Die zu pipettierende Flüssigkeit wird bei Pipetten des Typs 1 und 3 etwa 1 cm über die 0-Marke aufgesogen und der Meniskus dann durch Ablaufen exakt auf den Skalenbeginn eingestellt. Bei Pipetten des neuen Typs 2 stellt man den Meniskus gleich auf das benötige Volumen Vt ein (vgl. Abb. 7-3). 4. Beim Ablesen der Flüssigkeitsmenge hält man die Pipette zur Vermeidung von Ablesefehlern (so genannte Parallaxenfehler) immer so, dass sich der Meniskus in Augenhöhe befindet (Abb. 7-5). 5. Beim Aufsaugen darf die Pipettenspitze nicht den Boden des Vorratsgefäßes berühren, sollte aber tief genug eintauchen, damit keine Luftblasen in das Messgut geraten. 6. Nach der Entnahme der Füllmenge aus dem Vorrat wischt man die Pipette von außen gegebenenfalls mit einem saugfähigen Papier vorsichtig ab. Dabei darf keine Flüssigkeit aus der Pipette kapillar in das Reinigungsmaterial gelangen.

7.3 Mit Pipetten kompetent umgehen

83

7. Eine gefüllte Pipette darf man nicht horizontal auf dem Labortisch ablegen oder anderswo zwischenlagern. Die enthaltene Flüssigkeitsmenge wird sofort überführt, wie unter (9) angegeben. 8. Aus der senkrecht gehaltenen Pipette lässt man die benötigte Flüssigkeitsmenge bis zur entsprechenden Marke ablaufen: Die Pipettenspitze berührt dabei die Innenwand des schräg gehaltenen Aufnahmegefäßes, an der man die Flüssigkeit ablaufen lässt (Abb. 7-5). 9. Nach Abwarten der angegebenen Ablaufzeit (Typ 1 und 3: 15 s, Typ 2 nur noch 5 s) wird die Pipettenspitze unter leichtem Drehen an der Wand des Aufnahmegefäßes abgestreift und dieses auf dem Arbeitsplatz abgestellt. 10. In der Pipette verbliebene Restmengen werden verworfen. 11. Benutzte Pipetten mit Restmengen werden grundsätzlich senkrecht gehalten bzw. transportiert, damit keine Flüssigkeit in die Pipettetierhilfe gelangen kann. 12. Beim weiteren Transport ist auch unbedingt darauf achten, dass keine eventuell ätzende Flüssigkeit auf den Arbeitsplatz tropft – daher am besten ein saugfähiges Papier an die Spitze halten. 13. Benutzte Pipetten werden sofort mit Leitungswasser, dann destilliertem Wasser durchgespült oder mit der Spitze nach oben in Reinigungslösung bzw. einen Pipettenspülkorb gegeben. Vor allem in biochemisch arbeitenden Labors sind seit geraumer Zeit Mikroliter- oder Kolbenhubpipetten (vgl. Abb. 7-6) in Gebrauch, beispielsweise von Finnpipette, Eppendorf oder anderen Anbietern. Diese Pipetten sind mit fest eingestelltem oder variablem Hub zwischen 1 und 5000 μL im Handel. Herstellerseitig wird der maximale Pipettierfehler mit etwa 1% beziffert. Auf den Pipettenkörper steckt man eine Pipettenspitze aus Polypropylen, die je nach Volumen weiß, blau oder gelb ist. Bei jedem Lösungswechsel wird auch die Pipettenspitze getauscht. Für Serienpipettierungen sind statt der üblichen Einkanal- die Mehrkanalpipetten besonders praktisch, die 8, 12 oder 16 Steckplätze für Wechselspitzen aufweisen, was den Arbeitsaufwand bei Serienpipettierungen bzw. hohem Probenaufkommen erleichtert. Zum Pipettieren taucht man die Spitze etwa 3 mm tief in die Lösung und drückt den Bedienungsknopf bis zum ersten Druckpunkt (= Messhub) herunter. Zur Aufnahme der Flüssigkeit in die Wechselspitze lässt man ihn langsam zurückgleiten und zieht die Spitze vorsichtig aus der Lösung. Das Entleeren der Spitze erfolgt zweistufig – durch langsames Drücken des Bedienungsknopfes bis zum ersten und nach etwa 3 s bis zum zweiten Druckpunkt. Im Unterschied zur konventionellen Glaspipette wird hierbei

84

7 Volumina bemessen

die Vario-Pipettenspitze also gleichsam durch Ausblasen vollständig entleert. Für die Aufnahme und Abgabe von sehr viskosen oder dichten Flüssigkeiten, aber auch für solche mit hohem Dampfdruck, empfiehlt sich das reverse Pipettieren: Zur Probenaufnahme drückt man den Kolben bis zur Ausstoßposition nach unten und zieht das gewünschte Volumen mit einer geringen Menge überschüssige Flüssigkeit in die Pipettenspitze. Für die benannten problematischen Flüssigkeiten bietet der Fachhandel allerdings spezielle Pipetten an, die absolut genau arbeiten. Auch eine Mikroliterpipette darf man keinesfalls mit gefüllter Spitze waagerecht auf dem Labortisch lagern, da sonst unweigerlich Flüssigkeit in den Pipettenkörper gelangen und dadurch der empfindliche Kolbenhubmechanismus korrodieren kann. 500

Abb. 7-6. Mikropipetten (ohne Pipettenwechselspitze) mit festem (links, mit Festvolumen 500 μL) und variabel einstellbarem Nennvolumen (rechts)

7.4 Spritzen sind besondere Messgefäße Für manche Spezialanwendungen sind konventionelle Voll- oder Messpipetten oder auch Mikroliterpipetten wenig bis gar nicht geeignet. In solchen Fällen bietet sich der Einsatz von Mikrospritzen an. Bei einer gas- oder flüssigkeitsdichten Hamilton-Spritze (Abb. 7-7), die für besonders kleine Volumina im μL-Bereich eingesetzt wird, bestehen Kolben und Nadel meist aus korrosionsbeständigem Edelstahl. Auf dem

7.4 Spritzen sind besondere Messgefäße

85

Kolben befindet sich ein kleiner Aufsatz aus Teflon. Die Nadeln (Kanülen) sind entweder aufgeschraubt oder fest mit dem Spritzenkörper (Gehäuse) verbunden. Bei manchen Ausführungen wird der Kolben zum besonders genauen Dosieren kleinster Volumina durch einen Schraubmechanismus vorgetrieben. Gehäuse mit Luer-Spitze

Glasgehäuse mit Gewinde 0,1

0,2

0,3

0,4

0

0,5 mL

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5 mL

Kolben

Kolben mit Teflonspitze

Nadel mit Gewindeanschluss

aufsteckbare Kanüle

Abb. 7-7. Verbreitete Typen von Mikrospritzen: Hamilton-Spritze (links) sowie Luer-Spritze (rechts)

Bei der Luer-Spritze, dem vor allem bei medizinischen Anwendungen am meisten eingesetzten Spritzentyp mit verschiedenen Nennvolumina zwischen 1 und 100 mL, sind die ebenfalls unterschiedlich langen und verschieden kalibrierten Nadeln (Kanülen) austauschbar. Sie werden mit ihrem genormten Konus auf den Anschluss des aus Glas oder (bei Einwegspritzen) aus Kunststoff gefertigten Spritzenkörpers aufgesteckt. Die Anschlüsse können aus Metall, Glas oder einem anderen Werkstoff bestehen. Für besondere Zwecke, beispielsweise für den kontrollierten Substanzauftrag in der Dünnschicht-Chromatographie, verwendet man als genormte Volumenmessgeräte fein ausgezogene Mikrokapillaren oder spezielle Mikropipetten, die der Fachhandel in unterschiedlichen Kalibern anbietet. Sie sind am ehesten einer Vollpipette vergleichbar, da sie nur für die exakte Entnahme des festgelegten Nennvolumens vorgesehen sind. Aufziehen bis zur Strichmarke des Nennvolumens und Entleeren erfolgen mithilfe eines aufgesteckten Gummihütchens.

0

10

20

30

40

50 mL

Abb. 7-8. 50-mL-Kolbenprober zum Gastransfer (Skalierung nur angedeutet)

In der Form einer Spritze ähnlich, aber für einen völlig anderen Einsatz konstruiert, sind die meist großkalibrigen Kolbenprober (vgl. Abb. 7-8) mit exakt eingeschliffenem und (weitgehend) gasdichtem Kolben. Ihr Nennvolumen liegt meist zwischen 20 und 500 mL. Man verwendet sie

86

7 Volumina bemessen

zum Auffangen, zum genaueren Abmessen und zum Transfer von abgemessenen Gasmengen. Die Kolben der Kolbenprober müssen zur Gewährleistung einer leichten Gängigkeit und Dichtigkeit mit einem speziellen Schlifffett versehen sein. In Mess- oder Reaktionsapparaturen verwendet man Kolbenprober meist in Verbindung mit Zwei- oder Dreiwegehähnen. 7.5 Messkolben Messkolben verwendet man in der Analytik zum genauen Einstellen von Lösungen, die als Stamm- oder Normallösungen im Labor benötigt werden. Messkolben gibt es für die Nennvolumina 10, 50, 100, 250, 500, 1000, 2000 und 5000 mL. In der A-Klasse reicht ihre Genauigkeit volumenabhängig von 0,25% (10-mL-Kolben) bis 0,02% (5-L-Messkolben). Sie tragen zur Kennzeichnung die üblichen normierten Angaben (vgl. Abb. 7-9). Beim Ansetzen einer definierten Lösung gibt man die genau abgewogene Menge einer Pulverchemikalie mithilfe eines glatten und spitz zulaufend gefalteten Papiers (Wägepapier) oder eines Pulvertrichters in den Messkolben und löst sie durch vorsichtiges Umschwenken oder mit einem Rührfisch über dem Magnetrührer – die zuvor eingefüllte Lösemittelmenge sollte zunächst nur etwa der Hälfte der benötigten Gesamtmenge entsprechen. Die Zugabe von Lösemittel auf die eingefüllte pulverförmige Einwaage könnte gegebenenfalls zu schwer auflösbaren Verklumpungen (Okklusionen) führen. Sofern die betreffende Substanz beim Lösen eine Wärmetönung bedingt, wartet man mit dem weiteren Auffüllen von Lösemittel, bis der Ansatz wieder Raumtemperatur (Justiertemperatur) angenommen hat. Dann gibt man weiteres Lösemittel hinzu und stellt den Meniskus zuletzt durch tropfenweises Zugeben genau auf die Ringmarke (Eichmarke) ein. Zum gründlichen Durchmischen wird der Kolben mit einem Stopfen (Normschliff oder Kunststoff) verschlossen. Beim Mischen von Flüssigkeiten, die in unterschiedlichem Maße polar sind, beispielsweise von Wasser und Ethanol, ist das eigenartige Phänomen des Volumenschwundes (Volumenkontraktion) zu beachten: 100 mL Wasser + 100 mL 96%iges Ethanol ergeben nicht 200 mL 48%iges Ethanol, sondern mit nur etwa 185 mL deutlich weniger. Der Hintergrund für diesen Sachverhalt wird in Kapitel 12 erläutert. Beim Anmischen von Reaktionsansätzen, die aus mehreren Komponenten bestehen (beispielsweise beim Fehling-Test), ist darauf zu achten, dass alle zusammengeführten Lösungen optimal miteinander vermischt sind.

7.6 Büretten

87

Bei Reagenzglasproben hält man das Gefäß zur Kontrolle in Augenhöhe, schüttelt leicht durch und kontrolliert, ob sich in der Flüssigkeit noch Schlieren oder Stufen zeigen. Für die optimale Durchmischung von Reaktionsansätzen in Reagenzgläsern stehen in vielen Labors besondere Mixgeräte zur Verfügung, beispielsweise der Vortex oder vergleichbare Geräte anderer Anbieter. Größere Ansätze stellt man auf einen speziellen Probenschüttler. Bei kleineren Ansätzen ist der Einsatz eines Magnetrührers mit Rührfisch (der Gefäßgröße angepasst) üblich. Normschliff- oder Kunststoffstopfen

Ringmarke für Nennvolumen

100 mL ± 0,10 In 20 °C A

Nennvolumen

Fehlertoleranz

Symbol für Einlauf

Hersteller

Justiertemperatur

Genauigkeitsklasse

Abb. 7-9. Kenndaten auf einem 100-mL-Messkolben

7.6 Büretten Unter einer Bürette versteht man ein Glasrohr, das ähnlich wie eine Pipette kalibriert und mit einer Skala versehen ist. An ihrem unteren Ende befindet sich jedoch im Unterschied zur Pipette ein Schliffhahn. Büretten setzt man im analytischen Labor zur Konzentrationsbestimmung durch Titration (Maßanalyse, vgl. Kapitel 9) ein. Die Gerätebenennungen Bürette und Pipette stammen aus dem Französischen, da der französische Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac (1778–1850) beide Volumenmessgeräte mitentwi-

88

7 Volumina bemessen

ckelt und in einer 1824 erschienenen Veröffentlichung zur Maßanalyse auch ausdrücklich so benannt hat. Ursprünglich war die Bürette unten mit einem Schlauchstück versehen und wurde mit einer Mohr’schen Schlauchdruckklemme verschlossen. Moderne Bürettenausführungen sind eventuell auf ein Vorratsgefäß mit Maßlösung gesteckt und besitzen eine besondere Vorrichtung zur automatischen Nullpunkteinstellung des Meniskus (Abb. 7-10).

weißer Streifen blauer Streifen

25

26

27

28

Abb. 7-10. Links: Gewöhnliche Bürette. Mitte: Bürette mit automatischer Nullpunkteinstellung auf Vorratsgefäß. Rechts: Ablesung des Schellbach-Streifen

Obwohl Büretten im Allgemeinen einen relativ großen Durchmesser aufweisen, sind die entnommenen Volumina sehr genau abzulesen. Dies gelingt mithilfe des Schellbach-Streifens auf der Bürettenrückseite. Durch die besondere Lichtbrechung im Bereich des Meniskus erscheint der in der Flüssigkeit befindliche Teil des Schellbach-Streifens als breitere Spitze und erlaubt somit eine erstaunlich präzise Skalenablesung (vgl. Abb. 7-10).

7.7 Reinigen von Glasgefäßen

89

Falls erforderlich, hält man hinter die Bürette zum besseren Ablesen ein weißes Rundfilter oder ein anderes weißes Papier. Beim Arbeiten mit einer Bürette ist generell folgendes Vorgehen empfohlen: 1. Bürette auf Sauberkeit überprüfen und mit einer speziellen gummiarmierten Bürettenklemme an einem Stativ so befestigen, dass die 0-Marke sich auf Augenhöhe befindet. 2. Spitze des Auslaufhahns auf Intaktheit überprüfen. 3. Bürette mithilfe eines Bürettentrichter mit der Messlösung bis etwa 1 cm über die oben befindliche 0-Marke befüllen; bei Automatikbüretten auf einer Vorratsflasche die Maßlösung mit dem Gummiball hochdrücken (vgl. Abb. 7-10). Dieser Arbeitsgang entfällt bei Büretten mit automatischer Nullpunkteinstellung. 4. Etwaige Luftblasen durch vorsichtiges Klopfen mit Bleistift o.ä. entfernen. 5. Einfülltrichter wegnehmen und Messlösung bis zur 0-Marke ablaufen lassen – dabei die auf der Bürette angegebene vorgeschriebene Wartezeit einhalten. 6. Titration tropfenweise bis zum Erreichen eines bestimmten Umschlagpunktes (vgl. Kapitel 9) vornehmen; die Spitze des Bürettenhahns darf dabei nicht die Gefäßwand des Vorlagengefäßes berühren. 7. Volumendifferenz mithilfe des Schellbach-Streifens exakt ablesen.

7.7 Reinigen von Glasgefäßen Obwohl Glas als unverwüstlicher Werkstoff erscheint, ändert sich durch häufiges Reinigen bei längerer Einsatzdauer tatsächlich das Volumen von Volumenmessgeräten durch Glasabtrag, beispielsweise durch die Einwirkung starker Laugen oder konzentrierter Phosphorsäure. Volumenmessgeräte aus Glas reinigt man daher nur bei niedriger Temperatur 1 findet man gewöhnlich den Zusatz Oel oder einen schwarzen Ring. Diese Objektive müssen jeweils in einen Tropfen Immersionsöl auf dem Deckglas des Präparates eintauchen, um ihre volle Leistung zu bringen.

16.1 Funktionsteile eines Mikroskops

175

1

2

b d

a c

3

16

4

6 15

5

7

8 17

40 0,85 160 0,17

9

12

10 11

13 14

Abb. 16-1. Bau- und Funktionsteile eines Lichtmikroskops. 1 Okular, 2 Tubus, 3 Objektivrevolver, 4 Objektive, 5 Objekttisch, 6 Kreuztisch und Bedienungselemente, 7 Kondensor, 8 Kondensorhebevorrichtung, 9 Aperturblendenring, 10 Leuchtfeldblende, 11 integrierte Lichtquelle, 12/13 Grob- und Feintrieb, 14 Potenziometer (für die Helligkeitsregelung), 15 Stativ, 16 Tragegriff; 17 Kabelaufwicklung; Angaben auf dem Okular: a Eigenvergrößerung, b numerische Apertur, c mechanische Tubuslänge, d maximal zulässige Deckglasdicke

Unabhängig von Okular und Objektiven am Tubus besitzen die laborüblichen Mikroskope unterhalb der Zentralöffnung des Objekttisches ein weiteres Linsensystem, den Kondensor, den man an einem besonderen Drehknopf heben und senken kann. Er hat die Aufgabe, das Licht von der Lichtquelle zu bündeln und durch das Objekt zu lenken. Außerdem nimmt er spezielle Zusatzeinrichtungen für besondere Beobachtungsverfahren (Phasenkontrast, Dunkelfeld u.a.) auf. Zum Kondensor gehört die Aperturblende, mit der man ebenso wie an einer konventionellen Spiegelreflexkamera die Schärfentiefe (Tiefenschärfe) reguliert. Unterhalb des Kondensors befindet sich bei sehr einfachen Mikroskopen ein dreh- und klappbarer Spiegel, der das Licht von einer externen Leuchte umlenkt, bei aufwändiger konstruierten Instrumenten dagegen eine in den Stativfuß integrierte Lichtquelle, entweder eine Niedervoltlampe oder eine lichtstarke LED-Einrichtung. Ein oder zwei Drehknöpfe seitlich am Stativbügel des Mikroskops dienen zum Scharfstellen (Fokussieren). Sie heben oder senken den Tubus (Mikroskope älterer Bauart) oder den Objekttisch (moderne Mikroskope).

176

16 Mikroskopieren

16.2 Arbeitsplatzausstattung Zur Grundausstattung eines mikroskopischen Arbeitsplatzes gehören mindestens die folgenden Utensilien: Objektträger sind höchstens 1 mm dicke und rechteckige Glasplättchen im Format 76 × 26 mm (= 3 × 1 inch, so 1839 in London festgelegt und heute weltweit Standard). Vorzugsweise verwendet man solche mit leicht angeschliffenen bzw. gebrochenen Kanten – das bewahrt die Fingerkuppen zuverlässig vor Schnittverletzungen. Vom Standardmaß abweichende kleinere Formate sind nicht zu empfehlen, weil sie nicht in die Objekthalterung eines Kreuztischs passen. Objektträger gibt es üblicherweise in Abpackungen zu je 50 Stück. Vorzugsweise verwendet man – mit Rücksicht auf die Fingerkuppen – solche mit geschliffenen Kanten. Deckgläser sind meist unter 0,17 mm dicke, quadratische Glasplättchen im Format 18 × 18 bis 24 × 24 mm (für Spezialzwecke auch in anderen Abmessungen). Man fasst sie – da sie hauchdünn sind und leicht splittern – grundsätzlich nur mit einer Pinzette (z. B. Cornet-Pinzette) oder ganz vorsichtig an den Rändern zwischen Daumen und Zeigefinger an. Deckgläser gibt es meist in Packungsgrößen zu je 100. Im Fachhandel sind auch kreisrunde Deckgläser für die Herstellung von Dauerpräparaten erhältlich. Präparierbesteck als fertiger Satz in Aufbewahrungskasten bzw. Mappe sollten verfügbar sein: 2–3 Präpariernadeln in Holz- oder Kunststofffassung 2 Pinzetten (1 flache Briefmarken-Pinzette sowie 1 sehr spitze) 1 kleinere Schere 1 kleines Messer oder Skalpell mit Klingensatz für die Vorpräparation härterer Objekte (Vorsicht beim Einsetzen der Klingen: akute Verletzungsgefahr! Sicherheitshalber eine kleine Kombizange verwenden) 1 Päckchen Rasierklingen (ungefettet) zum Anfertigen dünner Handschnitte 1 feiner Malpinsel (kleinste Stärke) zum Übertragen feinster oder sehr weicher Objekte vom Schneidewerkzeug auf den Objektträger mehrere Filtrierpapierstreifen, ca. 5 × 1 cm groß zugeschnitten aus normalen Kaffee- oder Teefiltern Der Lehrmittel- bzw. Laborfachhandel bietet dieses Grundwerkzeug für die Mikroskopie als Komplettpaket an, per Internet beispielsweise die Firmen www.ehlert-partner.de, www.windaus.de oder www.betzold.de.

16.3 Vom Präparat zur Beobachtung

177

Reinigungsmaterial mehr- bis vielfach gewaschener und möglichst nicht (mehr) fusselnder Baumwoll- oder Leinenlappen bzw. Mikrofaser-Brillenputztuch oder Linsenpapier (aus dem Optik-Fachgeschäft). Glasgeräte mehrere Tropfpipetten (Pasteur-Pipetten mit Gummihütchen 2–3 Glasstäbe (ca. 15 cm lang und 0,3 mm dick) Glasplatte ca. 10 x 20 cm als Arbeitsunterlage zum Vorpräparieren größerer Objekte mehrere kleine verschließbare Gläser (Schraub- oder Schnappdeckelgläser) zum Aufbewahren unfertiger Präparate oder anderer Objekte. Reagenzien Die Ausstattung des Arbeitsplatzes bemisst sich nach den zu bearbeitenden Fragestellungen bzw. den Beobachtungsaufgaben in den einzelnen Untersuchungsprojekten. Färbelösungen oder sonstige im Mikrolabor übliche Chemikalien wie etwa Glyceringelatine bezieht man als Fertiggemische über den Fachhandel (beispielsweise www.chroma.de). 16.3 Vom Präparat zur Beobachtung Zum Einüben der Bedienungstechnik des jeweiligen Mikroskops benötigt man ein geeignetes Testpräparat. Dazu genügt bereits ein Objektträger, auf dem man mit einem Glasschneider oder einem scharfkantigen Schraubendreher ein paar Schrammen einritzt. Man geht nun in dieser Reihenfolge vor: 1. Objektträger auf den Objekttisch Den angeritzten Objektträger legt man mit der Schramme nach oben und ohne weitere Bedeckung mit Wasser oder Deckglas auf den Objekttisch und klemmt ihn in die dort vorhandene Haltevorrichtung des Kreuztisches ein. Damit lässt sich der Objektträger zum Durchmustern bequem und in kleinsten Zwischenschritten in der x- und in der y-Richtung des Koordinatensystems über den Objekttisch bewegen. 2. Kondensor einrichten Der unter dem Objekttisch angebrachte Kondensor wird mit dem dafür vorgesehenen Stellknopf bis zum Anschlag nach oben gedreht – er kann für die meisten Beobachtungsaufgaben mit dem Mikroskop in dieser Position bleiben. Bei manchen Mikroskoptypen ist er ohnehin starr und unverrückbar montiert.

178

16 Mikroskopieren

3. Beleuchtung einschalten Nun wird die Mikroskopleuchte eingeschaltet. Sofern das Mikroskop keine eingebaute Lampe aufweist, sondern mit einem Umlenkspiegel arbeitet, darf man auf keinen Fall mit direktem Sonnenlicht arbeiten! Nach eingeschaltetem Beobachtungslicht erscheint an der oberen Kondensorlinse in der Bohrung des Objekttisches ein kleines Lichtfeld, die Austrittspupille. Bei allen besseren Mikroskopen lässt sich die Beleuchtung nach dem Köhler’schen Verfahren einrichten (vgl. Kapitel 16.4). 4. Start mit Lupen- oder Suchobjektiv Nachdem die grob gravierte Schramme auf dem Objektträger – eventuell mithilfe des Kreuztischs – in die hell erleuchtete Austrittspupille über dem Kondensor bewegt ist, bringt man durch Drehen am Objektivrevolver das kleinste am Mikroskop vorhandene Objektiv (= Lupen- oder Suchobjektiv) in den Strahlengang. Dazu muss es senkrecht nach unten stehen sowie hör- und fühlbar einrasten. Meist trägt das Lupenobjektiv die Maßstabszahl 3,5-fach. Nun hebt man mit dem Grobtrieb den Objekttisch zum oberen Anschlag an. 5. Helligkeit regeln Eventuell empfinden die Augen die vorgewählte Bildhelligkeit als unangenehm. Entsprechend drosselt man ein wenig den Lampenstrom oder gegebenenfalls die Lichtzufuhr mit dem Aperturblendenhebel (= Irisoder Kondensorblendenhebel). Die Aperturblende dient – obwohl sie die eingestrahlte Lichtmenge nachhaltig beeinflusst – allerdings nicht in erster Linie der Helligkeitsregulierung, sondern vor allem der Einstellung eines optimalen Kontrastes bei brauchbarer Tiefenschärfe. 6. Vom Grob- zum Feintrieb Mit dem beobachtenden Auge dicht am Okular bewegt man jetzt mit dem Grobtrieb den Objekttisch langsam abwärts, bis die ersten halbwegs klaren Konturen des Präparates sichtbar werden. Bei sehr kleinen Objekten (Bakteriensuspensionen) stellt man zunächst auf eine Deckglaskante scharf und sucht dann im übrigen Präparat. Danach übernimmt der Feintrieb die weiteren Einstellungen. Eine Hand bleibt praktisch immer am Feintriebknopf, um in anderen Objektbereichen jeweils auf optimale Bildschärfe nachzustellen. 7. Die Welt steht auf dem Kopf Mikroskopische Bilder erscheinen im Gesichtsfeld immer seitenverkehrt und auf dem Kopf stehend. Wenn man das Präparat auf dem Objekttisch nach rechts bewegt, verlagert sich das Bild im Gesichtsfeld nach links. Schiebt man den Objektträger nach hinten, rutscht das Ge-

16.3 Vom Präparat zur Beobachtung

179

sehene entsprechend nach vorne. An diesen anfangs vielleicht seltsamen Sachverhalt gewöhnt man sich allerdings rasch und nimmt ihn nach ein paar Sitzungen gar nicht mehr wahr. Die Bildumkehr ist eine Folge des besonderen Strahlenganges durch die das Bild aufbauenden Linsensysteme. 8. Abgeglichene Objektive Nach der ersten Orientierung mit Aufsuchen eines genauer zu untersuchenden Präparatebereichs wird das folgende Objektiv (meist 10-fach) in den Strahlengang gedreht. An leistungsfähigen Mikroskopen sind die Objektive abgeglichen – der zuvor gewählte Objektbereich liegt auch beim nächst größeren Objektiv ungefähr in der Mitte des Gesichtsfeldes und muss nur noch durch Nachdrehen am Feintrieb fokussiert werden. Somit ist gewöhnlich nicht zu befürchten, dass das sich stärker vergrößernde Objektiv hörbar in das Präparat vertieft. Auch beim Zuschalten noch stärkerer Objektive (40- oder 100-fach) ist dieses Problem nicht zu befürchten, wenngleich besondere Sorgfalt beim Wechsel der stark vergrößernden Objektive immer angeraten ist. Bei der Verwendung des Lupen- oder Suchobjektivs (3,5-fach) ist das vorgewählte Objekt komplett oder zumindest in größeren Anteilen zu überblicken. Das ändert sich nun beim Umschalten auf die nächste Vergrößerung (10er-Objektiv), denn damit wird der dargestellte Ausschnitt aus dem Präparat kleiner. Je stärker ein Objektiv vergrößert, umso kleiner ist der davon erfasste Objektausschnitt. Dieser Sachverhalt zeigt sich auch, wenn man sich vergleichend die Durchmesser der verschiedenen Objektivfrontöffnungen anschaut. 9. Mit offenen Augen arbeiten Beim Arbeiten und Beobachten an Instrumenten mit nur einem Okular (= monokularer Einblick) hält man grundsätzlich immer beide Augen offen. Auf keinen Fall sollte man das nicht durch das Okular beobachtende Auge ständig zukneifen, weil dies auf Dauer außerordentlich anstrengend und ermüdend ist. Besonders Geübte können mit dem einen Auge im Mikroskop beobachten und mit dem anderen eine parallel dazu entstehende Zeichnung kontrollieren. 10. Entspannt beobachten Weniger Geübte verfallen zunächst in den Fehler, ihre Augen zur Wahrnehmung der Objektstrukturen auf normalen Leseabstand zu trimmen. Auch dieses Vorgehen strengt enorm an und ermüdet in kurzer Zeit. Ein Präparat betrachtet man daher immer so, als lägen die Objektdetails irgendwo in größerer Distanz in der Landschaft – d.h. mit völlig entspannter, auf unendlich eingestellten Ciliarmuskulatur. Somit

180

16 Mikroskopieren

schaut man also nicht in ein Mikroskop hinein, sondern hindurch wie beim Teleskop. Es ist also unnötig, die Augenlinsen wie beim Einfädeln eines Nähfadens in ein winziges Nadelöhr ständig unter Spannung zu halten. Zum Entspannen der Ciliarmuskeln, welche die Augenlinse für die Nahsicht krümmen, schaut man einmal kurz aus dem Fenster auf einen entfernten Gegenstand und in dieser Augeneinstellung gleich anschließend durch das Mikroskop. 11. Fliegende Flecken Manchmal bemerkt man beim Arbeiten am Mikroskop – ähnlich wie beim Betrachten einer hellen Wolke – unregelmäßige dunklere Flecken, die mit jeder Augenbewegung über das Gesichtsfeld huschen. Dabei handelt es sich um die Schatten von (vorübergehenden) Schlieren in der Augenflüssigkeit, die das helle Mikroskopierlicht auf die Netzhaut projiziert. 16.4 Köhler’sche Beleuchtung Aus der Maßstabszahl des Objektivs und der Sehfeldzahl des Okulars ist abzuleiten, welche Fläche eines mikroskopischen Präparates man überhaupt überblicken kann. Die Köhler’sche Beleuchtung, zu der es eine komplexe physikalische Theorie gibt, erlaubt, mit wenigen Handgriffen ein Sehfeld von genau dieser Bemessung möglichst exakt auszuleuchten. Dieses Verfahren, 1893 von August Köhler entwickelt, leistet die beste Annäherung an die ideale Beleuchtung und ist der weithin akzeptierte Standard zur Einstellung eines Lichtmikroskops. Dazu muss das Mikroskop mit einem Kondensor ausgestattet sein, der genau in der optischen Achse höhenverstellbar und außerdem an seitlichen Stellschrauben zu justieren ist. Ferner muss eine einstellbare Leuchtfeldblende und Kondensorblende (Aperturblende) vorhanden sein. Die Einstellung der Köhler’schen Beleuchtung („Köhlern“) umfasst die folgenden Schritte: • Das Bild eines mikroskopischen Präparates zunächst noch ohne Rücksicht auf die Beleuchtungsqualität scharf einstellen • Leuchtfeldblende (über der eingebauten oder angesteckten Mikroskopierleuchte) schließen • Rand der Leuchtfeldblende durch Höhenverstellung des Kondensors scharf einstellen • Leuchtfeldblendenöffnung zentrieren • Leuchtfeldblende so weit öffnen, dass das gesamte Gesichtsfeld gerade ausgeleuchtet erscheint.

16.5 Frisch- vs. Dauerpräparat

181

16.5 Frisch- vs. Dauerpräparat Während der oben als Trainingspräparat eingesetzte Objektträger mit Glasschramme eines der seltenen Beispiele für Trockenpräparate ist, die man auf den Objekttisch platziert und mikroskopiert, so wie sie sind, legt man die zu untersuchenden biologischen Objekte in den meisten Fällen in Wasser und untersucht sie folglich als Frisch- bzw. Nasspräparat. Wasser dient dabei also als Einbettungsmedium. Seine Lichtbrechkraft Wassermenge zu reichlich bemessen, und das Objekt befindet sich nicht in Planlage – am Deckglasrand vorsichtig absaugen.

Wassermenge zu klein bemessen – eventuell ziehen Luftblasen in das Objekt. Am Deckglasrand eine kleine Menge aus der Pipette zugeben. Wassermenge ist exakt bemessen – das Objekt befindet sich in Planlage.

Abb. 16-2. Die richtige Wasserdosierung beim Frischpräparat

(Brechzahl nD = 1,33) ist so günstig, dass die zwischen Objektträger und Deckglas in einer flachen Minipfütze schwimmenden Objekte vom Beleuchtungsstrahlengang optimal durchstrahlt werden. Würde man sie stattdessen einfach in Luft legen, könnte das Mikroskop lediglich unergiebige Umrissbilder liefern, von denen man meist nicht einmal einen Farbeindruck gewinnen kann. Unter anderem ergibt sich dieser Effekt aus der kleinen Brechzahl von Luft (nD = 1,0002). Während man unter Einbetten das Einlegen eines Objektes in ein völlig durchsichtiges, homogenes Untersuchungsmedium mit günstiger Brechzahl n versteht, meinen die Begriffe Einschließen oder Eindecken die Versie-

182

16 Mikroskopieren

gelung fertiger und meist auch gefärbter Schnitte zum Dauerpräparat. Dazu verwendet man ein spezielles, nur anfangs noch flüssiges Medium (Harz o.ä.), das in kurzer Zeit durch Polymerisation erstarrt. Ein gutes Nass- oder Frischpräparat mit Wasser als Untersuchungsmedium herzustellen, ist zwar nicht schwierig, aber man kann dennoch ein paar vermeidbare Fehler begehen. So könnte zum Beispiel der einbettende Wassertropfen zu groß bemessen sein (vgl. Abb. 16-2): Wenn das Deckglas auf dem Objektträger schwimmt oder auf seinem Wasserberg zu sehr in den Arbeitsraum der stärkeren Objektive ragt, wird die Beobachtung des betreffenden Präparates kaum gelingen – der Wechsel vom 10er- auf das 40erObjektiv schiebt das Deckglas erbarmungslos weg. Das Wasser läuft dann über die Objektträgerkante und verbindet das Präparat adhäsiv so fest mit dem Objekttisch, dass auch der beste Kreuztisch nichts mehr ausrichtet. Daher verwendet man vorteilhaft immer nur so viel Wasser, dass es nicht über die Deckglasränder hinaus quillt. Überschüssiges Wasser saugt man mit einem Stückchen Filtrierpapier bzw. Papiertuchzipfel ab. Zusätzlich drückt man beim Absaugen mit der Spitze einer Präpariernadel ein wenig auf das Deckglas. Weil sich auch dieses bei fallendem Flüssigkeitspegel zunehmend adhäsiv an den Objektträger anschmiegt, bringt es das Objekt in eine durchaus wünschenswerte Planlage. Dunkle Ränder, helle Säume Akribisch arbeitende Mikroskopiker empfinden Luftblasen im Präparat bzw. Objekt als erheblich störende Kunstfehler. So wenig erwünscht sie im Objekt oder in seiner direkten Nachbarschaft auch tatsächlich sind, so interessant erscheinen sie als optische Gebilde. Je nach Geometrie der eingeschlossenen Luftblase finden zum Teil recht komplizierte Ereignisse wie Beugung und Interferenz statt. Von diesen durchaus faszinierenden Lichtspielen im Blasenrandbereich kann man sich einen ersten Eindruck verschaffen, indem man ihn bei geschlossener Blende und stärkerer Vergrößerung mikroskopiert. Bei sehr kleinen Luftblasen bleibt oft nur ein winziger, heller Lichtpunkt im Zentrum erkennbar. Obwohl beide Komponenten des Präparates, Wasser und Luft, glasklare und durchsichtige Medien darstellen, grenzen sie sich mit einer breiten, nahezu schwarzen Kontur gegeneinander ab. Luftblasen vermeidet man, indem man das Deckglas im Winkel von etwa 45° aufsetzt und dann vorsichtig absenkt. Sollten dennoch Luftblasen im Präparat eingeschlossen bleiben, hilft leichtes Klopfen oder Drücken mit der Präpariernadel. Mitunter lassen sich störende Luftblasen auch dadurch vermeiden, dass man dem Beobachtungsmedium Wasser – soweit es das Untersuchungsobjekt zulässt – zuvor einige Tropfen eines Tensids zusetzt oder gleich 30%iges Ethanol verwendet.

16.5 Frisch- vs. Dauerpräparat

183

Messen im Mikroskop Wenn man wissen möchte, wie groß ein bestimmter Einzeller oder wie lang der Diffusionsweg für bestimmte Moleküle ist, verwendet man ein Okularmikrometer (Messokular), das gegen ein Objektmikrometer mit einer eingravierten Mikroskala geeicht wurde (vgl. Abb. 16-3). Beide betrachtet man im Mikroskop und stellt dann beispielsweise Folgendes fest: 10 Teilstriche auf dem Objektträgermikrometer (= Strecke von 1 mm = 1000 μm) sind bei Verwendung des 3,5-fach vergrößernden Objektivs fast genauso lang wie 25 Teilstriche im Messokular. Also entspricht 1 Teilstrich im Okular einer Originalstrecke von 40 μm. Objektmikrometer

Okularmikrometer

0

1

2

3

4

0,0 0,05 0,1 0,15 0,2

0

1

2

0,05 0,1 0,15

Im mikroskopischen Bild: 13,5 Teilstriche im Okularmikrometer entsprechen 0,1 mm im Objektmikrometer

Abb. 16-3. Eichung eines Okularmikrometers mit einem Objektmikrometer

Betrachtet man nun beispielsweise die Zelle eines Moosblättchens und sieht, dass sie genauso lang ist wie der Abstand zwischen 2 Teilstrichen im Messokular, weiß man, dass sie tatsächlich rund 80 μm Länge misst. Auch für die übrigen beiden Objektive ermittelt man vergleichbare Umrechnungsfaktoren und hält sie in einer Tabelle im Beobachtungsbuch fest. Für viele Zwecke ist es sinnvoll anzugeben, wie groß bei den verschiedenen Objektiven die Fläche des Gesichtsfeldes ist bzw. welche Fläche der

184

16 Mikroskopieren

vom Objektiv erfasste Objektausschnitt einnimmt. Die entsprechenden Zahlen gewinnt man leicht durch Berechnung der Kreisfläche unter Verwendung der jeweiligen Gesichtsfelddurchmesser in mm, die vom Messokular abzuleiten sind. Für ein durchschnittliches Labormikroskop ergeben sich beispielsweise 8,5 mm2, 1,53 mm2 sowie rund 0,10 mm2 bei Verwendung eines 3,5-, 10- bzw. 40-fach vergrößernden Objektivs in Kombination mit einem 10er-Okular. Mit solchen Maßzahlen kann man unter anderem berechnen, wie viele Zellen auf einen Quadratzentimeter eines bestimmten Objektes entfallen, wie dicht die Spaltöffnungen eines Laubblattes verteilt sind oder wie der leitende Querschnitt eines Leitbündels in einem Stängel ausfällt. Ständige Unruhe In vielen Präparaten tänzeln die darin enthaltenen Partikeln auf kleinstem Raum entlang feiner Zickzacklinien völlig ungeordnet durcheinander. Dieses chaotische Teilchenhüpfen hat erstmals der schottische Botaniker Robert Brown (1773–1858) im Sommer 1827 beobachtet – unter anderem am pulverisierten Granit von einer ägyptischen Sphinx aus dem Britischen Museum. In allen Proben fand er das eigenartige Teilchenzittern und deutete es als deren aktive Eigenbewegung. Viele weitere Mikroskopiker bestätigten seine Beobachtung. Das Phänomen nennt man seither Brown’sche Bewegung. Um eine aktive Teilchenbewegung oder gar eine Bewegung einzelner Moleküle handelt es sich indessen tatsächlich nicht – vielmehr werden die einzelnen tänzelnden Partikeln passiv durch feinste, schlierenartige Dichteschwankungen in der Untersuchungsflüssigkeit bewegt. Die stark vereinfachende Erklärung trifft dagegen nicht zu, wonach hier – bedingt durch die ständige Wärmebewegung der Wassermoleküle – eine Art Billard in Kleinstmaßstab abläuft. Insofern ist auch die häufig verwendete Bezeichnung Brown’sche Molekularbewegung völlig unzutreffend. Immersion – wirksame Verbesserung der Auflösung Gewöhnlich befindet sich zwischen der Frontlinse des eingesetzten Objektivs und dem Deckglas eines Präparates nur das Medium Luft. Die für diese Untersuchung konstruierten Mikroskopobjektive bezeichnet man daher generell als Trockenobjektive. Die höchste damit erreichbare numerische Apertur beträgt A = 0,95. Diese ist jedoch erheblich zu steigern, wenn man zwischen Frontlinse speziell konstruierter Immersionsobjektive und dem Deckglas eine besondere Immersionsflüssigkeit von hoher Brechzahl bringt, die dann im Abbildungsstrahlengang liegt. Auf diese Weise sind Aperturen bis A = 1,40 zu erreichen. Die speziellen Immersionsobjektive sind jeweils mit einem schwarzen Ring gekennzeichnet. Immersionsobjektive müssen nach jeder Benutzung sofort gereinigt werden. Dazu entfernt man das Im-

16.6 Spezielle Beleuchtungsverfahren für spezielle Zwecke

185

mersionsöl durch Aufsaugen mit einem fusselfreien Reinigungstuch und tupft anschließend vorsichtig mit einer kleinen Menge Xylen (früher Xylol genannt;) nach. Vorsicht: Dämpfe sind gesundheitsschädlich! Auf keinen Fall einatmen!

16.6 Spezielle Beleuchtungsverfahren für spezielle Zwecke Die gerätetechnische Seite eines ausbaufähigen Systemmikroskops beschränkt sich nicht auf die Wahl der richtigen Objektive bzw. Okulare sowie die Objektuntersuchung im konventionellen Hellfeld-Durchlicht. Vielmehr lassen sich durch zum Teil recht aufwändige Sonderausstattungen alternative Beleuchtungsverfahren Strukturen und Objektdetails erkennen, die das gewöhnliche Durchlichtverfahren trotz ausgeklügelter und eventuell sogar mehrstufiger Färbeverfahren nicht darstellen kann. Die meisten dieser Spezialverfahren dienen der Kontrastverstärkung der im Objekt befindlichen Details. Beim Dunkelfeldverfahren können beispielsweise auch ungefärbte und kontrastschwache Objekte untersucht werden. Die Polarisationsmikroskopie nutzt die Doppelbrechung mancher Objektstrukturen und liefert zum Teil außerordentlich farbenprächtige Bildeindrücke. Die Phasenkontrastmikroskopie lässt auch sehr feine Strukturen ungefärbter Präparate erkennen und stellt die Objektdetails reliefartig plastisch dar. Mit ähnlichen Effekten, aber technisch etwas anderen Mitteln arbeitet das Differenzialinterferenzkontrast-Verfahren (DIC) nach Normarski oder die noch wenig verbreitete, aber vergleichsweise einfache und nachdrücklich empfehlenswerte Beugungskontrast-Technik nach Matthias. Wenn beide Verfahren nicht zur Verfügung stehen, kann man sich notfalls auch mit der Schiefen Beleuchtung weiterhelfen, die ebenfalls mithilfe stark betonter Brechungssäume räumlich erscheinende Bilder von kontrastarmen Objektstrukturen bietet. Die Fluoreszenzmikroskopie stellt nur solche Objektstrukturen dar, die zuvor mit besonderen Farbstoffen markiert wurden und in gewöhnlichem Licht nicht, sondern nur nach Anregung mit bestimmten Wellenlängen sichtbar sind. Dazu gehören beispielsweise die Elemente des Cytoskeletts oder manche Bandierungstechniken zur Visualisierung von Binnenstrukturen in Chromosomen (Chromomeren). Zu den besonders bemerkenswerten und recht aufwändigen Neuentwicklungen in der Lichtmikroskopie gehört die Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM), mit der die Erzeugung dreidimensionaler Bilder möglich ist. Das jeweils anzuwendende Untersuchungs-verfahren hängt in gewissem Maße von den Objektqualitäten ab (vgl. Abb. 16-4).

186

16 Mikroskopieren empfohlenes Verfahren

Objektqualität

Größe

makroskopisch

Stereomikroskop

mikroskopisch Hellfeld, Dunkelfeld, Auflicht

Systemmikroskop

Lage

Petrischale u.a.

Inversmikroskop

nein Objektträger Standardmikroskop nein Dicke > 50 μm

ja

Auflicht

ja

Hellfeld

ja

Phasenkontrast

ja

Polarisation

ja

Autofluoreszenz Epifluorezenz

nein Durchlichtmikroskopie

kontrastreich nein transparent teils doppelbrechend nein Fluoreszenz

Abb. 16-4. Untersuchungsvorhaben bzw. Objekteigenschaft bestimmen die Auswahl: Flussdiagramm zur Auswahl des richtigen Mikroskops und Beobachtungsverfahrens (verändert nach Barker 2006)

Die operativen Einzelheiten dieser jeweils recht umfänglichen und fallweise auch aufwändigen Verfahrenstechnik und ihrer typischen Einsatzgebiete können hier aus Platzgründen nicht ausführlicher dargestellt werden und sind daher der vorliegenden Fachliteratur zu entnehmen. Technisch-physi-

16. 8 Instrumentenpflege

187

kalische Details der verschiedenen auch in der Laborroutine eingesetzten Verfahren der Kontrastverstärkung sind der reichlich vorhandenen Spezialliteratur ebenso zu entnehmen wie die zahlreichen heute verfügbaren cytobzw. histochemischen Färbeverfahren zur differenziellen Darstellung besonderer Objektstrukturen. 16.7 Dokumentation Das Mittel der Wahl zur Dokumentation mikroskopischer Befunde oder Beobachtungen ist die Fotografie. Gut ausgestattete Labormikroskope sind meist mit einem Kameraaufsatz bzw. Fototubus für den Anschluss einer konventionellen Spiegelreflexkamera ausgerüstet. Je nach Gerätetyp ist auch eine spezielle Kamera integriert, die mit einer automatischen Belichtungssteuerung gekoppelt ist. Falls diese Zusatzausstattung nicht zur Verfügung steht, ist eine (weitgehend) zufrieden stellende fotografische Dokumentation dennoch möglich, nämlich mit Foto-Handy oder Digitalkamera (DigiCam). Ein Foto-Handy ist zugegebenermaßen eher eine Notlösung, da die geräteeigene Optik bei den derzeit im Handel befindlichen Geräten eher dürftig ist, obwohl die Speicherkapazität (mit durchweg 2 GB) zumindest für eine gewisse Anzahl Aufnahmen völlig ausreicht. Digitalkameras sind im Vergleich dazu optisch wesentlich leistungsfähiger. Für eine Mikroaufnahme legt man die Linse des Aufnahmegerätes vorsichtig auf das Okular, holt den gewünschten Objektbereich mit Zoom-Funktion und Autofokus möglichst nahe heran und löst aus. Zur Vermeidung verwackelter Aufnahmen umfasst man mit einer Hand das Mobiltelefon bzw. das Objektiv der DigiCam gleichzeitig mit dem Mikroskopokular und löst nach Bildkontrolle im Display aus. 16.8 Instrumentenpflege Der ärgste Feind eines Mikroskopes ist der allgegenwärtige Staub. Man bewahrt also sein Instrument zwischen den Einsätzen immer in einem entsprechenden Behältnis oder zumindest unter einer Schutzhülle auf. Regelmäßig zu reinigen sind lediglich die Linsen – das Okular, weil es ständig in Kontakt mit den naturgefetteten Augenwimpern des Beobachters (oder dem Augen-Makeup der Kollegin...) kommt, und das Objektiv, nachdem es vielleicht doch einmal in eine Farblösung eintauchte. Solche und andere Verschmutzungen verursachen hoffnungslos unscharfe oder kontrastarme Bilder.

188

16 Mikroskopieren

Lose anhaftende Verschmutzungen auf Linsen entfernt man mit einem kleinen Blasebalg (in Fotofachgeschäften erhältlich, dient auch zum Reinigen von Kameras) oder mit einem weichen, fettfreien Malpinsel, den man zuvor mehrfach in Waschbenzin oder Feuerzeugbenzin gereinigt hat. Putzen mit ungeeigneten Textilien führt erfahrungsgemäß zu Kratzern, welche die Bildqualität erheblich beeinträchtigen. Nicht abwischbare oder sonstwie angekrustete Beläge entfernt man mit wenig Wasser (Anhauchen der Linse genügt meistens, sonst etwas Wasser mit einem Spritzer Spülmittel) und einem Mikrofaserputztuch oder Linsenpapier (in Optikfachgeschäften) bzw. einem nicht fusselnden, bereits häufig gewaschenen Leinentuch. Nur bei sehr hartnäckiger Verschmutzung verwendet man Waschbenzin oder Diethylether (Vorsicht: Dämpfe nicht einatmen!), niemals jedoch Alkohol (daher auch keine Glas- oder Fensterputzmittel), weil dieser die Linsenverkittung angreifen könnte. Ansonsten ist ein Lichtmikroskop praktisch wartungsfrei.

17 Photometrieren

Die Spektroskopie, auch Spektralphotometrie, Spektrophotometrie oder einfach nur Photometrie genannt, umfasst eine Anzahl experimenteller Messverfahren, die generell die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie nutzen. Diese quantifizierenden Verfahren haben eine überragende Bedeutung nicht nur in der naturwissenschaftlichen Forschung, sondern auch in der täglichen Praxis von Kontrolllabors. Sie gestatten nämlich einerseits die Identifizierung von Stoffen in einer Lösung anhand von charakteristischen Absorptionsspektren, ermöglichen aber auch eine exakte Bestimmung der Konzentration eines gelösten Stoffes. Bei der Spektroskopie wird das Licht einer definierten Lichtquelle in ein Spektrum zerlegt (Farbzerlegung). Stoffe, die spektral untersucht werden sollen, setzt man einer bestimmten Lichtqualität (= Farbe), d.h. einer bestimmten Wellenlänge λ aus. Aus dem Absorptions- bzw. Extinktionsverhalten lassen sich wichtige Rückschlüsse auf die Qualität oder die Quantität bestimmter zu untersuchender Stoffe ziehen. Spektroskopische Methoden sind wichtige Analyseverfahren der Physik, Chemie und Biochemie. Sie finden zudem in der Astronomie Anwendung, weil das Licht von Himmelskörpern bemerkenswerte Rückschlüsse auf die Eigenschaften von Lichtemittenten im Weltall erlaubt. Spektroskopische Untersuchungen waren auch entscheidend wichtig für die Aufklärung des Schalenaufbaus der Atome und die Entwicklung der Quantenmechanik. Pioniere der Spektroskopie waren Gustav Kirchhoff (1824–1887) und Robert Bunsen (1811–1899), die 1859 in Heidelberg entdeckten, dass verschiedene chemische Elemente die Flamme eines Gasbrenners in charakteristischer Weise färben. Joseph von Fraunhofer (1787–1826) hatte bereits 1814 im Spektrum des Sonnenlichtes zahlreiche dunkle Linien entdeckt, die man später nach ihm als Fraunhofer’sche Linien bezeichnete. Er konnte dieses Phänomen aber nicht genauer erklären, weil die notwendigen Kenntnisse des Atombaus und der Vorgänge bei der Absorption und Emission von Licht noch nicht verfügbar waren. Bei der Wechselwirkung von Strahlung und Materie unterscheidet man unter anderem die folgenden Möglichkeiten:

190

17 Photometrieren

• Elastische Streuung: Man beobachtet nur eine Impulsänderung der Photonen. Beispiele sind die Beugung von Röntgen-, Elektronen- und Neutronenstrahlung. • Inelastische Streuung: Resonante Absorption und Emission von Photonen bzw. Lichtquanten.

17.1 Spektroskopie und Photometrie Im Allgemeinen verwendet man die Bezeichnung Spektroskopie auch für die Messung der Energieverteilung von Gamma-Strahlen oder Strahlung von Teilchen wie Alpha- und Beta-Strahlen oder von freien Neutronen. Spektroskopie bzw. Photometrie im engeren Sinn bezieht sich dagegen überwiegend auf die Untersuchung, bei welchen Frequenzen bzw. Wellenlängen eine bestimmte Substanz Energie in Form von Lichtquanten bzw. elektromagnetischen Wellen aufnehmen (absorbieren) oder abgeben (emittieren) kann. Die Energie eines Lichtquants oder die entsprechende Frequenz einer elektromagnetischen Welle lässt sich mit der Energiedifferenz zweier quantenmechanischer Zustände der zu untersuchenden Substanz wiedergeben: ∆E = h ⋅ v

[Gl. 17-1]

Darin bedeuten h die Planck’sche Konstante, ν die Frequenz des Lichts und ΔE die Energiedifferenz. Diese Beziehung ist die Grundgleichung der Spektroskopie. Die Energiedifferenzen quantenmechanischer Zustände sind von der stofflichen Zusammensetzung einer Probe und von ihrer atomaren bzw. molekularen Struktur abhängig. Die von den Stoffen ausgehende Strahlung enthält daher wichtige Informationen. Mithilfe der Spektroskopie lassen sich somit aus dem gemessenen Spektrum wichtige Rückschlüsse auf den strahlenden Körper ziehen, beispielswiese auf seine Struktur, Temperatur und Bewegung (Doppler-Effekt). Die Spektroskopie umfasst einen großen Teil des elektromagnetischen Spektrums einschließlich des sichtbaren Lichtes und reicht von der kurzwelligen Gamma-Strahlung bis zu langwelligen Radiowellen. Die Präzisionsspektroskopie ermöglicht es, aus der genauen Lage oder der Stärke von Spektrallinien physikalische Größen, zum Beispiel bestimmte Naturkonstanten zu bestimmen. Die wellenlängengenaue Untersuchung der Lichtemission und -absorption von Molekülen und Atomen mithilfe von Gitter- und Prismenspektrometern sind die am längsten eingesetzten spektroskopischen Verfahren. Das Element Helium wurde zuerst durch

17.1 Spektroskopie und Photometrie

191

spektroskopische Untersuchungen des Sonnenlichtes erkannt. Besondere Erfolge der astronomischen Spektralanalyse und Spektroskopie sind die als Doppler-Effekt gedeutete Rotverschiebung des Lichtes von Sternen bzw. Galaxien, die Quantifizierung der Wirkung von Magnetfeldern auf die Sonne und helle Sterne (Zeeman-Effekt) sowie vor allem die Bestimmung von Sterntemperaturen und ihrer Zugehörigkeit zu bestimmten Spektralklassen des Hertzsprung-Russel-Diagramms. Wellenlänge (nm): 3 × 10-8

γ- und Röntgen Strahlung Frequenz (Hz): 1022 Kernübergänge Übergänge innerer Elektronen

3 × 102 3 × 103

3

UV

IR

3 × 105

3 × 1012

Mikrowellen/ Radiostrahlung

Licht 1016

1014

1012

Übergänge Valenzelektronen Molekülschwingung Molekülrotation

105 Spin-Orientierung ESR NMR

Abb. 17-1. Einteilung des elektromagnetischen Spektrums

Bei der Molekülspektroskopie untersucht man die Wechselwirkung von Molekülen mit elektromagnetischen Feldern. Dies ermöglicht die Charakterisierung molekularer Eigenschaften wie beispielsweise die Bindungslängen und -stärken, aber auch die Identifizierung der atomaren Bestandteile. Die beobachteten Molekülspektren unterscheiden sich von den Atomspektren durch deutlich mehr und meist überlappende Linien, die Banden. Der Grund dafür ist, dass die Moleküle nicht nur durch Elektronenübergänge, sondern auch bei Schwingungen der Atome gegeneinander und durch Rotationen des Moleküls um eine seiner Achsen Energie absorbieren oder emittieren (vgl. Abb. 17-1). Zur Messung der Absorptions- oder Emissionseigenschaften einer Substanz im UV- oder sichtbaren Bereich des Spektrums (UV/VIS-Photometrie) verwendet man ein Spektralphotometer (Abb. 17-2). Darin wird das von einer Lichtquelle emittierte Licht mit Hilfe eines Monochromators spektral zerlegt. Über besondere Filtereinrichtungen (Kanten-, Interferenz- oder andere Filter) wählt man aus dem Lampenspektrum möglichst engbandig eine bestimmte Wellenlänge aus, in der die zu photometrierende Verbindung besonders gut absorbiert, beispielsweise die Wellenlänge λ = 340 nm für die Messung des Übergangs von reduziertem Nicotinsäureamid-adenin-dinucleotid (NADH) in seine oxiderte Form NAD+. Bei der

192

17 Photometrieren

Aufnahme eines Absorptionsspektrums wählt man den interessierenden Spektralbereich aus und lässt vom Spektralphotometer sukzessive dessen Wellenlängen auf die Messprobe einstrahlen. Der Detektor (Photomultiplier) bzw. die damit gekoppelte Messelektronik vergleicht die Intensität des absorbierten oder des emittierten Lichtes in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Mess- und Ausgabegröße sind entweder die Transmission (= Prozentanteil des nicht absorbierten Lichtes) oder die Extinktion (Absorption, Optische Dichte), die keine Einheit hat und Werte zwischen 0 und 1 annimmt. Für jede das Licht absorbierende Substanz ist der molare Extinktionskoeffizient ε bekannt oder zu ermitteln. Er gibt die Absorption einer reinen Verbindung in einer Lösung mit der Stoffmengenkonzentration c = 1 mol L–1 an. Lichtquelle

Monochromator Filter

Messkammer Detektor Anzeige (Küvette) (Photomultiplier)

Abb. 17-2. Schema zum Aufbau eines Spektralphotometers

Ein praktisches Laborbeispiel für die Anwendung der Spektroskopie ist die photometrische Konzentrationsbestimmung eines Stoffes in Lösung. Manche Substanzen erscheinen uns deswegen farbig, weil sie Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren. Meist liegt das Absorptionsmaximum (λmax) in einem sehr engen Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektrums (ca. 400–700 nm). In diesem Bereich lässt eine Lösung der farbigen Substanz das eingestrahlte Licht infolge der Absorption nur teilweise durch. Der Logarithmus des Verhältnisses von eingestrahlter (I0) zu durchgelassener Lichtmenge (I) wird als Extinktion (E) bezeichnet. Dabei gilt folgende Beziehung: [Gl. 17-1] E = lg I0 / I Die Extinktion ist in einem weiten Bereich, in dem gemessen werden kann, der Konzentration des gelösten Stoffes proportional (Lambert-Beer’sches Gesetz): E=ε ×d ×c Darin bedeuten ε: molarer Extinktionskoeffizient d: Schichtdicke

[Gl. 17-2]

17.2 Szintillationsspektrometrie

193

c: Konzentration Die Extinktion ist demnach umso größer, je konzentrierter die Lösung der betreffenden Substanz ist. Diese Tatsache verwendet man zur Konzentrationsbestimmung. Die Methode ist in der medizinischen und biochemischen Analytik unentbehrlich geworden und soll hier an einem Beispiel vorgestellt werden. Dabei geht es um die photometrische Konzentrationsbestimmung einer Lösung von Kaliumferricyanid K3Fe(CN)6: Mit dem Spektralphotometer wird die Extinktion von Lösungen genau eingestellter Konzentrationen (Verdünnungsreihe einer Ausgangslösung von 1 g Kaliumferricyanid in 1000 mL Wasser bei 400 nm gemessen. Es zeigt sich, dass die Extinktionswerte mit abnehmender Konzentration weitgehend linear abfallen. Die Messergebnisse stellt man tabellarisch und graphisch in einem Koordinatensystem (Ordinate: Extinktion; Abszisse: Konzentration in mmol L–1) dar. Nachdem die relativen Konzentrationen der FarbstoffLösungen (Verdünnungsreihe mit 1/1, 1/2, 1/4, 1/10 der Ausgangskonzentration) in absolute Angaben wie mmol L–1 umgerechnet wurden, steht eine Eichkurve zur Verfügung, mit deren Hilfe man die Konzentration einer oder mehrerer Testlösungen bestimmen kann.

17.2 Szintillationsspektrometrie Ein bedeutender Spezialanwendungsbereich der Spektralphotometrie ist die in der analytischen Biochemie häufig eingesetzte Szintillationsspektrometrie, auch Flüssigkeits-Szintilliationsspektrometrie oder LSC (liquid scintillation counting) genannt. Dieses Verfahren dient der Bestimmung der in einer Probe enthaltenen Art und Menge von Radioisotopen, beispielsweise nach Markierungsexperimenten mit Tritium 3H oder Radiokohlenstoff 14C. Ein exakt abgemessenes Probenvolumen gibt man in einen Szintillations-Cocktail. Darin wird zunächst das organische Lösemittel, meist Toluen (Toluol) oder 1,3-Dimethoxy-benzol, durch die β-Teilchen der zerfallenden Radioisotopen angeregt. Sie geben dann ein Fluoreszenzsignal im UV-Bereich (ca. 260–340 nm) ab, das technisch jedoch relativ schwer zu registrieren ist. Dem Lösemittel mischt man daher eine besondere Verbindung bei, die das kurzwellige Fluoreszenzlicht aufnimmt und bei größerer Wellenlänge (meist > 400 nm) abstrahlt: Dieser Hilfsstoff wird primärer Szintillator genannt. Häufig eingesetzte Verbindungen dieses Typs sind 2,5-Diphenyl-oxalzol (PPO) oder 2-(4-Butyl-phenyl)-5-(4-biphenylyl)-1,3,4-oxadiazol (=Butyl-PBD). Gegebenenfalls enthält der Cocktail zur Verbesserung der Messausbeute einen sekundären Szintillator wie 1,4-Bis-(5-phenyl-oxazol-2-yl)-benzol (POPOP), der das Fluoreszenzsignal

194

17 Photometrieren

nochmals in den Bereich größerer Wellenlänge verschiebt, das über einen Photonenvervielfacher aufgenommen und als elektrischer Impuls in die Messelektronik eingespeist wird. Der Energietransfer vom β-Teilchen auf ein Lösemittel-Molekül und von dort auf den primären Szintillator dauert nur etwa 10–9 bis 10–3 s. Die längerwelligen Fluoreszenzsignale sind abhängig von der Menge der radioaktiven Zerfallsakte in der Probe. Von den tatsächlich ablaufenden Zerfallsakten (festgelegt als dpm = desintegrations per minute, früher bezeichnet in der Einheit Curie, 1 Ci = 3,7 × 1010 Zerfälle s–1, heute angegeben in der Einheit Becquerel Bq, 1 Bq = 1 Zerfall s–1; 1 Ci = 3,7 × 1010 Bq) werden methodisch bedingt nicht alle erfasst. Die tatsächlich gezählten Impulse (cpm = counts per minute) müssen daher mit einem Korrekturfaktor versehen werden, der die Umrechnung auf die in der Probe enthaltene Isotopenmenge erlaubt.

18 Sterilisation und steriles Arbeiten

Verlässliche Wissenschaft, die objektive und reproduzierbare Ergebnisse anstrebt, erfordert nicht nur korrektes, sondern auch absolut sauberes Arbeiten durchaus im Wortsinn. Wichtigster Grundsatz ist dabei die ausschließliche Verwendung von Reaktionsgefäßen bzw. Apparaturen(teilen) ohne anhaftende (an)organische oder biologische Materialspuren vorangegangener Arbeitsschritte, die in nachfolgende Analyse- oder Präparationsabschnitte verschleppt werden könnten. Das gilt insbesondere für radiochemisches Arbeiten. Die überaus gründliche Reinigung aller verwendeten Materialien ist demnach eine Selbstverständlichkeit, die man aber dennoch nicht oft genug betonen kann. Wichtige Empfehlungen für die Reinigung von Laborgeräten (insbesondere Laborgläsern) sind in Kapitel 4 und 7.7 enthalten. Die analytische Sauberkeit der verwendeten Labormaterialien reicht fallweise aber noch lange nicht aus. Viele biologische Forschungsarbeiten, beispielsweise die Anzucht und das Experimentieren mit Reinkulturen, sowie industrielle Produktionsabläufe erfordern steriles Arbeiten. In solchen Fällen dürfen die verwendeten Apparaturen und Reagenzien keine mikrobiellen Verunreinigungen aufweisen. Bakterien, Pilzsporen und andere Mikroorganismen sind normalerweise in der Umwelt ubiquitär – es gibt faktisch keine Oberflächen, die sie nicht besiedeln: In der gewöhnlichen Raumluft sind etwa 500 Bakterien/m3 (meist an schwebende Partikeln gebunden) enthalten. Entsprechend höhere Bakterienzahlen und mikroskopisch kleine Diasporen finden sich in Staubdepots. Haut und Haare des Laborpersonals sind ebenfalls permanente Mikrobenhabitate. Allein auf der Haut siedeln üblicherweise bis über 1000 Bakterien/cm2 Oberfläche. Ein kräftiger Händedruck kann mehrere tausend Keime/cm2 abgeben. Unter anderem sind auch die Epithelien der oberen Atemwege normalerweise von meist harmlosen Bakterien intensiv kolonisiert und für steriles Arbeiten im Labor insofern eine potenzielle Problemzone. Steriles Arbeiten etwa in Kliniken verlangt deshalb immer einen Mundschutz sowie eine Verhüllung des Kopfhaares und der Kleidung insbesondere der Schuhe. Unter Sterilisation (gelegentlich auch Sterilisierung genannt) im labortechnischen Kontext versteht man alle geeigneten Verfahren, mit denen man Materialien (auch Lösungen) und Gegenstände (Geräte) von anhaftenden oder enthaltenen lebenden Mikroorganismen oder deren Dauerformen befreit, indem diese abgetötet oder irreversibel inaktiviert werden. Die Sterili-

196

18 Sterilisation und steriles Arbeiten

sation schließt auch die Zerstörung von Viren (sind keine Mikroorganismen) sowie Prionen (infektiöse Proteine) ein, bei gentechnischen Arbeiten auch die Denaturierung von Plasmiden und Nucleinsäure-Fragmenten. Der Begriff der Sterilisation ist demnach umfassender als die häufig verwendete und so nicht zutreffende Umschreibung keimfrei. Mit Kontamination bezeichnet man dagegen die zufällige, unabsichtliche, unbemerkte Verschleppung unerwünschter Mikroorganismen in bereits sterile Lösungen, Reaktionsansätze, Nährböden, Laborgeräte oder sonstige Objekte (Verpackungen, Pharmazeutika, OP-Instrumente). Die Vermeidung einer Kontamination von Sterilgut erreicht man durch konsequente Beachtung der sterilen Arbeitstechnik. Alle Maßnahmen zur Vermeidung einer Kontamination fasst man unter den Begriff Asepsis. Die komplette Sterilisation von Laborgut jeglicher Qualität ist zwar eine wichtige Option, aber in der Praxis nicht oder nur selten erreichbar. Realistisch spricht man daher von der Reduzierung der Anzahl an vermehrungsfähigen Mikroorganismen um einen anwendungsbezogen unterschiedlichen Faktor. Bei allen Sterilisationsverfahren ist daher mit einer gewissen, wenn auch fallweise sehr geringen Kontaminationswahrscheinlichkeit zu rechnen. Vergleichbar der Zerfallskinetik radioaktiver Isotope nimmt bei den verschiedenen Sterilisationsverfahren der Anteil abgestorbener Individuen einer Population von Mikroorganismen in jedem Zeitintervall zu. Die Zeit, in der 90% einer vorgegebenen Population absterben – der Bestand lebender bzw. lebensfähiger Zellen oder Virionen (= einzelne Viren) also auf 1/10 und damit um eine Zehnerpotenz reduziert wird –, bezeichnet man als Dezimalreduktionszeit D (auch D-Wert oder dezimale Reduktionszeit genannt). Bei Verwendung von Temperatur als Sterilisationsverfahren gibt man diese als Subskript (tief gestellten Index) zusätzlich und damit genau an: D100 °C bedeutet demnach die dezimale Reduktionszeit bei 100 °C. Gegenüber der Desinfektion erwartet man von der eigentlichen Sterilisation eine um mindestens eine Zehnerpotenz höhere Wahrscheinlichkeit der vollständigen Abtötung aller Mikroorganismen. Über 90% aller Keime werden über die Hände übertragen. Deshalb hängt man in Krankenhäusern Hygienespender mit Desinfektionsmitteln auf. Konventionelles Händewaschen – auch mit Seife – reicht deshalb nicht, weil dabei kaum oder zu wenig Keime abgetötet werden. Vor allem Staphylococcus aureus, der Lungenentzündungen und andere Infektionen verursachen kann, macht Probleme, da er sich häufig gegenüber Antibiotika als resistent erweist. Das Tragen von Handschuhen im Labor ist deshalb nicht nur zum Schutz der Haut vor Chemikalien, sondern auch aus Gründen der Handhygiene zum sterilen Arbeiten nicht nur für Chirurgen notwendig.

18.2 Sterilisation durch Erhitzen

197

Unter einer axenischen Kultur versteht man eine Reinkultur ohne Verunreinigung durch andere Organismen, beispielsweise eine unialgale Kultur, in der nur ein bestimmter Stamm der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardii wächst, aber durchaus auch Bakterien enthalten sind. Die Bezeichnung wird oft im Sinne von „steriler Kultur“ gebraucht, ist aber sachlich keineswegs identisch. 18.1 Wichtige Sterilisationsverfahren Tabelle 18-1 listet überblicksweise die üblichen Verfahren der Sterilisation auf. Dabei kommen physikalische und chemische Methoden zum Einsatz. Ein universell anwendbares Sterilisationsverfahren gibt es nicht. Die Wahl der Methode hängt von mehreren Parametern ab, etwa von der Qualität des Sterilisationsgutes und dem Grad der Kontamination. Außerdem sind die verschiedenen Verfahren unterschiedlich zuverlässig. Als sicherste Methode wird generell das Autoklavieren von Probengut angesehen. Tabelle 18-1. Verfahren zur Keimreduzierung Abtötendes Agens

Verfahren

Temperatur

Autoklavieren Tyndallisieren Kochen Heißluft Ausglühen Abflammen

Chemikalien

Gassterilisation Desinfektion

Strahlung

UV-Strahlung Röntgenstrahlung Radioaktivität

Sterilfiltration

18.2 Sterilisation durch Erhitzen Das Abtöten von Mikroorganismen durch erhöhte Temperatur geht vor allem auf die irreversible Denaturierung ihrer Proteine zurück. Bei der Einwirkung trockener Hitze ist vor allem die Oxidation anderer Zellkomponenten von Belang. In jedem Fall folgt die Abtötung der Mikroorganismen

198

18 Sterilisation und steriles Arbeiten

einer Wahrscheinlichkeitsfunktion – die Zahl der überlebenden Zellen einer vorgegebenen Population nimmt exponentiell mit der Zeit ab. Der bereits vorgestellte D-Wert beschreibt den Wirkungsgrad. Eine Keimzahlverminderung um fünf Zehnerpotenzen eliminiert 99,999% der Ausgangspopulation. Die wirksamste und zugleich sicherste Methode der Hitzesterilisation ist das Autoklavieren (Dampfsterilisation) mit gespanntem, unter erhöhtem Druck stehenden Wasserdampf in einem dickwandigen Druckbehälter (Autoklav, Dampfsterilisator). Bei 100 °C weist Wasserdampf einen Druck von 101 kPa bzw. 1,01 bar auf. Im geschlossenen System erreicht er bei 115 °C bereits 170 kPa (1,7 bar) und bei 134 °C sogar 304 kPa (3,04 bar). Sofern das Sterilisiergut genügend hitzestabil ist (Glas, Metall, manche Kunststoffe, Wasser und wässrige Lösungen anorganischer Substanzen), autoklaviert man 5 min lang bei 134 °C. Die Abtötungszeit ist für verschiedene Mikroorganismen unterschiedlich: Für Mycobacterium tuberculosis beträgt die D61,5 °C = 3 min; für die meisten vegetativen Bakterien, Hefen und Schimmelpilze ist von D100 °C = 5 min auszugehen. Zu berücksichtigen ist allerdings, wonach der D-Wert die Wahrscheinlichkeit angibt, dass 90% der Bakterienpopulation in der angegebenen Zeit abgetötet wurden und 10% der Individuen überleben. Ein auf den Zeitraum 2 D ausgedehntes Erhitzen erhöht die Wahrscheinlichkeit des Abtötens auf 99%. Bei einem Ausgangsgehalt von 103 Individuen ist demnach zum Erreichen einer relativ sicheren Sterilität einer Probe eine Einwirkungszeit von mindestens 5 D erforderlich. Für die Zerstörung von Hepatitis B-Viren setzt man heute 30 min bei 100 °C an, für Prionen 18 min bei 134 °C und 3 bar. Beim Autoklavieren sind wegen des Arbeitens mit erhöhtem Druck unbedingt die relevanten Sicherheitsvorschriften zu beachten! Unter Tyndallisieren, auch als fraktionierte Sterilisation bezeichnet und nach dem irischen Physiker John Tyndall benannt, versteht man das dreimalige Erhitzen von Lösungen oder Nährböden im Wasserbad auf 80–100 °C für jeweils 30 min an drei aufeinanderfolgenden Tagen. Die Methode ist nicht allzu zuverlässig, aber bedenkenswert für solche Ansätze, die ein Autoklavieren nicht vertragen. Die Heißluftsterilisation nutzt die abtötende Wirkung trockener Hitze. Sie erfordert jedoch im Unterschied zum Autoklavieren wesentlich längere Einwirkungszeiten. Sie wird überwiegend im industriellen Bereich beispielsweise bei Einwegpipetten und Verpackungsmaterialien angewendet. Die Sterilisierzeit beträgt bei 160 °C im Allgemeinen 180 min, bei 180 °C 30 min. Das Abflammen und Ausglühen von Laborgeräten erfolgt mithilfe von Gasbrennern (Bunsen- oder Teclu-Brenner; Kartuschenbrenner mit Sicherheitsaufsatz). Beim Abflammen werden Pinzette, Scheren, Spatel und Skalpelle für kurze Zeit in die Flamme gehalten, ohne sie zum Glühen zu

18.3 Sterilisation mit chemischen Mitteln

199

bringen. Zuverlässiger ist das Ausglühen, indem man die betreffenden (Metall-)Geräte wie Impfnadeln und -ösen in den Außenkegel einer Brennerflamme hält. Gelbglut bei ca. 1000 °C tötet alle etwaigen anhaftenden Mikroorganismen in weniger als 1 s ab. Vor der weiteren Verwendung müssen die betreffenden Instrumente auskühlen, beispielsweise durch Eintauchen in steriles Wasser.

18.3 Sterilisation mit chemischen Mitteln Sofern das Sterilisationsgut thermolabil ist und eine Behandlung mit den unter 18.1 benannten Verfahren nicht verträgt, greift man eher zu abtötenden Chemikalien. Bei der chemischen Trockenantiseptik erfolgt die Abtötung der Mikroorganismen mit gasförmig auf Oberflächen einwirkenden Substanzen. Vielfach und fast ausschließlich im industriellen Bereich wird das hochgiftige Ethylenoxid verwendet, ein zyklischer Ether (1,2-Epoxyethan), der in Deutschland nicht für den Einsatz an Lebensmitteln zugelassen ist. Verpackungen oder Geräte einer entsprechenden Vorbehandlung tragen die Kennzeichnung EO. Andere Agenzien sind der recht toxische Formalaldehyd (Methanal, H2C=O), dessen Dämpfe Augen und Atemwege reizen, zudem allergische Reaktionen auslösen können und möglicherweise cancerogen sind. In der Lebensmittelbranche (vor allem in der Getränkeindustrie) setzt man überwiegend die ebenfalls hautreizende Peroxyessigsäure (H3C-CO-OOH) ein. Zu den chemischen Verfahren gehören schließlich auch alle der Desinfektion dienenden Maßnahmen, die gewöhnlich nur eine deutliche Keimreduzierung, jedoch kaum eine zufrieden stellende Sterilisation leisten. Statt der vom Fachhandel angebotenen breiten Produktpalette für Hände und Arbeitsflächen kann man auch 70%iges (v/v) Ethanol (oft mit toxischem Pyridin vergällt), jedoch keinen Brennspiritus verwenden!. Gleichwertig sind auch 50%iges 1-Propanol (n-Propanol) oder 60%iges 2-Propanol (Isopropanol, i-Propanol, früher Isopropylalkohol genannt) zu verwenden. Beim Versprühen ist die Brand- und Explosionsgefahr zu beachten. Schließlich ist im technischen wie im medizinischen Bereich auch der Einsatz von Wasserstoffperoxid (H2O2) in verschiedenen Konzentrationen üblich. Für die Gerätedesinfektion haben sich auch eine 2%ige Glutaraldehyd(Glutardialdehyd-) Lösung oder Peroxyessigsäure bewährt. Beide Mittel sollten nur unter dem Abzug verwendet werden. Da bei den zuletzt benannten Verfahren die keimtötenden Chemikalien als Flüssigkeit auf die zu behandelnden Oberflächenbehandlung aufgetragen werden, spricht man auch

200

18 Sterilisation und steriles Arbeiten

von Nassantiseptik. Alle organischen Chemikalien, die der Sterilisation dienen, sind grundsätzlich nur unter dem Abzug zu verwenden! 18.4 Sterilisation durch Strahlen Die Strahlensterilisation erfolgt durch energiereiche ionisierende Strahlung, die hinreichend tief in das Sterilisiergut eindringen. Es kommen dafür Gammastrahlung aus radioaktiven Quellen (meistens 60Co) oder auch Röntgenstrahlen in Frage. Die Anwendungen beschränken sich fast ausschließlich auf den industriellen Bereich, wenn etwa medizinische Bedarfsartikel (Einwegspritzen, Verbandmaterial u.a.) sterilisiert werden, ferner auf Verpackungsmaterialien für Pharmazeutika. In der Laborpraxis setzt man dagegen fast ausschließlich UV-Strahlung ein. Zelltötend wirkt vor allem das Wellenband 200–280 nm (UV-C). Das Wirkungsoptimum liegt bei der Wellenlänge 260 nm, die vor allem von den Nucleinsäuren absorbiert wird. Energiereiche UV-Strahlen lösen in der DNA strukturelle Veränderungen aus, darunter besonders häufig kovalente Ringschlüsse zwischen kettenbenachbarten Pyrimidinbasen (Cytosin und Thymin). Sie stören die DNA-Replikation und führen schließlich zum Zelltod. Die eingesetzten Strahlenquellen sollten Wellenlängen unter 200 nm allerdings nicht durchlassen, da sonst toxisches Ozon entsteht. UV-Strahlung setzt man in unbenutzten Laborräumen (vorzugsweise über Nacht) auch zur Raumsterilisation ein. Bei der damit angestrebten Keimreduzierung ist allerdings zu beachten, dass die Bestrahlungsstärke (Bestrahlungsdosis; auf der Bezugsflächeneinheit auftreffende Strahlungsleistung einer UV-Quelle) natürlich dem Strahlungsgesetz unterliegt und mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt. In 2,5 m Distanz zur UV-Quelle beträgt die Bestrahlungsstärke nur etwa 1% derjenigen bei 30 cm Abstand. 18.5 Sterilfiltration Die Steril- oder Mikrofiltration strebt die Abtrennung von Mikroorganismen aus Flüssigkeiten oder Gasen an. Viren oder Makromoleküle lassen sich mit dieser Methode nicht eliminieren, da die verwendeten Filtermaterialien im Allgemeinen keine absolut gleich großen Porendurchmesser aufweisen und ein bestimmter minimaler Porendurchmesser (meist um 0,1 μm) aus technischen Gründen nicht unterschritten werden kann. Gerätetechnisch unterscheidet man die sehr dünnen Membranfilter mit einer mittleren Dicke zwischen 115–130 μm bei 0,2 μm Porenweite und die wesentlichen kräftigeren Tiefenfilter, die um 3,7 mm dick sind und Porenweiten zwi-

18.5 Sterilfiltration

201

schen 0,1 und 1,5 μm aufweisen. Je nach Partikelfracht des Filtrationsgutes sollte man ein gröberporiges Vorfilter einschalten, damit sich die feinerporigen Filter nicht zu schnell zusetzen. Als Filtrationsgeräte bietet der Fachhandel eine breite Palette an Druckbzw. Vakuumfiltrationseinrichtungen an (vgl. Abb. 13-3), die auf Druckflaschen aufgesetzt werden oder als Filtrationsvorsätze beispielsweise in Injektionsspritzen eingelassen sind.

Membranfilter

Arbeitsmanometer

Abb. 18-1. Geräteanordnung zur Integritätsprüfung von Membranfiltern

Ein kritischer Punkt ist die Kontrolle der Zuverlässigkeit der verwendeten Filtrationsmaterialien. Etwaige Leckage ist völlig intolerabel, weswegen man vor und/oder nach einer Sterilfiltration die Membranintegrität überprüfen sollte. Das einfachste hierfür eingesetzte Verfahren ist der BubblePoint-Test (auch Blasendrucktest genannt). Dabei ist folgendermaßen zu verfahren (Abb. 18-1): 1. Durch das in das Filtrationsgerät eingelegt Membranfilter wird so viel Wasser filtriert, dass es vollständig durchfeuchtet ist. 2. An das Filtrationsgerät schließt man auf der Ausgangsseite einen Druckschlauch an, dessen freies Ende in ein mit Wasser gefülltes Gefäß führt. 3. Die Eingangsseite verbindet man über einen Druckschlauch mit einer Druckgasflasche (Stickstoff oder Pressluft). 4. Unter ständiger Kontrolle des Arbeitsmanometers am Reduzierventil erhöht man langsam den Druck. 5. Im Auffanggefäß dürfen erst dann Gasbläschen aufsteigen, wenn der herstellerseitig für den verwendeten Filtertyp angegebene Bubble Point gerade überschritten wurde. Der Bubble Point oder Blasendruck liegt bei den meisten Membranfiltertypen bei 3–5 bar. 6. Perlen im Auffanggefäß bereits bei deutlich geringerem Druck Gasbläschen auf, sollte man das Filtermaterial verwerfen und die eventuell zuvor vorgenommene Sterilfiltration wiederholen.

202

18 Sterilisation und steriles Arbeiten

18.6 Steriles Arbeiten Da die normale Raumluft und auch die Kleidung der im Labor tätigen Personen mengenweise Bakterien und Diasporen anderer Mikroorganismen als potenzielle Kontaminanten aufweist, ist bei mikrobiologischen oder analogen Arbeiten außer der Sterilisation aller verwendeten Geräte und Lösungen darauf zu achten, dass beispielsweise beim Inokulieren (Animpfen) von Nährlösungen oder Nährböden mit Reinzuchtkulturen keine Kontamination erfolgen kann. Dem sicheren Arbeiten dient als Standardausrüstung in entsprechend ausgerichteten Laboren die Reine Werkbank (Clean Box). Sie schützt nicht nur die sterilen Objekte vor Kontaminationen aus der Umgebungsluft, sondern auch die Experimentatoren beispielsweise vor infektiösen Aerosolen. Die für die Keimabscheidung in die Luftwege der Werkbank eingebauten Tiefefilter sind Hochleistungsschwebstoffluftfilter, die Partikel bis zu einer minimalen Größe von etwa 0,3 μm mit einer Effizienz von mindestens 99,97% zurückhalten. Von 10 000 Partikeln in der angesaugten Raumluft passieren somit höchstens drei das Filtermaterial. Absolute Sicherheit ist also auch hier nicht zu erreichen.

Filteranlage

Sichtscheibe Arbeitsöffnung

Ventilator

Abb. 18-2. Schema zum Aufbau einer Reinen Werkbank

Ansonsten gelten für das Arbeiten mit Mikroorganismen (und insbesondere mit pathogenen Formen) neben den in Kapitel 1 zitierten Verhaltensweisen besondere Sicherheitsmaßnahmen. Sie sind in der „Verordnung über Sicherheit und Gesundheitsschutz bei Tätigkeiten mit biologischen Arbeitsstoffen“ (Biostoffverordnung; BiostoffVO; letzte Fassung vom 18.12.2008) festgelegt. Diese teilt Bakterien und Mikropilze in vier Risikogruppen ein. Analog sind die Sicherheitsstufen S1–S4 nach dem Gentechnikgesetz bzw. der aktuellen Gentechniksicherheitsverordnung zu verstehen, die hier nicht im Detail zu zitieren sind.

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

Tabelle 19-1. Risiko-Sätze (R-Sätze; vgl. Kapitel 1) R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R20 R21 R22 R23 R24 R25 R26 R27 R28 R29 R30 R31 R32 R33

In trockenem Zustand explosionsfähig Durch Schlag, Reibung, Feuer und andere Zündquellen explosionsgefährlich Durch Schlag, Reibung, Feuer und andere Zündquellen besonders explosionsgefährlich Bildet hochempfindliche explosionsgefährliche Metallverbindungen Beim Erwärmen explosionsfähig Mit und ohne Luft explosionsfähig Kann Brand verursachen Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Stoffen Explosionsgefahr bei Mischung mit brennbaren Stoffen Entzündlich Leichtentzündlich Hochentzündlich (entfallen) Reagiert heftig mit Wasser Reagiert mit Wasser unter Bildung leicht entzündlicher Gase Explosionsgefährlich in Mischung mit brandfördernden Stoffen Selbstentzündlich an der Luft Bei Gebrauch Bildung explosionsfähiger/leichtentzündlicher DampfLuftgemische möglich Kann explosionsfähige Peroxide bilden Gesundheitsschädlich beim Einatmen Gesundheitsschädlich bei Berührung mit der Haut Gesundheitsschädlich beim Verschlucken Giftig beim Einatmen Giftig bei Berührung mit der Haut Giftig beim Verschlucken Sehr giftig beim Einatmen Sehr giftig bei Berührung mit der Haut Sehr giftig beim Verschlucken Entwickelt bei Berührung mit Wasser giftige Gase Kann bei Gebrauch leicht entzündlich werden Entwickelt bei Berührung mit Säure giftige Gase Entwickelt bei Berührung mit Säure sehr giftige Gase Gefahr kumulativer Wirkungen

204 R34 R35 R36 R37 R38 R39 R40 R41 R42 R43 R44 R45 R46 R47 R48 R49 R50 R51 R52 R53 R54 R55 R56 R57 R58 R59 R60 R61 R62 R63 R64 R65 R66 R67 R68

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten Verursacht Verätzungen Verursacht schwere Verätzungen Reizt die Augen Reizt die Atmungsorgane Reizt die Haut Ernste Gefahr irreversiblen Schadens Verdacht auf krebserzeugende Wirkung Gefahr ernster Augenschäden Sensibilisierung durch Einatmen möglich Sensibilisierung durch Hautkontakt möglich Explosionsgefahr bei Erhitzen unter Einschluss Kann Krebs erzeugen Kann vererbbare Schäden verursachen (entfallen) Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition Kann Krebs erzeugen beim Einatmen Sehr giftig für Wasserorganismen Giftig für Wasserorganismen Schädlich für Wasserorganismen Kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen haben Giftig für Pflanzen Giftig für Tiere Giftig für Bodenorganismen Giftig für Bienen Kann längerfristig schädliche Wirkungen auf die Umwelt haben Gefährlich für die Ozonschicht Kann die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen Kann das Kind im Mutterleib schädigen Kann möglicherweise die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen Kann das Kind im Mutterleib möglicherweise schädigen Kann Säuglinge über die Muttermilch schädigen Gesundheitsschädlich: Kann beim Verschlucken Lungenschäden verursachen Wiederholter Kontakt kann zu spröder oder rissiger Haut führen Dämpfe können Schläfrigkeit und Benommenheit verursachen Irreversibler Schaden möglich

Einige R-Sätze kann man miteinander kombinieren, um bei einer Kennzeichnung mit weniger Text auszukommen, beispielsweise R14/15, R15/29, R20/21, R20/22, R20/21/22, R23/25, R23/24/25, R24/25, R26/27, R48/20, R48/21, R48/22, R48/20/22, R48/21/22, R48/20/21/22, R48/23, R52/53, R68/20, R68/21, R68/22, R68/21/22 oder R68/20/21/22. Die Kennzeichnung R48/23/24 bedeutet demnach: „Giftig: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition durch Einatmen und durch Berührung mit der Haut“.

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

205

Tabelle 19-2. Sicherheits-Sätze (S-Sätze; vgl. Kapitel 1) S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 S33 S34 S35 S36 S37 S38 S39 S40

Unter Verschluss aufbewahren Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen Kühl aufbewahren Von Wohnplätzen fernhalten Unter ... aufbewahren (geeignete Flüssigkeit herstellerseitig anzugeben) Unter ... aufbewahren (inertes Gas herstellerseitig anzugeben) Behälter dicht geschlossen halten Behälter trocken halten Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren Inhalt feucht halten Zutritt von Luft verhindern Behälter nicht gasdicht verschließen Von Nahrungsmitteln, Getränken und Futtermitteln fernhalten Von ... fernhalten (inkompatible Substanzen herstellerseitig anzugeben) Vor Hitze schützen Von Zündquellen fernhalten – Nicht rauchen Von brennbaren Stoffen fernhalten Behälter mit Vorsicht öffnen und handhaben (entfallen) Bei der Arbeit nicht essen und trinken Bei der Arbeit nicht rauchen Staub nicht einatmen Gas/Rauch/Dampf/Aerosol nicht einatmen (geeignete Bezeichnungen herstellerseitig anzugeben) Berührung mit der Haut vermeiden Berührung mit den Augen vermeiden Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren Beschmutzte, getränkte Kleidung sofort ausziehen Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel ... (vom Hersteller anzugeben) Nicht in die Kanalisation gelangen lassen Niemals Wasser hinzugeben Von explosionsfähigen Stoffen fernhalten (entfallen) Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladung treffen Schlag und Reibung vermeiden Abfälle und Behälter müssen in gesicherter Weise beseitigt werden Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung tragen Geeignete Schutzhandschuhe tragen Bei unzureichender Belüftung Atemschutzgerät anlegen Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen Fußboden und verunreinigte Gegenstände mit ... reinigen (Material herstellerseitig anzugeben)

206 S41 S42 S43 S44 S45 S46 S47 S48 S49 S50 S51 S52 S53 S54 S55 S56 S57 S58 S58 S59 S60 S61 S62 S63 S64

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten Explosions- und Brandgase nicht einatmen Beim Räuchern/Versprühen geeignetes Atemschutzgerät anlegen (Bezeichnung herstellerseitig anzugeben) Zum Löschen ... verwenden (herstellerseitig anzugeben). Wenn Wasser die Gefahr erhöht, ist anzufügen: Kein Wasser verwenden! (entfallen) Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen (wenn möglich, dieses Etikett vorzeigen) Bei Verschlucken sofort ärztlichen Rat einholen und Verpackung oder Etikett vorzeigen Nicht bei Temperaturen über ... °C aufbewahren (herstellerseitig anzugeben) Feucht halten mit ... (herstellerseitig anzugeben) Nur im Originalbehälter aufbewahren Nicht mischen mit ... (herstellerseitig anzugeben) Nur in gut belüfteten Bereichen verwenden Nicht großflächig für Wohn- und Aufenthaltsräume zu verwenden Exposition vermeiden – vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen (entfallen) (entfallen) Dieses Produkt und seinen Behälter der Problemabfallentsorgung zuführen Zur Vermeidung einer Kontamination der Umwelt geeigneten Behälter verwenden (entfallen) (entfallen) Information zur Wiederverwendung/Wiederverwertung beim Hersteller/Lieferanten erfragen Dieses Produkt und sein Behälter sind als gefährlicher Abfall zu entsorgen Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisungen einholen/Sicherheitsdatenblatt zu Rate ziehen Bei Verschlucken kein Erbrechen herbeiführen. Sofort ärztlichen Rat einholen und Verpackung oder dieses Etikett vorzeigen Bei Unfall durch Einatmen: Verunfallten an die frische Luft bringen und ruhigstellen Bei Verschlucken Mund mit Wasser ausspülen (Nur wenn Verunfallter bei Bewusstsein ist)

Manche S-Sätze kann man ähnlich wie im Fall der R-Sätze miteinander kombinieren, um bei ausführlichen Kennzeichnungen von Gefahrstoffen fallweise mit weniger Text auskommen zu können: S1/2, S3/7, S3/9/14, S3/9/14/49, S3/9/49, S3/14, S7/8, S7/9, S7/47, S20/21, S24/25, S27/28, S29/35, S29/56, S36/37, S36/37/39, S36/39, S37/39 sowie S47/49. Die Kombination S36/37/39 steht demnach für den Sicherheitshinweis „Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille/ Gesichtsschutz tragen“.

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

207

Tabelle 19-3. H-Sätze nach dem GHS (vgl. Kapitel 1) H200-Reihe: Physikalische Gefahren H200 instabil, explosiv H201 explosiv, Gefahr der Massenexplosion H202 explosiv, große Gefahr durch Splitter, Spreng- und Wurfstücke H203 explosiv, Gefahr durch Feuer, Luftdruck oder Splitter H204 Gefahr durch Feuer oder Splitter, Spreng- und Wurfstücke H205 Gefahr der Massenexplosion bei Feuer H220 extrem entzündbares Gas H221 entzündbares Gas H222 extrem entzündbares Aerosol H223 entzündbares Aerosol H224 Flüssigkeit und Dampf extrem entzündbar H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar H226 Flüssigkeit und Dampf entzündbar H228 Entzündbarer Feststoff H240 Erwärmung kann Explosion verursachen H241 Erwärmung kann Brand oder Explosion verursachen H242 Erwärmung kann Brand verursachen H250 Entzündet sich in Berührung mit Luft von selbst H251 Selbsterhitzungsfähig, kann in Brand geraten H252 In großen Mengen selbsterhitzungsfähig, kann in Brand geraten H260 In Berührung mit Wasser entstehen entzündbare Gase, die sich spontan entzünden können H261 In Berührung mit Wasser entstehen entzündbare Gase H270 Kann Brand verursachen oder verstärken; Oxidationsmittel H271 Kann Brand oder Explosion verursachen oder verstärken; starkes Oxidationsmittel H272 Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel H280 Enthält Gas unter Druck; kann bei Erwärmung explodieren H281 Enthält tiefgekühltes Gas unter Druck; kann Kälteverbrennungen oder -verletzungen verursachen H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein H300-Reihe: Gesundheitsgefahren H300 Lebensgefahr bei Verschlucken H301 Giftig bei Verschlucken H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken H304 Kann bei Verschlucken und Eindringen in die Atemwege tödlich sein H310 Lebensgefahr bei Hautkontakt H311 Giftig bei Hautkontakt H312 Gesundheitsschädlich bei Hautkontakt H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden H315 Verursacht Hautreizungen H317 Kann allergische Hautreaktionen verursachen H318 Verursacht schwere Augenschäden

208

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

H319 H330 H331 H332 H334 H335 H336 H340 H341 H350 H350i H351 H360

H360 H360 H360 H360 H360 H361 H361 H361 H361 H362 H370 H371

Verursacht schwere Augenreizung Lebensgefahr bei Einatmen Giftig bei Einatmen Gesundheitsschädlich bei Einatmen Kann bei Einatmen Allergie, asthmaartige Symptome oder Atembeschwerden verursachen Kann die Atemwege reizen Kann Schläfrigkeit und Benommenheit verursachen Kann genetische Defekte verursachen (Expositionsweg angeben, sofern schlüssig belegt ist, dass diese Gefahr bei keinem anderen Expositionsweg besteht) Kann vermutlich genetische Defekte verursachen (Expositionsweg angeben, sofern schlüssig belegt ist, dass diese Gefahr bei keinem anderen Expositionsweg besteht) Kann Krebs erzeugen (Expositionsweg angeben, sofern schlüssig belegt ist, dass diese Gefahr bei keinem anderen Expositionsweg besteht) Kann bei Einatmen Krebs erzeugen Kann vermutlich Krebs erzeugen (Expositionsweg angeben, sofern schlüssig belegt ist, dass diese Gefahr bei keinem anderen Expositionsweg besteht) Kann die Fruchtbarkeit beeinträchtigen oder das Kind im Mutterleib schädigen (konkrete Wirkung angeben, sofern bekannt) (Expositionsweg angeben, sofern schlüssig belegt ist, dass diese Gefahr bei keinem anderen Expositionsweg besteht) F Kann die Fruchtbarkeit beeinträchtigen D Kann das Kind im Mutterleib schädigen FD Kann die Fruchtbarkeit beeinträchtigen. Kann das Kind im Mutterleib schädigen Fd Kann die Fruchtbarkeit beeinträchtigen. Kann vermutlich das Kind im Mutterleib schädigen fD Kann das Kind im Mutterleib schädigen. Kann vermutlich die Fruchtbarkeit beeinträchtigen Kann vermutlich die Fruchtbarkeit beeinträchtigen oder das Kind im Mutterleib schädigen (Expositionsweg angeben, sofern schlüssig belegt ist, dass diese Gefahr bei keinem anderen Expositionsweg besteht) f Kann vermutlich die Fruchtbarkeit beeinträchtigen d Kann vermutlich das Kind im Mutterleib schädigen fd Kann vermutlich die Fruchtbarkeit beeinträchtigen. Kann vermutlich das Kind im Mutterleib schädigen Kann Säuglinge über die Muttermilch schädigen Schädigt die Organe (oder alle betroffenen Organe nennen, sofern bekannt) (Expositionsweg angeben, sofern schlüssig belegt ist, dass diese Gefahr bei keinem anderen Expositionsweg besteht) Kann die Organe schädigen (oder alle betroffenen Organe nennen, sofern bekannt) (Expositionsweg angeben, sofern schlüssig belegt ist, dass diese Gefahr bei keinem anderen Expositionsweg besteht)

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten H372 H373

209

Schädigt die Organe (oder alle betroffenen Organe) bei längerer oder wiederholter Exposition (Expositionsweg angeben, sofern schlüssig belegt ist, dass diese Gefahr bei keinem anderen Expositionsweg besteht) Kann die Organe schädigen (oder alle betroffenen Organe) bei längerer oder wiederholter Exposition (Expositionsweg angeben, sofern schlüssig belegt ist, dass diese Gefahr bei keinem anderen Expositionsweg besteht)

H400-Reihe: Umweltgefahren H400 Sehr giftig für Wasserorganismen H410 Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung H411 Giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung H412 Schädlich für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung H413 Kann für Wasserorganismen schädlich sein, mit langfristiger Wirkung Tabelle 19-4. Ergänzende EUH-Sätze

Nur für das Gebiet der EU hat die fallweise strengere EU-Gesetzgebung zusätzliche EUH-Sätze (Ergänzende Gefahrenmerkmale und Kennzeichnungselemente) für die Gefährdung eingeführt, die über das GHS hinausgehen. Sie sind nach den H- und P-Sätzen anzuführen. EUH001 EUH006 EUH014 EUH018 EUH019 EUH044 EUH029 EUH031 EUH032 EUH059 EUH066 EUH070 EUH071 EUH201 EUH201 EUH202 EUH203 EUH204 EUH205

In trockenem Zustand explosiv Mit und ohne Luft explosionsfähig Reagiert heftig mit Wasser Kann bei Verwendung explosionsfähige / entzündbare Dampf-/LuftGemische bilden Kann explosionsfähige Peroxide bilden Explosionsgefahr bei Erhitzen unter Verschluss Entwickelt bei Berührung mit Wasser giftige Gase Entwickelt bei Berührung mit Säure giftige Gase Entwickelt bei Berührung mit Säure sehr giftige Gase Schädigt die Ozonschicht Wiederholter Kontakt kann zu spröder oder rissiger Haut führen Giftig bei Berührung mit den Augen Wirkt ätzend auf die Atemwege Enthält Blei. Nicht für den Anstrich von Gegenständen verwenden, die von Kindern gekaut oder gelutscht werden könnten A Achtung. Enthält Blei Cyanacrylat. Gefahr. Klebt innerhalb von Sekunden Haut und Augenlider zusammen. Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen Enthält Chrom (VI). Kann allergische Reaktionen hervorrufen Enthält Isocyanate. Kann allergische Reaktionen hervorrufen Enthält epoxidhaltige Verbindungen. Kann allergische Reaktionen hervorrufen

210

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

EUH206 EUH207 EUH208 EUH209 EUH209 EUH210 EUH401

Achtung! Nicht zusammen mit anderen Produkten verwenden, da gefährliche Gase (Chlor) freigesetzt werden können Achtung! Enthält Cadmium. Bei der Verwendung entstehen gefährliche Dämpfe. Hinweise des Herstellers beachten. Sicherheitsanweisungen einhalten Enthält (Name des sensibilisierenden Stoffes). Kann allergische Reaktionen hervorrufen Kann bei Verwendung leicht entzündbar werden A Kann bei Verwendung entzündbar werden Sicherheitsdatenblatt auf Anfrage erhältlich Zur Vermeidung von Risiken für Mensch und Umwelt die Gebrauchsanleitung einhalten

Tabelle 19-5. P-Sätze nach dem GHS (vgl. Kapitel 1) P100-Reihe: Allgemeines P101 Ist ärztlicher Rat erforderlich, Verpackung oder Kennzeichnungsetikett bereithalten P102 Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen P103 Vor Gebrauch Kennzeichnungsetikett lesen P200-Reihe: Prävention P201 Vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen P202 Vor Gebrauch alle Sicherheitshinweise lesen und verstehen P210 Von Hitze / Funken / offener Flamme / heißen Oberflächen fernhalten. Nicht rauchen P211 Nicht gegen offene Flamme oder andere Zündquelle sprühen. P220 Von Kleidung / … brennbaren Materialien fernhalten / entfernt aufbewahren P221 Mischen mit brennbaren Stoffen / … unbedingt verhindern P222 Kontakt mit Luft nicht zulassen. P223 Kontakt mit Wasser wegen heftiger Reaktion und möglichem Aufflammen unbedingt verhindern P230 Feucht halten mit … P231 Unter inertem Gas handhaben P232 Vor Feuchtigkeit schützen P233 Behälter dicht verschlossen halten P234 Nur im Originalbehälter aufbewahren P235 Kühl halten P240 Behälter und zu befüllende Anlage erden P241 Explosionsgeschützte elektrische Betriebsmittel / Lüftungsanlagen / Beleuchtung / … verwenden P242 Nur funkenfreies Werkzeug verwenden P243 Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladung treffen P244 Druckminderer frei von Fett und Öl halten

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten P250 P251 P260 P261 P262 P263 P264 P270 P271 P272 P273 P280 P281 P282 P283 P284 P285

211

Nicht schleifen / stoßen / … / reiben Behälter steht unter Druck: Nicht durchstechen oder verbrennen, auch nicht nach der Verwendung Staub / Rauch / Gas / Nebel / Dampf / Aerosol nicht einatmen Einatmen von Staub / Rauch / Gas / Nebel / Dampf / Aerosol vermeiden Nicht in die Augen, auf die Haut oder auf die Kleidung gelangen lassen Kontakt während der Schwangerschaft / und der Stillzeit vermeiden Nach Gebrauch … gründlich waschen Bei Gebrauch nicht essen, trinken oder rauchen Nur im Freien oder in gut belüfteten Räumen verwenden Kontaminierte Arbeitskleidung nicht außerhalb des Arbeitsplatzes tragen Freisetzung in die Umwelt vermeiden Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz / Gesichtsschutz tragen Vorgeschriebene persönliche Schutzausrüstung tragen Schutzhandschuhe / Gesichtsschild / Augenschutz mit Kälteisolierung tragen Schwer entflammbare / flammhemmende Kleidung tragen Atemschutz tragen Bei unzureichender Belüftung Atemschutz tragen

P300-Reihe: Reaktion P301 Bei Verschlucken: P302 Bei Berühren mit der Haut: P303 Bei Berühren mit der Haut (oder dem Haar): P304 Bei Einatmen: P305 Bei Kontakt mit den Augen: P306 Bei kontaminierter Kleidung: P307 Bei Exposition: P308 Bei Exposition oder falls betroffen: P309 Bei Exposition oder Unwohlsein: P310 Sofort Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen P311 Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen P312 Bei Unwohlsein Giftinformationszentrum oder Arzt anrufen P313 Ärztlichen Rat einholen /ärztliche Hilfe hinzuziehen P314 Bei Unwohlsein ärztlichen Rat einholen /ärztliche Hilfe hinzuziehen P315 Sofort ärztlichen Rat einholen /ärztliche Hilfe hinzuziehen P320 Besondere Behandlung dringend erforderlich (siehe … auf diesem Kennzeichnungsetikett) P321 Besondere Behandlung (siehe … auf diesem Kennzeichnungsetikett) P322 Gezielte Maßnahmen (siehe … auf diesem Kennzeichnungsetikett) P330 Mund ausspülen P331 Kein Erbrechen herbeiführen P332 Bei Hautreizung: P333 Bei Hautreizung oder -ausschlag: P334 In kaltes Wasser tauchen / nassen Verband anlegen

212 P335 P336 P337 P338 P340 P341 P342 P350 P351 P352 P353 P360 P361 P362 P370 P371 P372 P373 P374 P375 P376 P377 P378 P380 P381 P390 P391

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten Lose Partikeln von der Haut abbürsten Vereiste Bereiche mit lauwarmem Wasser auftauen. Betroffenen Bereich nicht reiben Bei anhaltender Augenreizung: Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen Die betroffene Person an die frische Luft bringen und in einer Position ruhigstellen, die das Atmen erleichtert Bei Atembeschwerden an die frische Luft bringen und in einer Position ruhigstellen, die das Atmen erleichtert Bei Symptomen der Atemwege: Behutsam mit viel Wasser und Seife waschen Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen Mit viel Wasser und Seife waschen Haut mit Wasser abwaschen / duschen Kontaminierte Kleidung und Haut sofort mit viel Wasser abwaschen und danach Kleidung ausziehen Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen Kontaminierte Kleidungsstücke ausziehen und vor erneutem Tragen waschen Bei Brand: Bei Großbrand und großen Mengen: Explosionsgefahr bei Brand Keine Brandbekämpfung, wenn das Feuer explosive Stofe / Gemische / Erzeugnisse erreicht Brandbekämpfung mit üblichen Vorsichtsmaßnahmen aus angemessener Entfernung Wegen Explosionsgefahr Brand aus der Entfernung bekämpfen Undichtigkeit beseitigen, wenn gefahrlos möglich Brand von ausströmendem Gas: Nicht löschen, bis Undichtigkeit gefahrlos beseitigt werden kann … zum Löschen verwenden Umgebung räumen Alle Zündquellen entfernen, wenn gefahrlos möglich Verschüttete Mengen aufnehmen, um Materialschäden zu vermeiden Verschüttete Mengen aufnehmen

P400-Reihe: Aufbewahrung P401 … aufbewahren P402 An einem trockenen Ort aufbewahren P403 An einem gut belüfteten Ort aufbewahren P404 In einem geschlossenen Behälter aufbewahren P405 Unter Verschluss aufbewahren P406 In korrosionsbeständigem / … Behälter mit korrosionsbeständiger Auskleidung aufbewahren P407 Luftspalt zwischen Stapeln / Paletten lassen

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten P410 P411 P412 P413 P420 P422

213

Vor Sonnenbestrahlung schützen Bei Temperaturen von nicht mehr als … °C / … aufbewahren Nicht Temperaturen von mehr als 50 °C aussetzen Schüttgut in Mengen von mehr als … kg bei Temperaturen von nicht mehr als … °C aufbewahren Von anderen Materialien entfernt aufbewahren Inhalt in / unter … aufbewahren

P500-Reihe: Entsorgung P501 Inhalt / Behälter … zuführen

Die Kombination mehrerer P-Sätze ist erforderlich oder möglich (beispielsweise P301 + P310, P302 + P350, P303 + P 361 + P353, P403 + P233, P411 + P235), da einzelne Sätze für sich allein nicht sinnvoll sind.

Tabelle 19-6. Farbkennzeichnung für laborübliche Installationen Installation Vakuumleitung Wasser Druckluft Erdgas

Kennfarbe

Hinweis bis Restdruck von ca. 120 mbar Normales Brauchwasser; sonst mit Aufschrift „Trinkwasser“ oder „Entmineralisiertes (deionisiertes) Wasser“ Druck von ca. 3 bar Druck von ca. 2 bar; andere Gase (Stickstoff, Helium) mit entsprechender Aufschrift Strom führender Leiter (Phase)

Elektrokabel

Neutralleiter (Nullleiter) Schutzleiter (führt normalerweise keinen Strom)

214

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

Tabelle 19-7. Bisherige Gefahrstoffsymbole (vgl. Kapitel 1) Symbol

KennBuchstabe

Bedeutung

Beispiele

E

Explosionsgefährlich Stoffe, die unter bestimmten Bedingungen explodieren können

Pikrinsäure Trinitrotoluol

F+

Hochentzündlich Selbstentzündliche Stoffe, leichtentzündliche gasförmige Stoffe oder brennbare Flüssigkeiten

Wasserstoff Ethin Diethylether

F

Leichtentzündlich Selbstentzündliche Stoffe, leichtentzündliche gasförmige Stoffe oder brennbare Flüssigkeiten

Ethanol Aceton Benzin

O

Brandfördernd Stoffe, die brennbare Stoffe entzünden können oder ausgebrochene Brände fördern

Sauerstoff Kaliumnitrat Wasserstoffperoxid

T+

Sehr giftig Cyanwasserstoff Nach Einatmen, Verschlucken Arsen(III)-oxid oder Aufnahme durch die Haut tre- Nicotin ten meist Gesundheitsschäden erheblichen Ausmaßes oder gar Tod ein. Schon weniger als 25 mg pro Kilogramm Körpergewicht können zum Tod führen

T

Giftig Nach Einatmen, Verschlucken oder Aufnahme durch die Haut treten meist Gesundheitsschäden erheblichen Ausmaßes ein; 25−200 mg pro Kilogramm Körpergewicht können tödlich sein

Bariumchlorid Bleidioxid Methanol

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten Xn

Gesundheitsschädlich Bei Aufnahme in den Körper können diese Stoffe Gesundheitsschäden auslösen

Xi

Reizend Calciumchlorid Stoffe mit Reizwirkung auf Augen, Natriumcarbonat Haut und Atmungsorgane; kann Fumarsäure Entzündungen verursachen

C

Ätzend Lebendes Gewebe, aber auch andere Materialien werden bei Kontakt mit diesem Stoff zerstört

N

Umweltgefährdend Kupfersulfat Bei Freisetzung in die Umwelt Lindan kann eine Schädigung von Ökosys- DDT temen sofort oder später die Folge sein

215

Ethanal Dichlormethan Kaliumchlorat Coffein

Salzsäure Fluorwasserstoff Natriumhydroxid

Tabelle 19-8. Übersicht der Gefahrgutklassen nach dem Chemikaliengesetz Klasse 1 (mit 6 Unterklassen) 2.1 2.2 2.3 2.4 4.1 4.2 4.3 5.1 5.2 6.1 6.2 7 8 9

Bemerkung Sprengstoffe und Gegenstände, die Sprengstoff enthalten Entzündbare Gase Nicht entzündbare Gase Giftige Gase Entzündbare Flüssigkeit Entzündbare feste Stoffe Selbstentzündliche Stoffe Stoffe, die mit Wasser entzündliche Gase bilden Entzündend (oxidierend) wirkende Stoffe Organische Peroxide Giftige Stoffe Ansteckungsgefährliche Stoffe Radioaktive Stoffe Ätzende Stoffe Verschiedene gefährliche Stoffe und Gegenstände

216

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

Tabelle 19-9. Neue CLP-Gefahrensymbole nach GHS (vgl. Kapitel 1) Symbol

Bezeichnung

Kodierung

Gefahrenklasse

Explodierende Bombe

GHS01

Instabile explosive Stoffe, Gemische und Erzeugnisse mit Explosivstoff(en), selbstzersetzliche Stoffe und Gemische, Organische Peroxide

Flamme

GHS02

Entzündbar, selbsterhitzungsfähig, selbstzersetzlich, pyrophor, Organische Peroxide

Flamme über einem Kreis

GHS03

Entzündbar, (oxidierbar) wirkend

Gasflasche

GHS04

Gase unter Druck, verdichtete, verflüssigte, tiefgekühlt verflüssigte, gelöste Gase

Ätzwirkung

GHS05

Auf Metall korrosiv wirkend, hautätzend, schwere Augenschädigung

Totenkopf mit gekreuzten Knochen

GHS06

Akute Toxizität

Ausrufezeichen GHS07

Allgemeine Gefahren

Gesundheitsgefahr

GHS08

Verschiedene Gesundheitsgefahren

Umwelt

GHS09

Gewässer gefährdend

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten Tabelle 19-10. Symbole zur Kennzeichnung gefährlicher Transportgüter

217

218

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

Tabelle 19-11. Gefahrgutkennzeichnung mit der Gefahrenraute Gefahrenraute (hazard diamond)

Kennzeichnungssystem in den USA nach NFPA 704

Die vier Felder der Gefahrenraute werden mit bestimmten Zahlen versehen. Die Zahleneintragungen bedeuten: Blaues Feld: Gesundheitsgefahr Symbol

Bedeutung

Beispiel

0

Ohne besondere Gefahr

Erdnussöl

1

Geringe Gefahr; Atemgerät empfohlen

Terpentin

2

Gefährlich; Aufenthalt nur mit Atemgerät und einfacher Schutzbekleidung

Ammoniakgas

3

Sehr gefährlich; Aufenthalt im Gefahrenbereich nur mit Atemgerät und voller Schutzbekleidung

Chlorgas

Rotes Feld: Brandgefahr 0

Keine Entzündungsgefahr unter üblichen Bedingungen

Wasser

1

Entzündungsgefahr nur bei Überhitzung

Rapsöl

2

Entzündungsgefahr bei Erwärmung

Dieselöl

3

Entzündungsgefahr bei normalen Temperaturen

Benzin

4

Extrem entzündlich bei allen Temperaturen

Propan

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten Gelbes Feld: Reaktionsgefahr 0

Unter normalen Bedingungen keine Gefahr

Flüssiger Stickstoff

1

Wird bei Erhitzung instabil; Schutzmaßnahmen erforderlich

Phosphor

2

Heftige chemische Reaktion möglich; verstärkte Schutzmaßnahmen; Löschangriff nur aus sicherem Abstand

Calcium

3

Explosionsgefahr bei Hitzeeinwirkung oder starker Erschütterung durch Schlag; Löschangriffe nur aus sicherer Deckung

Fluor

4

Große Explosionsgefahr! Bei Brand gefährdetes Gebiet sofort räumen

Trinitrotoluol

Weißes Feld: Besondere Anweisungen (leer)

Wasser als Löschmittel zulässig

W

Kein Wasser als Löschmittel verwenden

OX

Material wirkt oxidierend

ACID

Material ist eine Säure

CORR

Material wirkt ätzend

BIO

Material ist biologisch gefährlich

219

220

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

Tabelle 19-12. Allgemeine Gefahrenhinweise (Auswahl)

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

221

Tabelle 19-13. Allgemeine Kennzeichnung für Gase Eigenschaft / Markierungsfarbe giftig und/oder ätzend (korrosiv)

Flaschenschulter oder ganzer Flaschenkörper

Beispiele

Ammoniak, Chlor, Fluor, Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide, Schwefeldioxid

gelb entzündbar / brennbar rot

Wasserstoff, Methan, Ethylen, Formiergas, StickstoffWasserstoffgemisch

oxidierend

Sauerstoff, Sauerstoffgemische, Lachgas-Gemische

blau

(außer Inhalationsgemische)

erstickend

Krypton, Argon, Xenon, Helium, Schweiß-/Schutzgasgemische, technische Druckluft

leuchtend grün

(nicht zur Inhalation)

Die Flaschenschulter oder der gesamte Flaschenzylinder werden nur mit der Farbe der primären Gefährdung gekennzeichnet. Sofern zwei Gefährdungseigenschaften vorliegen (beispielsweise giftig/ätzend und entzündbar) wird auf eine zusätzliche Kennzeichnung durch Ringe oder Quadrate verzichtet. Flaschenzylinder für Industriegase sind grau oder in der Farbe der Flaschenschulter. Flaschenzylinder für Medizin- bzw. Inhalationsgase sind weiß. Für Atemluftflaschen der Feuerwehr gelten besondere Regeln. Für die Übergangszeit vom alten zum neuen Farbcode (bis 2009) trugen die Gasflaschen auf der Schulter zusätzlich die Kennzeichnung „N“.

222

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

Tabelle 19-14. Farbkennzeichnung von Druckgasflaschen nach Euro-Norm DIN EN 1089-3 Gas Sauerstoff für den medizinischen Bereich

Flaschenschulter

Besonderer Hinweis Reduzierventile unter keinen Umständen ölen oder fetten!

Druckluft für Atemzwecke (Sauerstoff technisch)

Reduzierventile unter keinen Umständen ölen oder fetten!

Ethin (Acetylen)

spezielles Reduzierventil Flaschenschulter kastanienbraun

Stickstoff

Kohlenstoffdioxid

Wasserstoff

Helium

Reduzierventil mit Linksgewinde

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

223

Tabelle 19-15. Farbcode nach DIN12621 zur Bezeichnung von Messpipetten Nennvolumen (mL) 0,1

0,2

0,2

0,5

1

1

2

0,001

0,001

0,002

0,01

0,01

0,1

0,01

Teilung (mL)

Nennvolumen (mL) 2

2

5

5

10

20

25

0,02

0,1

0,05

0,1

0,1

0,1

0,5

Teilung (mL)

Die Pipettenhälse sind nicht maßstäblich zueinander dargestellt. Gleiche Farben wurden nur für erheblich größenverschiedene Vollpipetten vergeben.

224

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

Tabelle 19-16. Farbcode nach DIN12621 zur Bezeichnung von Vollpipetten Nennvolumen (mL) 0,5

1

2

3

4

5

6

7

8

40

50

100

Nennvolumen (mL) 9

10

15

20

25

30

Diese Tabelle berücksichtigt nicht die kaliberabhängig unterschiedlichen Durchmesser der Pipettenhälse. Gleiche Farben wurden nur für erheblich größenverschiedene und auch danach unterscheidbare Vollpipetten vergeben.

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

225

Tabelle 19-17. Umrechnungen und Konzentrationsangaben Länge

1 m = 101 dm = 102 cm = 103 mm = 106 μm = 109 nm = 1010 Å 1 nm = 10–9 m = 10–6 mm = 10–3 μm 1 μm = 10–6 m = 10–3 mm

Volumen

1 L = 101 dL = 102 cL = 103 mL = 106 μL 1 dL = 10 cL = 100 mL toleriert: 1 L = 1 dm3 1 mL = 1 cm3 1 μL = 1 mm3

Zeit

1 h = 60 min = 3600 s 1 d = 24 h = 1440 min = 86 400 s

Wärme

1 J = 0,239 cal

Temperatur

Celsius

1 cal = 4,187 J

Fahrenheit: TF = TC × 1,8 + 32

Fahrenheit

Celsius: TC = TF/1,8 – 32

Größe

Einheit/ Angabe

Einheitenzeichen

Beispiel

Stoffmenge

Mol

mol

n(HCl) = 3 mol

–1

–1

Stoffmengenkonzentration (Molarität)

Mol L

c in mol L

c(HCl) = 0,3 mol L–1

molare Masse

M

g/mol bzw. g mol–1

M(H2SO4) = 98 g mol–1

Massenanteil

w

kg/kg, g/g, g/kg, mg/g, Gew.-%, ‰, ppm, ppb

Masse eines Stoffes in einer Mischung dividiert durch die Gesamtmasse der Mischung: w(NaCl) = 35 g/kg

Volumenanteil

v

m3/m3, L/L, mL/L, μL/mL, Vol.-%, ppm, ppb

Volumen eines Stoffes in einer Mischung dividiert durch das Gesamtvolumen: v(O2) = 0,2 mL/L

226

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

Tabelle 19-18. UPAC-Periodensystem der Elemente 1

IA

Periode

2

IIA 3

IIIB 4

IVB 5

VB 6

s-Elemente

VIB 7

VIIB 8 VIIIB 9 VIIIB 10 VIIIB

d-Elemente [Nebengruppen]

1

1

1,008

Protonenzahl p (Ordnungszahl)

H Wasserstoff

3

2

6,941

Li Lithium

3

4

5

6

7

Elementsymbol Elementname

4 9,012

Be

4

Be Beryllium

Nichtmetalle

Lanthanoide

Alkalimetalle

Actinoide

Erdalkalimetalle

Metalle

Übergangsmetalle

Halbmetalle

Beryllium

relative Atommasse u

9,012

11

12

22,999

24,305

Na

Mg

Natrium

Magnesium

19

20

21

22

23

39,096

40,078

44,956

47,880

50,941

K

Ca

Sc

Ti

V

Kalium

Calcium

Scandium

Titan

37

38

39

40

85,467

87,602

88,905

91,224

Rb

Sr

Y

Zr

Rubidium

Strontium

Yttrium

Zirconium

55

56

132,905

137,327

Cs

Ba

Caesium

Edelgase radioaktiv

gasförmig flüssig

24

25

26

27

28

51,996

54,938

58,933

58,933

58,693

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Vanadium

Chrom

Mangan

Eisen

Cobalt

Nickel

41

42

43

44

45

46

95,940

98,906

101,070

102,905

106,420

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Niob

Molybdän

Technetium Ruthenium

Rhodium

Palladium

73

74

75

76

77

78

180,947

183,940

186,307

190,330

192,217

195,08

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Barium

Hafnium

Tantal

Wolfram

Rhenium

Osmium

Iridium

Platin

87

88

105

106

107

108

109

226,210

(262)

(263)

(264)

(265)

(268)

110

232,019

104

Fr

Ra

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Francium

Radium

Rf

Hassium

Meitnerium

s1

72 58 – 71 178,490

90 – 103 (261)

92,906

Nb

Rutherfordium Dubnium

s2

d1

d2

Seaborgium Bohrium

d3

d4

d5

d6

(271)

Ds Darmstadtium

d7

d8

Transactinoide

57 138,905

La Lanthan

59

60

61

62

63

64

140,115

140,907

144,240

146,915

150,360

151,965

157,250

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

58 Cer

Praseodym Neodym

Promethium Samarium

Europium

Gadolinium

89

90

91

92

93

94

95

96

227,028

232,038

231,035

238,269

237,043

244,061

247,070

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

243,061

Actinium

Thorium

Neptunium

Plutonium

f1

Protactinium Uran

f2

f3

f4

f5

Am Americium

Cm Curium

f6

Mit Uran (Element 92) enden die natürlichen Elemente. Die bisher bekannten Transurane (ab Element 93) sind allesamt künstlich hergestellt worden. Die Elemente ab 104 nennt man auch Transactinoide. Für Element 105 (Dubnium) war zunächst der passendere Name Hahnium (Ha) vorgeschlagen. Element 107 (Bohrium) hieß ursprünglich Nielsbohrium (Ns).

f7

19 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten

11

IB

12

IIB 13

IIIA 14

IVA 15

VA 16

VIA 17

227

VIIA 18 VIIIA

p-Elemente [Hauptgruppen]

He Helium

K

7

8

9

10

10,811

12,001

14,006

15,999

1,998

20,179

2

N

O

F

Ne

Kohlenstoff

Stickstoff

Sauerstoff

Fluor

Neon

L

13

14

15

16

17

18

26,961

28,085

30,937

35,452

39,948

3

Al

Si

P

Ar

Silicium

Phosphor

Schwefel

Cl

Aluminium

Chlor

Argon

30

31

32

33

34

36

65,941

69,723

72,610

74,921

78,960

35

As

Se

C

32,066

S

Zn

Ga

Ge

Kupfer

Zink

Gallium

Germanium Arsen

Selen

47

48

49

50

51

112,411

114,818

118,710

121,760

Sn Zinn

82

107,868

Ag

Cd

Silber

Cadmium

79

80

196,968

Au

In Indium

81

200,590

Hg

204,383

Tl

111

112

(272)

277

Rg

Cn

Roentgenium Copernicium

d9

162,500

Tb

Dy

53

54

127,600

126,904

131.290

5

Sb

Te

I

Xe

Antimon

Tellur

Iod

Xenon

O

83

84

85

86

208,980

208,982

209,982

222,017

6

Bi

Po

At

Rn

Wismut

Polonium

Astat

Radon

P

118

7

Uut

Uuq

Uup

Uuh

Uus

Uuo

p2

p3

p4

Blei

p1

164,930

Ho

97

98

99

249,075

251,079

257,082

Bk

Cf

Es

68

69

167,260

168,934

Er

Tm

Erbium

Thulium

100 257,095

Fm

Californium Einsteinium Fermium

f9

52

117

Dysprosium Holmium

f8

N

116

Terbium

Berkelium

Krypton

115

67

66

158,929

Brom

114

d10

65

Pb

Kr

4

113

Quecksilber Thallium

Gold

207,200

Br

83,800

f 10

f 11

101 258,098

Md

70

71

173,040

174,976

Yb

Lu

Ytterbium

Lutetium

102

103

259,100

No

Mendelevium Nobelium

f 12

p5

f 13

260,105

Lr Lawrencium

f 14

Q

p6

Elektronenformen nach der Nebenquan tenzahl l

Cu

79,904

M

Hauptquantenzahl n / Energieniveaus (Schalen)

Chalkogene Halogene

1

6

Bor

63,546

4,002

5

B

29

2

Nebengruppen aktuell: 3 – 12 früher: IB – VIIIB

Hauptgruppen aktuell: 1 – 2, 13 – 18 früher: IA – VIIIA

Element 112 hieß nach seiner experimentellen Herstellung (1999) vorläufig Uub (Ununbium); der neue Name Copernicium (Cp) wurde im Frühjahr 2010 von der IUPAC angenommen. Die Elemente 113–116 (113 Uut = Ununtrium, 114 UUq = Ununquadium, 115 Uup = Ununpentium, 116 Uuh = Ununhexium) sind nachgewiesen, aber noch nicht offiziell benannt worden. Die vermutlich existenzfähigen Elemente 117 (Uus = Ununseptium) und 118 (Uuo = Ununoctium) sind bislang nicht nachgewiesen (Stand: Herbst 2010).

Zum Weiterlesen

Adam G, Läuger P, Stark G (2003) Physikalische Biochemie und Biophysik. Springer, Heidelberg Atkins PW, Paula J de, Höpfner A, Baer M (2006) Physikalische Chemie, 4. Aufl. Wiley-VCH, Weinheim Baghdady N (2002) Lexikon der internationalen Abkürzungen: Umwelt und Naturwissenschaften. Alpha Informations-Gesellschaft, Lampertheim Bannwarth H, Kremer BP, Schulz A (2011) Basiswissen Physik, Chemie und Biochemie. Vom Atom bis zur Atmung – für Biologen, Mediziner und Pharmazeuten. 2. Aufl. Springer, Heidelberg Barker K (2006) Das Cold Spring Harbor Laborhandbuch für Einsteiger. Elsevier Spektrum, Heidelberg Bast, E (1999) Mikrobiologische Methoden. Eine Einführung in grundlegende Arbeitstechniken. Spektrum, Heidelberg Bernabei D. (1991) Sicherheit. Ein Handbuch für das Labor, 2. Aufl. GITVerlag, Darmstadt Beyer H, Walter W (2004) Lehrbuch der organischen Chemie, 23. Aufl. Hirzel, Stuttgart Binder HM (1999) Lexikon der chemischen Elemente. Das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. Hirzel, Stuttgart Bohl E (2006) Mathematik in der Biologie, 4. Aufl. Springer, Heidelberg Brock TH (1997) Sicherheit und Gesundheitsschutz im Laboratorium. Springer, Heidelberg Bruice PY, Lazar T (2007) Organische Chemie. Pearson Studium, München Cooper TG (1981) Biochemische Arbeitsmethoden. De Gruyter, Berlin Eckardt S, Gottwald W, Stieglitz B (2002) 1 x 1 der Laborpraxis. WileyVCH, Weinheim Hollemann AF, Wiberg E (2003) Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Aufl. De Gruyter, Berlin Hommel G (Hrsg.) (2008) Handbuch der gefährlichen Güter. Band 1–10, 22. Aufl. Springer, Heidelberg Hübel M et al (1996) Laborpraxis, Band 1–4. Birkhäuser, Basel

230

Zum Weiterlesen

Hütter LA (1994) Wasser und Wasseruntersuchung. Salle & Sauerländer, Frankfurt Kremer BP (2010) Das Große Kosmos-Buch der Mikroskopie, 2. Aufl. Franckh-Kosmos, Stuttgart Kremer BP (2010) Vom Referat bis zur Examensarbeit. Naturwissenschaftliche Texte perfekt verfassen und gestalten. 3. Aufl. Springer, Heidelberg Kremer BP (2008) Mikroskopieren ganz einfach. Franckh-Kosmos, Stuttgart Kremer, BP (2010) Wasser! Naturstoff, Lösemittel, Lebensraum. Ein Lernund Lesebuch. Schneider, Baltmannsweiler Latscha HP, Kazmeier U, Klein HA. (2008) Chemie für Biologen, 3. Aufl. Springer, Heidelberg Lottspeich F, Engels JW (2006) Bioanalytik. Elsevier Spektrum, Heidelberg Merck E (1996) The Merck Index/Index Merck, 12. Aufl. CD-ROM und Buchausgabe. Chapman & Hall, London Meschede D, Gerthsen C (2006): Gerthsen Physik. Springer, Heidelberg Mortimer CE, Müller U (2007) Das Basiswissen der Chemie, 9. Aufl. Thieme, Stuttgart. Mülhardt C (2006) Der Experimentator: Molekularbiologie/Genomics. Elsevier Spektrum, Heidelberg Rehm H (2006) Der Experimentator: Proteinbiochemie/Proteomics. Elsevier Spektrum, Heidelberg Risch N, Grumbach HJ.(2002) Innovation von unten. Arbeits- und Umweltschutzprojekte in Hochschullaboratorien. BuFaTa Chemie, Freiburg Schwedt G (1996) Taschenatlas der Analytik. VCH, Weinheim Strähle J, Schweda E (2006) Jander/Blasius Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie. Hirzel, Stuttgart Tipler PA, Mosca G, Pelte D (2006) Physik. Spektrum, Heidelberg.

?

Zum Nachschlagen: Register

Abdampfen 149, 150 Abdampfschale 43 Abdichten 47 Abfallarten 15 Abflammen 198 Ablaufunterschiede 80 Ablesedurchmesser 76 Absperrhahn 47 Abwiegen 71 Achsenkreuzteilung 66, 67 Achsenschnittpunkt 67 Acrylamid 169 Adsorptionschromatographie 163 Aerosol 147 Agarose 169 Aggregatzustände 147 Aktivität, optische 115 Aldehyde 31 Alkane 24, 25 Alkene 26 Alkine 26 Alkohole 29 Alkyl-Rest 24 Allergene 12 Anteile und Konzentrationen 141 Apertur, numerische 173 Aperturblende 175 Apochromate 174 apolar 128 Apparaturen 35 Aquadest 130 Aquabidest 130 Äquivalentkonzentration 110, 132, 135, 136 Äquivalenzpunkt 111

Aräometer 114 Archimedisches Prinzip 114 Aren-carbonmonosäuren 32 Arene 26, 28 Arine 27 Arrhenius, Svante 19 Asepsis 196 Atombindungen 18 Auflösungsgrenze 173 Aufziehunterschiede 80 Auslauf 77 Ausfrieren 148 Ausglühen 198 Ausschwingrotor 158 Autoklavieren 197 Automatikbürette 88 Automatikpipette 42 Avogadro’sches Gesetz 124, 140 Azeotrop 153 Balkendiagramm 64 Balkenwaage 71 Basen 19 Basen, Nomenklatur 22 Basiseinheiten 50 Basislayout 68 Becherglas 39 Beladungsschema DC 165 Beleuchtung, Köhler’sche 180 Beleuchtungsverfahren 185 Beobachtungsverfahren 186 Benzyl-Rest 30 Berechnung pH-Wert 103 Berechnung Massenanteil 142

232

Zum Nachschlagen: Register

Berechnung Massenkonzentration 144 Berechnung Stoffmengenkonzentration 145 Berechnung Volumenanteil 143 Beugungskontrast 185 Bewegung, Brown’sche 184 Bezugselektrode 108 Bidest 130 Bimetallthermometer 95 Biostoffverordnung 202 Blots, Typologie 171 Blotting 171 Boyle-Mariotte’sches Gesetz 117 Brand-Saughilfe 81 Brechungsindex 116 Brenner 43 Brønstedt, Johann 20 Brown’sche Bewegung 184 Bubble-Point-Test 200 Büchner-Trichter 43, 151 Buchstaben, griechische 55 Bunsen-Brenner 43, 96 Bürette 44, 87 Carbonmonosäuren 32 Carbondisäuren 33 Carbonsäuren 31 Carbonyl-Gruppe 31 Carboxyl-Gruppe 31 CAS-Nummer 17 Celsius-Skala 92 Ceranplatte 99 Chemikalien 17 Chemikalienagentur, europäische 12 Chemikaliengesetz 13 Chromatographie 163 Chromatographie-Verfahren 164 Chromschwefelsäure 37, 89 CLP-Kenzeichnung 216 CLSM 185

CMR-Stoffe 12, 14 cpm 194 Cycloalkane 26 Dalton, Gesetz von 124 Dampfsterilisation 197 Darstellung, zeichnerische 64 Dauerpräparat 181 DC-Karte 164 DC-Platte 164 Deionat 130 Dekantieren 162 Denaturierung 149 Desinfektion 196 Destillation 153 Destillationsapparatur 154 Destillierkolben 40 Dezimalreduktionszeit 196 Detergenzien 89 Dewar-Formeln 27 Diagramme 62 Dialyse 131, 150 Dicarbonsäuren 33 Dichte 113 Dichtebestimmung 113 Dichtegradient 159 Diffusionsflamme 97 Dimensionen 50 Disk-Gelelektrophorese 170 Divis 26, 56 Dokumentation 187 Dokumentieren 59 Doppelbindung 27 Doppler-Effekt 191 dpm 194 Drechsel-Flasche 42 Drehung, spezifische 115 Dreiwegehahn 47 Druckausgleich 123 Druckdose 122 Druckgasflasche, Farbkennzeichnung 7, 118, 120, 219, 220

Zum Nachschlagen: Register

Druckminderer 121 Dünnschichtchromatographie 164 Duran 36 Durchflussrotor 158 Durchlichtverfahren 185 Edelgase 19 Eigenschaften, kolligative 125 Einheiten 49 Einheiten, abgeleitete 52 Einheiten, Schreibweisen 55 Einheiten, Teile 54 Einheiten, Vielfache 54 Einkanalpipette 83 Einlauf 76 Einschlussthermometer 95 Einstabmesskette 108 Elektrophorese 163 Elemente 17 Elutionsprofil 172 Emulsion 131, 147 Enantiomere 115 Entsorgung 14 Entwicklung DC-Karte 166, 167 Entwicklung DC-Platte 166, 167 Erhitzen 96 Erlenmeyerkolben 39 Erwärmen 96 EUH-Sätze 209 Ex 77 Exsikkator 43 Extinktion 192 Extinktionskoeffizient, molarer 192 Fadenkorrektur 95 Fahrenheit-Skala 92 Faktor, van’t-Hoff- 126 Fällung 131, 148 Faraday-Tyndall-Phänomen 131 Farbänderung Indikatoren 106

233

Farbcode Pipetten 223, 224 Farbcodes 81 Farbkennzeichnung Druckgasflasche 7, 118, 219, 220 Farbkennzeichnung Installation 8, 213 Farbkennzeichnung Pipetten 223, 224 Fehlertoleranz 72 Festwinkelrotor 158 Fettsäuren 32 Filtrat 151 Filtration 150 Flachbettverfahren 170 Flamme, rauschend 97 Flasche, Woulfe’sche 151, 152 Flaschen 41 Flaschenhals 117 Flaschenkennzeichnung 14, 118 Flaschenventil 121 Fluchtwege 7 Flüssigkeitsthermometer 94 Flüssigkeits-Szintillationspektrometrie 193 Fokussierung, isoelektrische 170 Formeleinheit 23 Foto-Handy 187 Fraunhofer’sche Linien 187 Frischpräparat 181 Gammastrahlung 199 Gasdrucksicherung 123 Gase, giftige 123 Gase, Lösungen von 129 Gasentnahme 121 Gasflasche 45 Gasflaschen, Kennzeichnung 117, 119 Gasgleichung, allgemeine 117 Gaskennzeichnung 119 Gastransfer 85 Gaswäscher nach Trefzer 123

234

Zum Nachschlagen: Register

Gay-Lussac, Joseph 109 Gefahren erkennen 4 Gefahrendiamant 12, 218 Gefahrenhinweise, allgemeine 219 Gefahrenpotenzial, akutes 5 Gefahrenpotenzial, latentes 5 Gefahrensymbole 11, 214, 216 Gefahrgut 11 Gefahrgutsymbole 217 Gefahrgutaufkleber 119 Gefahrgutklassen 202, 215 Gefährlichkeitsmerkmale 13 Gefahrstoffe 11 Gefahrstoffverordnung 11 Gefahrstoffsymbole 214 Gefahrstoffsymbole nach GHS 216 Gefahrzettel 119 Gefäßjustierung 78 Gefäßkennzeichnung 78 Gegenstromdestillation 154 Gel-Elektrophorese 170 Gelfiltration 172 Gemenge 147 Gemisch, azeotropes 153 Gemisch, ideales 153 Gemische 18 Geräte 35, 39 Gesetz von Avogadro 124, 140 Gesetz von Dalton 124 Gesetz, Boyle-Mariott’sches 117 Gesetz, Lambert-Beer’sches 192 Gewicht, spezifisches 113 Gewichtskraft 113 Gewichtsprozent 132, 133 Gewichtssatz 73 GHS 12, 201 Glas 35 Glasabtrag 89 Glasarten 36 Glaselektrode 107

Glasflasche 41 Glasmembran 109 Glasplatte, Ceran- 99 Gleichstromdestillation 153 Gleichung, HendersonHasselbalch- 104 Gleichung, Nernst’sche 107 GLP-Vorschriften 59 Good Laboratory Practice 59 Grad Öchsle 115 Grafiken 62 Grammäquivalent 136 Graphen 62 Gruppen, funktionelle 28, 29 Gruppenformel 24 H-Sätze 207 Hahnküken 46 Hähne 48 Härtegrade, Wasser 129 Hamilton-Spritze 84, 85 Hazard Diamond 218 Hebelwaage 71 Heizkorb 97 Heizplatte 98 Henderson-HasselbalchGleichung 104 Henry’sche Konstante 130 Hertzsprung-Russel-Diagramm 191 Heterozyklen 28 heterozyklisch 28 Hochdruckfiltration 152 Hochdruckgase 117 Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie 168 Hoffmann’sche Zersetzung 18 Hoirzontalrotor 158 Howorka-Ball 81 HPLC 168 Hydratkomplex 126 Hydronium-Ionen 102

Zum Nachschlagen: Register

Hydroxide 21 Hydroxyl-Gruppe 29 Immersionsobjektiv 184 In 76 Indikatoren 105, 106 Installation, Farbkennzeichnung 8, 213 Instrumentenpflege 187 Integritätstest Filter 200 Interferenzkontrast 185 Ionenaustauschchromatographie 163, 167 Ionenprodukt 102 Ionenschreibweise 102 Isomerie 25 iso-Pentan 25 isozyklisch 28 IUPAC-Regeln 17 Joule 91 Kalorie 91 Kältemischungen 99 Kältethermometer 95 Kationenaustauscher 167 Kekulé-Formeln 27 Kelvin-Skala 92 Kenndaten Messkolben 87 Kenndaten Pipette 79 Ketone 31 Koagulation 131 Kohlenhydrate 31 Kohlenwasserstoffe, aliphatische 26 Kohlenwasserstoffe, alizyklische 26 Kohlenwasserstoffe, gesättigte 24 Kohlenwasserstoffe, ungesättigte 27 Köhler’sche Beleuchtung 180

235

Kolben 40 Kolbenhubpipette 83 Kolbenprober 85 kolligativ 125 kolloidal 131 Konformation 149 Konstante, Henry’sche 130 Kontamination 196 Konzentrationen 125 Konzentrationsangaben 132 Konzentrationsangaben, Umformung 133 Konzentrationsbestimmung, titrimetrische 110 Koordinatensystem, kartesianisches 65 Kraftarm 71 Kristallwasser 126 Kugelschliff 45, 46 Kühlen 98 Kühlmittel 8 Küken 46 Kunststoffe 37, 38 Kurvendiagramm 64 Laborbericht 61 Labordokumente 64 Laboreinrichtung 7 Laborinstallation, Farbkennzeichnung 8, 213 Laborkunststoffe 37, 38 Laborprotokoll 60 Laborsicherheit 5 Lambert-Beer’sches Gesetz 192 Lastarm 71 Le Chatelier, Prinzip von 102 Legierung 147 Leistungsdaten Zentrifugen 159 Licht, polarisiertes 115 Linien, Fraunhofer’sche 187 Liquid scintillation counting 193 Liter 75

236

Zum Nachschlagen: Register

Lösemittel 126 Lösemittel, apolare 128 Lösemittel, polare 129 Lösemittelklassen 127 Löslichkeit Gase 130 Löslichkeitszahl 132 Lösung(en) 125, 126 Lösung, gesättigte 132 Lösungen verdünnen 138 LSC 193 Luer-Spritze 85, 153 Luft, Gaszusammensetzung 124 Lyophilisation 150 Magnetrührer 73, 86 Manometer 121 Maßanalyse 109 Maße 49 Massenanteil 141, 142 Massenkonzentration 141, 144 Massenwirkungsgesetz 101, 103, 107 Masseprozent 132 Maßlösung 109 Maximumthermometer 95 Mehrfachalkohole 31 Mehrfachringsysteme 28 Mehrkanalpipette 83 Membranfilter Membranfiltration 152 Mengenangaben 132 Meniskus 77, 88, 115 Messkolben 39, 86 Messpipette 42, 79 Messpipetten, Farbcode 209 Messpipetten, Typ 1–3 80 Messzylinder 40 Metall-Ion 21 Methylen-Gruppe 24 Methyl-Gruppe 24 Mikrometer, Objekt- 183 Mikrometer, Okular- 183

Mikrokapillare 85 Mikropipette 42, 84 Mikroskopieren 173 Mikrospritzen 85 Mischsysteme 131 Mischungskreuz 137 Molalität 132 Molarität 132, 135, 145 Molekül 19 Molekularsiebe 172 Molekülmasse 135 Molvolumen 140 Monocarbonsäuren 32 Mostgewicht 115 Multiplikatoren 53 Murphys Gesetz 3 MWG 103 Nassantiseptik 199 Natronglas 36 Nennvolumina 139 neo-Pentan 25 Nernst’sche Gleichung 107 Neutralisation 21, 22, 111 Neutralpunkt 111 Niederdruckgase 118 Nitril-Handschuhe 171 Nomenklatur Basen 22 Nomenklatur Salze 23 Nomenklatur Säuren 22 Normalität 110, 132, 135 Normaldruck-Filtration 151 Normalschliff 46 Normschliffe, Benennung 46 Northern-Blot 171 Nutsche 38, 43, 152 Oberphase 155 Objektmikrometer 183 Öchsle-Grad 115 Ölimmersion 174 Okularmikrometer 183

Zum Nachschlagen: Register

Olefine 26 Olive 42 Osmolalität 137 Osmolarität 137 P-Sätze 210 Paraffine 24 Partialdruck 124 Pasteur-Pipette 42 Peleusball 44, 81 Pellet 162 Periodensystem Elemente 226 Peroxosäuren 22 Persäuren 21 Petrischale 45 Phasenkontrast 185 Phasentrennung 155 pH-Elektrode 108 Phenole 30 Phenyl-Rest 30 pH-Indikatoren 106 pH-Messung 108 pH-Meter 109 pH-Wert 101 Photometrieren 187 Pipetten 42 Pipetten, Farbcode 223, 224 Pipettenwechselspitze 84 Pipettieren, reverses 84 Pipettierhilfen 81 Pistill 38, 44 Pizza fungi 62 Planapochromat 174 Planschliff 46 polar 129 Polarimeter 116 Polarimetrie 115 Polarisationsfilter 116 Polaritätsreihe Lösemittel 129 Polyacrylamid 169 Polyamid 37 Polyethylen 37

237

Polymethacrylat 37 Polypropylen 37 Polystyrol 37 Polyvinylchlorid 37 Porzellan 38 Potentiometrie 107 potentia hydrogenii 101 ppb 132, 133 ppm 132, 133 Präparierbesteck 176 Präzipitation 131, 149 Prinzip, Archimedisches 114 Probenröhrchen 39 Protokollbuch 59 Protokollieren 59 Protonenabgabe 20 Protonenaufnahme 20 PSE 226 PSU 115 Puffer 104 Puffer-Systeme 105 Pulvertrichter 44 Pyrex 36 Qualitätsbezeichnungen 33, 34 Qualitätsklassen 78 Quarzglas 36 Quetschhahn 45 Ranvier-Flasche 41 Rauchen 5 REACH 12 Reagenzglas 39 Reagenzglashalter 45 Réaumur-Skala 92 Redox-Reaktionen 110 Redox-Wertigkeit 112 Reduktionsäquivalent 112 Reduktionsäquivalent, Titrimetrie 112 Reduzierventil 45, 121 Reihe, homologe 25

238

Zum Nachschlagen: Register

Reine Werkbank 201 Reinstwasser 130 Referenzelektrode 108 Referenzpuffer 109 Refraktometer 116 Refraktometrie 116 Reibschale 44 Reinheitsbezeichnungen 33, 34 Reinigung Gefäße 89 Reinstoffarten 18 Rekristallisieren 150 Rettungsmittel 8 reverses Pipettieren 84 Rf-Wert 166 Ringsysteme, kondensierte 26 Risiko-Sätze 13 Rotationsverdampfer 154 Rotorbeladung 161 Rotoren 158 R-Sätze 13, 195 Rührfisch 73, 86 Rundkolben 40 RZB-Wert 157 Salinität 115 Salze 19, 21 Salze, Nomenklatur 23 Saugflasche 42, 151 Säulendiagramm 64 Säure/Base-Paar 20 Säure/Base-Wertigkeit 112 Säuren 19 Säuren, Nomenklatur 22 Säuren, sauerstofffreie 22 Scheidetrichter 43, 155 Schellbach-Streifen 88 Schlauchtülle 47 Schlauchverbindung 47 Schliffe 46 Schlifffett 46 Schliffhülse 45 Schliffkern 45

Schliffstöpsel 46 Schliffteile 45 Schminken 5 Schraubflasche 41 Schreibweisen 55 Schulterflasche 41 Schütteltrennung 155 Schutzbrille 44 Schwarzbandfilter 151 SDS-Gelelektrophorese 170 Sephadex-Gelpartikeln 172 SI-Basisgrößen 49 Sicherheitsdatenblätter 12 Sicherheitsgaswäscher 123 Sicherheits-Sätze 13 Sicherheitsstufe S1 202 Siedeverzug 100 SI-Einheiten 49 SI-Präfixe 53 Skalierung 66 Solvatation 126 Solvens 126 Sonderabfälle 15 Sørensen, Søren 101, 104 Sørensen-Puffer 104 Southern-Blot 171 Spatel 44 Spektralphotometer 191, 192, 193 Spektroskopie 187 Spektrum, elektromagnetisches 191 Sperrhähne 48 Spritzen 84 Spritzflasche 41 S-Sätze 13, 195 Stabthermometer 94 Stammlösung 105 Stammsäuren 22 Standzylinder 40 Stehkolben 40 Steilbrustflasche 41

Zum Nachschlagen: Register

Sterilfiltration 200 Sterilisation 195 Sterilisationsverfahren 196 Stockthermometer 95 Stoffe 17 Stoffmengen 125, 135 Stoffmengenangaben 134 Stoffmengenkonzentration 136, 141, 145 Stoffmischungen 147 Sublimation 150 Substitution 25 Summenformel 24 Suspension 131 Svedberg-Einheit 160 Symbole Basiseinheiten 50 Synthesebericht 61 Szintillationspektrometrie 193 Szintillator, primärer 193 Tabellen 68 Tabellenlayout 69 Tabellenlogik 68 Tara 73 Teclu-Brenner 43, 96 Teildrucke 124 Temperatur 91 Temperatur, kritische 117 Temperaturskala Celsius 92 Temperaturskala Kelvin 92 Temperaturskala Réaumur 92 Temperieren 91 Thermometertypen 93 Tiefenfilter 200 Tiegelzange 44 Titer-Lösung 109 Titrationskurve 111 Titrator 111 Titrier-Lösung 109 Titrimetrie 101, 109, 110 Trägermaterialien 164 Transmission 192

239

Transportgüter, gefährliche 217 Trefzer-Gaswäscher 123 Trenneffekte 163 Trennverfahren 148 Trichter 44 Trichter, Büchner- 151 Trockenantiseptik 198 Trockenobjektiv 184 Tropfflasche 41 Tropfpipette 45 Tropftrichter 43 Tyndallisieren 198 Übergangsstücke 46 Überstand 162 Uhrglas 45 Umkehrosmose 150 Umschlagbereiche 106 Umweltaspekte 14 Umweltrecht 15 Universalindikatoren 105 unpolar 128 Unterphase 155 UV-Strahlung 199 van’t-Hoff-Faktor 126 Verantwortung 4 VE-Wasser 130 Verbindungen 17 Verdünnen 138 Verdünnungsreihe, geometrische 139 Verdünnungsreihe, logarithmische 139 Vernetzung Acrylamid 169 Verteilungschromatographie 163 Vielfache, dezimale 53 Vollpipette 42, 79 Vollpipetten, Farbcode 210 Volumenanteil 141, 143, 145 Volumenkontraktion 144

240

Zum Nachschlagen: Register

Volumenkonzentration 86, 134, 138, 141, 144 Volumenmessung 76 Volumenprozent 132, 133, 134 Volumenschwund 86, 144 Volumina 75 Vormischflamme 97 Vortex 87

Wasserstoffionen 101 Wasserstrahlpumpe 43 Weißbandfilter 151 Werkbank, Reine 201 Werkstoffe 35 Western-Blot 171 Wichte 113 Woulfe’sche Flasche 151

Wägepapier 72 Wägeprinzip 72 Wägung 71 Wärmekapazität 93 Wärmemenge 92 Wärmeüberträger 98 Waschflasche 42, 123 Wasser, demineralisiertes 129 Wasser, destilliertes 130 Wasserlöslichkeit 23

Zahlen 49 Zahlen, Schreibweisen 55 Zeeman-Effekt 191 Zentrifugieren 157 Zentrugation, differentielle 159 Zentrifugation, isopyknische 159 Zonenzentrifugation 159 Zweiphasensystem 156 Zweiwegehahn 45 Zylinder 40