Was steckt in unseren Reinigungsmitteln? Welche brauchst du wirklich? Welche Stoffe sind wirklich umweltfreundlich? Was passiert mit den Lebensmitteln in der Küche? Antworten auf diese und viele andere Fragen rund um Chemie und Co im Haushalt findet ihr hier!

Desinfektionsmittel - Was ist wirklich sinnvoll?

Der (oder das, beides ist richtig) neue Corona-Virus aus China alias COVID-19 bzw. SARS-CoV-2 ist in aller Munde – und Desinfektionsmittel erfreuen sich gerade grösster Beliebtheit. Selbst in unserem Dorfsupermarkt sind sie praktisch ausverkauft. Einige Medien veröffentlichen sogar Anleitungen für DIY-Hände-Desinfektionsmittel. “Das wäre doch ein Thema für Keinsteins Kiste”, meint mein Partner, als er ein solches Rezept liest.

Normalerweise bin ich ja für Alltags-Chemie zum Selbermachen sofort zu haben. Aber macht die Verwendung von Desinfektionsmitteln im Alltag überhaupt Sinn? Können wir uns damit vor Infektionen schützen? Oder hebeln die Nebenwirkungen solcher Mittel den Nutzen vollkommen aus?

Gleich vorweg: Die Antwort auf die letzte Frage lautet in der Regel “ja”. Deshalb bringe ich das erwähnte Rezept auch nicht als Experiment. Denn das Hamstern von Desinfektionsmitteln oder deren Bestandteilen ist für die meisten von uns nicht sinnvoll, sondern bereitet nur jenen, die wirklich darauf angewiesen sind, Schwierigkeiten bei der Beschaffung.

Stattdessen zeige ich euch, wie Desinfektionsmittel funktionieren und warum sie im Alltag meist mehr Probleme als Nutzen bringen. Und für Interessierte bzw. darauf Angewiesene verlinke ich im Verlauf das Original der verbreiteten Rezeptur.

Wie funktionieren Desinfektionsmittel?

Unsere Haut und unsere Umgebung sind von Myriaden Kleinstlebewesen besiedelt. Durch Berührung können sie von einer (Haut-)Oberfläche zur nächsten übertragen werden. Und einige dieser Mikroben können uns krank machen – besonders dann, wenn sie einen Weg durch offene Wunden finden oder/und unser Immunsystem nicht so funktioniert wie es soll.

Beides – Wunden und schlecht funktionierende Immunsysteme – findet man in Krankenhäusern, Arztpraxen und anderen Pflegeeinrichtungen besonders häufig. Deshalb gehört es zum Arbeitsalltag von Ärzten und Pflegern, sich immer wieder die Hände mit einem Desinfektionsmittel einzureiben. So wird die Gefahr minimiert, dass sie womöglich gefährliche Erreger von einem Patienten zum nächsten tragen.

Was ein Desinfektionsmittel können muss

Um das zu leisten muss ein Desinfektionsmittel verschiedene Gruppen von Erregern an den Händen (und medizinischen Geräten etc.) innerhalb kürzester Zeit unschädlich machen:

  • Bakterien
  • Pilze
  • Sporen der ersten beiden
  • Viren

Mit anderen Worten: Ein Desinfektionsmittel muss diese Mikroorganismen effektiv vergiften können. So kommen naturgemäss nur giftige Stoffe als Desinfektionsmittel in Frage.

Zum Glück haben wir Menschen diesen Mikroben einiges voraus:

  1. Wir sind Vielzeller (ein Mensch besteht aus rund   Zellen), während Bakterien und Pilze wie jene der Gattung “Candida” Einzeller sind. Wenn uns ein paar Hautzellen verloren gehen, schadet uns das nicht sofort. Schliesslich hat unser Vielzeller-Körper Mittel, um solche Zellen zu ersetzen. Eine Bakterien- oder Einzeller-Pilzzelle, die tödlich beschädigt wird, bedeutet dagegen sofort ein totes Lebewesen.
  1. Unsere Zellen haben einen Zellkern, in dem unsere DNA weitgehend sicher verwahrt ist. Bakterienzellen haben dagegen keinen Zellkern. Das bedeutet auch, sie funktionieren anders als unsere Zellen. Sie sind somit gegenüber anderen (bzw. mehr) Dingen empfindlich als unsere Zellen (und die der Pilze!) mit Kern.

So ist es nicht schwer, Stoffe zu finden, die Einzellern den Garaus machen, für unsere eigenen Zellen aber nicht all zu schädlich sind.

Besonders kniffelig: Die “Keinzeller” unter den Erregern

Viren sind hingegen gar keine Zellen, sondern winzige Erbgut-Pakete, die Zellen “kapern” (indem sie sich von den Zellen aufnehmen lassen) und für ihre Vermehrung zweckentfremden können. Die Pakethülle von Viren besteht aus Membranlipiden und Proteinen, was sie lebenden Zellen chemisch ähnlich macht. Vergiften bzw. töten kann man sie dennoch nicht, da sie streng genommen gar nicht leben. “Zerstören” träfe es da wohl besser. Mit etwas Glück kann ein Stoff, der für Bakterien giftig ist, auch einen Virus zerstören.

Elektronenmikroskop-Aufnahme von Corona-Virionen (ein einzelnes Virus-Partikel wird “Virion” genannt) aus dem Jahr 1975: Die Stachel-“Krone” (lat. corona) aus Hüllenproteinen gibt dieser Virus-Familie ihren Namen. Bilder von den aktuellen COVID-19-Erregern findet ihr hier!

Besonders kniffelig ist die Beseitigung von Sporen. Das sind stark gepanzerte Ableger von Bakterien oder Pilzen, aus denen sich neue Zellen entwickeln können. Ein Stoff, der Sporen ausschalten soll, muss durch deren Panzerung dringen (wofür er meist etwas mehr Zeit braucht) und so viel Schaden anrichten, dass eine Spore sich nicht mehr zur neuen Zelle entwickeln kann.

Welche Stoffe können das?

Oxidationsmittel

Die Allrounder unter den keimtötenden (d.h. bioziden) Stoffen sind Oxidationsmittel, insbesondere solche, die einzelne Sauerstoffatome freisetzen können. Solche Oxidationsmittel nehmen nämlich all zu gern anderen Molekülen Elektronen weg (die Moleküle werden damit oxidiert), wodurch sie verschiedenste Reaktionen in Gang setzen. Und diese Reaktionen beschädigen oder zerstören nicht zuletzt die Bestandteile von Lebewesen und ihnen ähnlichen Gebilden: Bakterien, Pilze, Viren und sogar Sporen.

Leider sind Oxidationsmittel nicht wählerisch, wenn es um ihre Reaktionspartner geht. So können sie unsere Körpergewebe ebenso schädigen wie die Mikroorganismen. Deshalb sind besonders starke Oxidationsmittel sowie höhere Konzentrationen für die Anwendung an Haut und Schleimhäuten nicht geeignet. In geringer Konzentration kommen am Körper zum Einsatz:

  • Wasserstoffperoxid (H2O2)
  • Natriumhypochlorit (NaOCl, wie H2O2 im medizinischen Bereich, z.B. beim Zahnarzt)
  • Chloramin T (eine organische Verbindung, die in Wasser Hypochlorit freisetzt)
  • Elementares Iod (in Präparaten zur Wunddesinfektion –> z.B. “Betaisodona”)
  • Benzalkoniumchlorid (

Andere Oxidationsmittel wie Chlordioxid (“MMS”!), elementares Chlor, Ozon oder Peressigsäure sind hingegen nur für die Desinfektion von Gegenständen oder Wasser geeignet. In letzterem (z.B. im Schwimmbad) kommen Chlor oder Ozon in kleinsten Mengen mit uns in Kontakt, was wir an brennenden Augen und wunden Stellen leicht bemerken. Die haben es also wirklich in sich!

Aldehyde

Aldehyde oder chemisch korrekt “Alkanale” sind hochwirksam gegen alle möglichen Bakterien (einschliesslich des besonders widerspenstigen Tuberkulose-Erregers), Pilze, Viren und Sporen. Aber leider auch gegen unsere eigenen Körper: Viele desinfizierende Aldehyde sind sehr giftig, weshalb sie nur zur Desinfektion von Oberflächen, Geräten und Räumen zum Einsatz kommen.

Alkohole

Der “Trinkalkohol” Ethanol und verschiedene Varianten des Propanols sind bekannte Beispiele für desinfizierende Alkohole. Werden sie mit Wasser gemischt, können sie in (Bakterien)zellen eindringen und dafür sorgen, dass die Proteine darin ihre Form und damit ihre Funktion verlieren. Ein reiner Alkohol würde stattdessen schon die Proteine auf der Zelloberfläche zerstören und dann keinen Weg hinein mehr finden – sodass das Bakterium am Leben bliebe.

Auf der Haut angewendet sind sie für uns ungiftig (eingenommen dafür um so mehr – das weiss jeder, der schonmal einen Kater hatte), töten bzw. zerstören aber Bakterien (einschliesslich der Tuberkulose-Erreger), Pilze und Viren mit Hülle (es gibt auch Viren ohne Hülle, jedoch ist die Hülle ein wichtiges Werkzeug für das Kapern von Zellen, weshalb viele der uns krankmachenden Viren – z.B. Corona- und Influenza-Viren – eine Hülle haben). Den Sporen können Alkohole hingegen nichts anhaben.

Quartäre (“Quaternäre”) Ammoniumverbindungen

Zum Beispiel Benzalkoniumchlorid. Diese organischen Moleküle enthalten (wie das Ammoniumion) ein positiv geladenes Stickstoffatom, an welches vier organische (kohlenstoff- und wasserstoffhaltige) Atomgruppen gebunden sind.

Benzalkoniumchlorid - eine quartäre Ammoniumverbindung als Konservierungs- und Desinfektionsmittel
Benzalkoniumchlorid(e): Davon gibt es mehrere Varianten mit unterschiedlich langen Seitenketten.

Diese Moleküle sind Tenside, können also gleichsam mit wasserliebenden und fettliebenden Oberflächen wechselwirken (was Tenside genau sind und was sie können erfahrt ihr hier). Wenn eine der Kohlenwasserstoff-Gruppen 8 bis 18 Kohlenstoffatome enthält, können die betreffenden Moleküle derart mit Zell-Aussenhüllen wechselwirken, dass diese beschädigt werden und die Zellen daran eingehen.

Das gilt leider ebenso für Bakterien wie für unsere eigenen Zellen. Deshalb ist Benzalkoniumchlorid als Konservierungsmittel für Medikamente (insbesondere Augentropfen) wegen seiner Nebenwirkungen umstritten.

Metallisches Silber oder Kupfer

Die Oberflächen dieser Metalle wirken schädlich – um nicht zu sagen tödlich – auf Bakterien, jedoch nicht auf die anderen  Erreger-Kandidaten (Pilze, Viren, Sporen). So sind Silberfäden als Mittel gegen Käsesocken und Kupfertürklinken als Beitrag zur Verminderung der Keim-Verbreitung in Krankenhäusern gefragt, aber längst kein Rundumschutz.

Eine ausführliche Liste mit weiteren desinfizierenden Verbindungsklassen, auch für die Haut-Desinfektion, findet ihr hier im Wikipedia-Artikel zur Desinfektion.

Und was taugt das DIY-Desinfektionsmittel aus den Medien?

Das Rezept, welches die Schweizer Gratis-Zeitung “20 Minuten” vom österreichischen Portal “heute.at” übernommen hat, stammt ursprünglich von der WHO. Gedacht ist es allerdings als Empfehlung für Apotheker und medizinsches Personal rund um den Globus, die auch unter einfachen Bedingungen Patienten versorgen müssen. Also ebenso für ein Ebola-Gebiet im Kongo wie für das Behelfsspital in Wuhan – aber auch für die Schweizer Apotheke um die Ecke.

Die Desinfektionslösung gemäss der WHO-Rezeptur besteht aus rund 83% Ethanol (“Alkohol”) in destilliertem Wasser, mit einer kleineren Menge Glyzerin und ein wenig Wasserstoffperoxid dabei.

Das eigentliche Desinfektionsmittel darin ist der Alkohol. Wasserstoffperoxid in der geringen Menge dient dagegen mehr als eine Art Konservierungsmittel. Und das Glyzerin – ein verbreiteter Bestandteil von Kosmetikprodukten – soll der Haut die Feuchtigkeit erhalten.

Alle vier Stoffe sind in den allermeisten Ländern recht einfach und preisgünstig zu bekommen. Und sie funktionieren. So soll medizinisches Personal auf der ganzen Welt Zugang zu einfacher aber wirksamer Desinfektionslösung bekommen.

Doch was wirksam ist, hat naturgemäss auch unerwünschte (Aus-)Wirkungen:

Desinfektionsmittel bringen auch Schwierigkeiten durch…

Resistenzen

Insbesondere Bakterien können resistent gegenüber Desinfektionsmitteln werden (ähnlich wie gegenüber Antibiotika), wodurch die Desinfektionsmittel gegen solche Stämme unwirksam werden.

Schädigung der Haut

Ich habe während der Anfertigung meiner Diplomarbeit im Zellkulturlabor ein knappes Jahr lang regelmässig Hände und Arbeitsumgebung desinfizieren müssen (Bakterien und Pilze waren unser bzw. der Zellkulturen grösster Feind). Für die Hände hatten wir ein Desinfektionsmittel aus dem medizinischen Bereich (das blaue “Sterillium”), für die Arbeitsumgebung 70% Ethanol in destilliertem Wasser (das ist billiger als das Sterillium).

Ich habe schnell gelernt, ausserhalb der Arbeitszeit eine Handcreme zu verwenden, weil das ständige Desinfizieren zu trockener, gereizter Haut führte. Und was für mich nach einigen Monaten wieder vorbei war, taten unsere MTAs (“Labortechniker”) ein (Arbeits-)Leben lang. Die Folge: Trotz Handcreme hatten sie rissige, dauergereizte Hände, um die ich meine Kolleginnen absolut nicht beneidet habe.

Wie kommt es dazu?

Die meisten Mikroorganismen auf unserer Haut machen nicht nur nicht krank, sondern schützen uns sogar vor schädlichen Keimen. Die finden bei intakter “Hautflora” nämlich gar keinen Platz, um sich anzusiedeln. Desinfektionsmittel, die gegen Bakterien wirken, sind aber leider nicht wählerisch. Sie töten die erwünschten Hautbakterien ebenso wie die Krankmacher. Und ist die Hautflora einmal dezimiert, finden unerwünschte Gäste um so mehr Platz, um sich einzunisten.

Ausserdem entziehen die in Desinfektionslösungen enthaltenen Stoffe der Haut leicht Feuchtigkeit. Die Handcreme sollte den Folgen dessen entgegen wirken. Zudem enthält die “Sterillium”-Lösung Stoffe, die zur Erhaltung der Hautfeuchtigkeit beitragen sollen.

Gefahren für die Umwelt

Auch in Kläranlagen gibt es zahlreiche Bakterien, die dort wertvolle Reinigungsarbeit leisten, und zu einem “gesunden” natürlichen Gewässer gehören Bakterien einfach dazu. Wenn nun Desinfektionsmittel – besonders in grösseren Mengen – nicht fachgerecht entsorgt werden (im Sonderabfall!), können sie das Ökosystem in Klärwerken oder natürlichen Gewässern empfindlich schädigen.

Daheim oder in der Medizin – Wo machen Desinfektionsmittel Sinn?

Im medizinschen Bereich

Wo kranke Menschen gepflegt, offene Wunden versorgt und schwache Immunsysteme häufig sind, trägt die Händedesinfektion Grosses zur Verminderung der Übertragung von Keimen bei. Medizinisches Personal reibt sich dazu mindestens vor und nach jedem Patientenkontakt die Hände mit einer alkoholhaltigen Desinfektionslösung für den medizinischen Bereich (z.B. das erwähnte “Sterillium”) ein. Dadurch wird der grösste Teil der Mikroorganismen auf der Haut – einschliesslich der nützlichen Hautflora – ausgeschaltet.

In den Tiefen unserer Haarwurzeln, gut geschützt unter einer Schicht Talg, überleben jedoch einige der wichtigen Hautbewohner (ohne einem Patienten direkt schaden zu können). Die können sich nach dem Verschwinden des Desinfektionsmittels ungehindert teilen und die Hautoberfläche neu besiedeln. Dank dessen und dank feuchtigkeitserhaltender Zusatzstoffe sollte sich der Schaden an den Händen des medizinschen Personals in Grenzen halten.

Und daheim?

Warum sollten wir diesen schützenden Effekt nicht auch in unserem Zuhause haben? Das zumindest denken sich Anbieter für desinfizierende Reiniger und Hand-Desinfektionsmitteln für die Alltagsgebrauch. Eine Stichprobe bei einem bekannten Anbieter (auf dessen Website, denn die Originale sind ja ausverkauft…) zeigt: Diese Alltags-Desinfektionsmittel sind anders zusammengesetzt als jene für den medizinischen Bereich, enthalten mitunter nur Alkohole und Wasser.

Und damit sind wir wieder bei den MTAs im Zellkulturlabor: Die hatten nämlich nicht nur die medizinische Desinfektionslösung, sondern, beim Auswischen der sterilen Werkbänke und Desinfektion von Instrumenten, auch das simple Gemisch von Ethanol und Wasser ständig an den Händen. Und das enthielt eben – wie so manches Alltags-Desinfektionsmittel – keine hautschützenden Zusätze. Dieser Umstand hat gewiss nicht zur Hautgesundheit – insbesondere bei langfristiger Anwendung – beigetragen.

Also nutzen wir doch lieber die Desinfektionslösungen für den medizinischen Bereich?

Die sollen ja – in Kombination mit einer guten Handcreme – für unsere Haut auch bei regelmässigem Gebrauch erträglich sein. Aber brauchen wir so viel Desinfektion überhaupt?

Warum wir Desinfektionsmittel im Alltag nicht brauchen (und wann doch)

Ein intaktes menschliches Immunsystem ist von Natur aus darauf angelegt, mit der Vielfalt der Mikroben in unserem alltäglichen Umfeld zurechtzukommen. Nicht zuletzt deshalb, weil viele davon uns als äusserst nützliche Mitbewohner begleiten.

Im Normalfall ist es daher im Alltag gar nicht nötig, regelmässig Desinfektionsmittel zu verwenden. Ausgenommen sind die Fälle, die eben nicht “normal” sind:

  • Jemand im Haushalt ist krank und muss gepflegt werden (im Fall von akuten Infektionen ist dieser Umstand allerdings von vorübergehender Natur).
  • Jemand im Haushalt hat kein intaktes Immunsystem (beispielsweise durch eine Chemotherapie).

Für Menschen in diesen Situationen kann es wirklich schwierig werden, wenn Desinfektionsmittel nur noch schwer oder gar nicht erhältlich sind!

Das könnt ihr wirklich tun, um euch zu schützen

Ist hingegen “nur” Erkältungssaison und es “geht etwas um” (auch wenn das “Etwas” COVID-19 heisst), sind einfache Hygienemassnahmen wesentlich wirksamer, da  schonender für die Verteidigungslinien auf unserer Haut:

  • Hustet oder niest stets in die Armbeuge anstatt einfach in die Gegend.
  • Haltet von hustenden oder niesenden Personen mindestens einen Meter Abstand.
  • Fasst euch mit ungewaschenen Händen möglichst nicht in das eigene Gesicht (und schon gar nicht in das von Anderen, beispielsweise das eurer Kinder).
  • Insbesondere gegen “Mitbringsel” von draussen: Wascht euch, wenn ihr heimkommt (aber auch unterwegs), die Hände mit gewöhnlicher Seife, nachdem ihr in der Öffentlichkeit viel berührte Dinge (z.B. Türklinken, öffentliche Verkehrsmittel!) angefasst habt und bevor ihr zu Hause irgendetwas anderes berührt.
  • Wenn ihr bereits (infektions-)krank seid: Bleibt zu Hause. Geht nicht arbeiten und schickt kranke Kinder nicht in die Schule/den Kindergarten/die KiTa! Bei Fieber, Husten und Atembeschwerden ruft euren Arzt an (bevor ihr hingeht!) und befolgt dessen Anweisungen.

Was ihr niemals tun solltet

Desinfektionsmittel mit Seife kombinieren

Doppelt hält besser? Leider nein. In Verbindung mit Seife (also Tensiden), bergen Desinfektionsmittel im Alltag noch ein weiteres Problem:

Wenn ihr eure Hände mit Seife wascht, vergrault das eure nützlichen Mitbewohner nämlich nicht, entfernt aber den schützenden Talg, unter dem sich deren letzte Reserven verstecken, von den Haarwurzeln. Wenn ihr dann während oder nach dem Händewaschen zu einem Desinfektionsmittel greift, rottet das die letzten Reserven ebenso aus wie die Hautflora auf der Hautoberfläche. Und dann bleibt nichts mehr, was sich weiter vermehren und auf eurer Haut, dem Eingang zu eurem Körper, Wache schieben könnte.

Desinfektionsmittelhaltige Seife oder Desinfektionsmittel nach dem Seifeneinsatz sind in Hinsicht auf die Übertragung von Erregern an den Händen eher schädlich als dass sie nutzen!

Desinfektionsmittelreste in den Ausguss oder gar in die freie Natur entsorgen

Wie bereits erwähnt gibt es in Klärwerken wie auch in der Natur zahlreiche Bakterien, die für eine funktionierende Anlage bzw. ein gesundes Ökosystem notwendig sind. Und die nehmen an Desinfektionsmitteln genauso Schaden wie unliebsame Erreger.

Sämtliche Abflüsse in unserem Zellkulturlabor münden – wie vermutlich auch jene in Krankenhäusern – in spezielle Abwasser-Anlagen, die darauf ausgerichtet sind, Chemikalien im Abwasser zu beseitigen, bevor es in die eigentliche Kanalisation gelangt. So ist der Einsatz von Desinfektionsmitteln im Labor – und wahrscheinlich auch im medizinischen Bereich – eine deutlich geringere Gefahr für die Umwelt als ihr Einsatz im Alltag.

Desinfektionsmittel hamstern, wenn “etwas umgeht”

Es sei denn, ihr gehört zu jenen, die aufgrund von Krankheit oder/und unzureichendem Immunsystem wirklich auf die Nutzung von Desinfektionsmitteln im Alltag angewiesen sind. Genau diese Menschen werden euch – ebenso wie die Menschen mit Medizinberufen – sehr dankbar dafür sein, wenn sie die dringend benötigten Mittel auch während eines Ausbruchs wie dem von COVID-19 problemlos bekommen.

Das Gleiche gilt im Übrigen auch für die Gesichtsmasken. Die nützen dem Chirurgen oder Zahnarzt sehr, um seine eigenen Bakterien vom Patienten fernzuhalten. Vor einer Tröpfchen- oder Schmierinfektion mit einem Atemwegs-Virus schützen sie aber praktisch nicht.

Zusammenfassung

Desinfektionsmittel sind Stoffe, die Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze, deren Sporen, aber auch Viren abtöten oder zumindest am Wachstum hindern können. Solche Stoffe sind naturgemäss giftig – aber für Mikroben oft mehr als für uns – und umweltschädlich.

In der Krankenpflege sind Desinfektionsmittel ein wertvolles Mittel, um die Gefahr der Übertragung von Keimen zwischen Patienten und Pflegern gering zu halten. Wie alle wirksamen Mittel haben jedoch auch Desinfektionsmittel Nebenwirkungen und bergen wie alle (umwelt-)giftigen Stoffe Gefahren.

Im Alltag überwiegen diese Schwierigkeiten den Nutzen von Hände-Desinfektionsmitteln, zumal es einfachere und nebenwirkungsärmere Mittel und Wege gibt, die Übertragung von Keimen zu vermeiden:

  • In die Armbeuge husten oder niesen
  • zu erkälteten Personen Abstand halten
  • Nicht ins Gesicht fassen
  • Hände waschen (aber nicht mit Desinfektionsmittel kombinieren!)
  • mit Infektionskrankheiten zu Hause bleiben

Wenn ihr selbst einen Pflegeberuf ausübt oder im Alltag mit kranken oder/und immunschwachen Personen lebt oder eine solche seid, kann – so meine eigene Erfahrung im Labor – eine Handcreme dabei helfen, die Hautschäden durch regelmässigen Einsatz von Desinfektionsmitteln gering zu halten.

Und wie geht ihr angesichts von COVID-19 oder anderen Erregern mit Desinfektionsmitteln um? Habt ihr vielleicht im Beruf regelmässig damit zu tun und weitere (bessere?) Tipps zur Hautpflege?

Plastik überall! Ein Kunststoff - 1x1

Kein Plastik-Spielzeug für mein Kind! Kunststoff-Verpackungen gehören reduziert! Gemüse mit Plastik-Umhüllung ist ein Unding! Die Meere sind voller Plastikmüll! Mikroplastik umgibt uns überall!

Solche Aussagen, die mir immer wieder begegnen, zeigen, dass der Begriff “Plastik”, oder auch etwas ‘netter’ gesagt “Kunststoff” mehr denn je negativ besetzt ist. Aber sind Kunststoffe wirklich so schlecht für uns und die Welt, wie ihr Image es vermuten lässt?

Sicher ist: Ohne sie geht gar nichts mehr in unserer Alltagswelt. Wo wir auch hinschauen, sind wir von den verschiedenartigsten Kunststoffen umgeben. Allein das ist schon Grund genug, sie hier in Keinsteins Kiste zum Thema zu machen. Und da ein einzelner Artikel diesen allgegenwärtigen Stoffen nicht gerecht werden könnte, habe ich mich entschlossen, in den nächsten Wochen eine ganze Serie rund um Plastik zu bringen. Einschliesslich Experimenten zur Welt der Kunststoffe.

Und die beginnt heute mit einer Übersicht: Was ist eigentlich “Kunststoff”? Welchen Nutzen und welche Schwierigkeiten bringen Kunststoffe mit sich? Welches sind die wichtigsten Kunststoffe unserer Alltagswelt?

Was ist ein Kunststoff?

Ein Kunststoff, auch “Plastik” oder “Plaste” genannt, ist ein Festkörper aus synthetischen oder halbsynthetischen Polymeren mit organischen Gruppen…. Moment, langsam!

“Festkörper” ist ja noch einfach…solch ein Stoff ist eben nicht flüssig oder gasförmig, sondern (bei alltäglichen Temperaturen) fest. Aber:

Was ist ein Polymer?

Ein Polymer ist ein riesenlanges, kettenartiges Molekül (oder eben ein Stoff aus solchen Molekülen). Die Glieder solch eines Kettenmoleküls sind kleine, sich immer wiederholende Atomgruppen. Wie eine Kette aus einzelnen Gliedern zusammen geschmiedet wird, wird auch ein Polymer mittels chemischer Reaktionen aus seinen Einzelgliedern zusammengesetzt.

Ein mögliches solches Einzelglied ist das Molekül Ethen (C2H4), auch Ethylen genannt:

In einer Art Kettenreaktion verbinden sich viele Ethylen-Moleküle zu einer Polymer-Kette. Dieses Polymer heisst deshalb “Polyethylen”.

Jeweils eine der beiden C-C-Bindungen in den Ethylen-Molekülen wird aufgetrennt und die beiden “losen Enden” für die Verknüpfung der Moleküle untereinander verwendet. So entsteht eine beliebig lange Kette aus C2H4-Einheiten mit Einfachbindungen.

Wer hat die Polymere erfunden?

Viele Polymere in der Alltagswelt sind “synthetisch”. Das heisst, sie sind von Chemikern entworfen und in einem Labor bzw. im industriellen Massstab in einer Chemiefabrik hergestellt worden. Auch das Polyethylen gehört zu dieser Sorte.

Polymere erfunden hat hingegen die Natur. Pflanzen bestehen aus grossen Teilen aus Zellulose und speichern ihre Energie in Stärke. Beide Stoffe bestehen aus langen Ketten, die in Pflanzenzellen aus Zucker-Molekülen zusammengebaut werden. Die “Erbsubstanz” DNA besteht aus langen Ketten sogenannter Nukleotide, die sich nur in ihren Seitengruppen, den berühmten DNA-Basen, unterscheiden. Die Abfolge dieser Basen entlang der Kette bildet den Bauplan für Proteine, die ebenfalls Polymere sind: Sie sind lange Ketten aus bis zu 20 verschiedenen Aminosäuren, die zu komplexen Strukturen zusammengefaltet sind.

Es sind also Polymere, die Lebewesen erst zu solchen machen. Und diese “natürlichen” Polymere nennen die Chemiker und Biologen deshalb auch “Biopolymere”.

Nachdem die Natur die Polymere schon erfunden hat, machen sich Polymerchemiker diese Erfindungen zuweilen zu Nutze. Dazu nehmen sie ein Biopolymer und verändern es so, dass seine Eigenschaften schliesslich ihren Wünschen entsprechen. Zellulose reagiert zum Beispiel mit Salpetersäure zu Zellulosenitrat, auch als Schiessbaumwolle bekannt. Mit Campher als Weichmacher wird daraus Zelluloid, das vor allem als Material für Filmstreifen bekannt ist.

Aus Zellulose (links) wird Zellulosenitrat (rechts). In der Praxis wird dazu “Nitriersäure” verwendet, die neben Salpetersäure auch Schwefelsäure enthält.

Da Schiessbaumwolle aber aus gutem Grund so heisst – unbehandelt ist sie explosiv und auch Zelluloid brennt lebhaft – hat man bald Ersatz gefunden – zum Beispiel in Form von Zelluloseacetat, das durch Reaktion von Zellulose mit Essigsäure entsteht.

Diese Art von Polymeren heisst aufgrund ihrer Herstellung “halbsynthetisch”: Den ersten Teil der Arbeit erledigt die Natur, erst der zweite Teil geschieht im Labor bzw. der Chemiefabrik.

Was macht Polymere bzw. Kunststoffe so nützlich?


  • Alltags-Kunststoffe gelten als chemisch und biologisch weitestgehend inert: Das heisst, sie reagieren weder von selbst mit alltäglichen Chemikalien, noch sind solche Reaktionen im Stoffwechsel von Lebewesen möglich. Damit sind diese Polymere als solche sehr gesundheitsverträgliche Materialien für Lebensmittelbehälter und Anwendungen am und im menschlichen Körper (z.B. als Textilien, Kinderspielzeug, Medizinprodukte). Kunststoffe wie Polyethylen fallen zudem kaum der Korrosion zum Opfer, sodass man fast alle anderen Stoffe darin aufbewahren kann.

  • Alltags-Kunststoffe haben eine wesentlich geringere Dichte als Glas oder Keramik, die chemisch ähnlich unangreifbar sind: Kunststoff-Behälter sind sehr leicht. Das gilt auch für Kunststoffbauteile in Fahr- und Flugzeugen: Der Ersatz von Metallteilen durch Kunststoffe verringert den nötigen Treibstoff erheblich!

  • Viele Alltagskunststoffe sind bruchsicher: Fällt eine Kunststoffflasche zu Boden, zerbricht sie gewöhnlich nicht. Es entstehen keine gefährlichen Scherben, der Inhalt bleibt sicher darin. Das macht Kunststoffe nicht nur im Haushalt praktisch, sondern auch zu einem hervorragenden Material für sicheres Kinderspielzeug.

  • Polymere sind während der Kunststoff-Herstellung nahezu beliebig formbar: Man kann praktisch alles daraus herstellen! Bis vor wenigen Jahren bot das Spritzgussverfahren die grösste Vielfalt (weicher bzw. flüssiger Kunststoff wird in eine vorbereitete Form gespritzt – ein “Nabel” verrät bei solchen Teilen oft die Lage der Einspritzstelle). Heute verbreiten sich zunehmend 3D-Drucker, die lange Kunststofffasern zu computergenerierten Formen zusammenschmelzen. Damit sind wesentlich präzisere und feinere Strukturen möglich als mit dem Spritzgussverfahren.

  • Die Herstellung von Kunststoffen ist kostengünstig: Bislang zumindest, denn die meisten Alltagskunststoffe sind Erdölprodukte. Wenn das Erdöl erst einmal knapp wird, werden auch diese Kunststoffe nicht mehr so günstig zu haben sein. Deshalb wird seit Jahrzehnten Recycling betrieben und Wissenschaftler suchen eifrig nach neuen Kunststoffen aus erneuerbaren Rohstoffen oder ebenso erneuerbaren Rohstoffquellen für die gängigen Polymere.

Welche Schwierigkeiten verursachen Kunststoffe?


  • Die für uns so vorteilhafte chemische und biologische Inertheit bedeutet leider auch: Unsere Alltags-Kunststoffe sind so gut wie gar nicht biologisch abbaubar. Die Geister, die wir riefen, werden wir nun also nicht mehr los: Wo immer unsere Kunststoff-Abfälle hingeraten, bleiben sie über lange Zeiträume, vermüllen unsere Umwelt und gefährden ihre Bewohner. Auch das ist ein Grund, weshalb Wissenschaftler fleissig an neuen, besser abbaubaren Kunststoffen forschen und solche zunehmend auf den Markt gebracht werden.

  • Viele ihrer nützlichen Eigenschaften erhalten die Polymere erst durch Zusätze (die Polymerchemiker nennen sie “Additive”). Und diese Zusatzstoffe sind – im Gegensatz zu den eigentlichen Polymeren – oft weniger inert. Zudem bestehen sie aus relativ kleinen Molekülen, sodass sie leicht beweglich sind. Im Zweifelsfall bewegen sie sich aus dem Kunststoff hinaus und in dessen Umgebung – zum Beispiel den Inhalt von Kunststoffbehältern – hinein. Und da wollen wir die reaktionswilligen, im schlimmsten Fall gesundheitsschädlichen Additive absolut nicht haben. Zu den besonders berüchtigten Zusatzstoffen zählen Weichmacher, wie sie in Weich-PVC zu finden sind.

  • Viele Kunststoffe sind nicht besonders lichtbeständig: Intensiver Sonneneinstrahlung ausgesetzt verändern sich viele Kunststoffe früher oder später. Sie verlieren nicht nur ihre Farbe, sondern werden vor allem brüchig. Zugesetzte Lichtschutzmittel sollen diese Entwicklung verlangsamen.

  • Kunststoffe sind mehr oder weniger empfindlich gegenüber Wärme: Die meisten Alltagskunststoffe sind sogenannte Thermoplaste, d.h. sie werden bei höheren Temperaturen weich und verformen sich, ehe sie sich bei noch höheren Temperaturen zersetzen. Bei der Zersetzung können je nach Kunststoff giftige Kleinmoleküle freigesetzt werden. Zugesetzte Wärmestabilisatoren können jedoch dafür sorgen, dass z.B. Küchenbehälter der Temperatur von Gargut (also um die 100°C ) standhalten.

  • Kunststoffe sind brennbar: Wie die allermeisten organischen Verbindungen brennen auch Kunststoffe, wobei nur im besten Fall CO2 entsteht. Viel häufiger sind andere, teils giftige Zersetzungsprodukte, die auch den typischen Gestank eines Kunststoffbrandes mit sich bringen. Zugesetzte Flammschutzmittel sollen insbesondere in Gebäuden und Fahrzeugen verhindern, dass verbaute Kunststoffe in Flammen aufgehen und zum Niederbrennen des Gebäudes führen.

  • Die meisten Kunststoffe werden aus Erdöl, also aus einer endlichen Rohstoffquelle, gewonnen.

Welche Kunststoffe begegnen uns im Alltag?

Polyethylen und Polypropylen (PE bzw. PP)

Diese beiden Polymere bestehen aus chemisch eng miteinander verwandten Kettengliedern. So sind ihre Eigenschaften und damit auch ihre Einsatzgebiete ähnlich. Beide Kunststoffe sind sehr reaktionsträge. Polypropylen bleibt allerdings bis zu höheren Temperaturen fest als Polyethylen. Deshalb sind Küchengefässe meistens aus Polypropylen, während z.B. Medikamentendosen und Laborbehälter, die nicht erhitzt werden sollen, oft aus Polyethylen (“HDPE” – high density PE mit geringfügig höherer Dichte). Auch die durchsichtigen Folienbeutel mit Clip-Verschluss bestehen entweder aus Polypropylen oder Polyethylen (“LDPE” – low density PE mit geringfügig niedrigerer Dichte).

Medikamentendosen, Kosmetikverpackung, Gefrierdose und Folienbeutel aus Polyethylen
Medikamenten- und Kosmetikbehälter sowie der Gefrierdosen-Deckel und die Folienbeutel sind aus Polyethylen. Die Recycling-Symbol mit “04” und “PE-LD” bzw. “02” und “PE-HD” verraten uns das Material.
DVD-Hülle, Gefrierdose und Mehrfachsteckdosengehäuse aus Polypropylen
In die Gefrierdose können nicht nur kalte, sondern auch heisse Speisen gefüllt werden: Sie ist aus hitzebeständigerem Polypropylen. Daraus bestehen auch DVD-Hüllen und das Gehäuse der Mehrfachsteckdose. Das Recyclings-Symbol dafür zeigt “05” und “PP”.

Polyvinylchlorid (PVC)

Wie der Name vermuten lässt, enthält jedes Kettenglied dieses Polymers ein Chlor-Atom. Dadurch ist dieser Kunststoff schwerer entflammbar als viele andere. Wenn er aber einmal brennt, entstehen daraus Chlorwasserstoff (“Salzsäure”) und andere giftige Stoffe. Reines PVC ist hart und spröde und wird für die Herstellung von Fensterrahmen, Rohre und Schallplatten (daher die Bezeichnung “Vinyl-Platten”) verwendet. Durch die Zugabe von Weichmachern kann es elastisch gemacht werden. Dann kommt es z.B. als Kabelumhüllung, Bodenbelag oder in Spielzeugen wie Kunststoffpuppen zum Einsatz. Einige dieser Weichmacher gelten jedoch als gesundheitsschädlich, was PVC gerade im Spielzeugbereich in Verruf gebracht hat (Bild: Beispiele PVC –> erkennbar am Recyclingsymbol)

Kabelummantelungen und Badeente aus PVC
Kabelummantellungen und die Badeente sind aus Weich-PVC. Das Recycling-Symbol für Polyvinylchlorid zeigt “03” und “PVC”.

Polyethylenterephthalat (PET)

Das bekannte Material für Einweg-Getränkeflaschen (“PET-Flaschen”) gehört zur Gruppe der Polyester. Es ist sehr reaktionsträge und bruchsicher, sodass es sich nicht nur für Getränkeflaschen, sondern auch für Textilfasern (zum Beispiel für schnelltrocknende Sportbekleidung) wunderbar eignet. PET lässt sich zudem sehr wirtschaftlich recyceln. Die Schweiz hat ein eigenes Recycling-System dafür: Die blau-gelben Container mit dem PET-Dino sind speziell für die PET-Flaschen gedacht (alle anderen Kunststoffe landen hierzulande nämlich oft über den Restmüll in der Müllverbrennung). (Bild: Beispiele PET mit Recyclingsymbol)

PET-Flaschen, PET-Rohling und Butterdose aus PET
Nicht nur Getränke, sondern auch Reinigungschemikalien und Butter werden in PET-Flaschen verkauft. Aus dem PET-Rohling rechts vorne kann durch Aufblasen des erwärmten Kunststoffs eine PET-Flasche produziert werden. Das Recyclings-Symbol zeigt “01” und “PET”.

Polystyrol (PS), auch bekannt als Styropor

Dieser Kunststoff lässt sich zu extrem leichtem Material aufschäumen (“Quietschpapier”), das wir vor allem als Verpackungsmaterial oder Wärmedämmung kennen. Es gilt als biologisch inert, sodass es auch als Lebensmittelverpackung (z.B. Fleischschalen) zum Einsatz kommt. Polystyrol wird jedoch auch in massiver Form verarbeitet: Dann ist es glasklar und begegnet uns z.B. als Plastikbesteck, CD-Hüllen oder Spielzeug. (Bild: Beispiele Polystyrol –> erkennbar am Recyclingsymbol)

Styropor, CD-Hülle, Joghurtbecher und Plastikbesteck aus Polystyrol
Polystyrol begegnet uns nicht nur als Styropor, sondern auch in Form von CD-Hüllen, Plastikbesteck und Joghurtbechern. Das Recyclings-Symbol zeigt “06” und “PS”.

Polyurethane (PU, PUR)

Diese Kunststoffe lassen sich aufschäumen, sodass wir ihn hauptsächlich als “Schaumstoff” in Polstern, Wärmedämmung oder Putzschwämmen kennen. Auch der gelbe Hartschaum, den man in manchen Gebäuden um Rohrleitungen oder in Fugen findet, ist ein Polyurethan-Kunststoff. In massiverer Form begegnen uns Polyurethane zudem Lacke, Kunstharze oder “Kunstleder” – zum Beispiel als Material für Schläuche oder Fussbälle. (Bild: Beispiele Polyurethane)

Schaumstoffe und Schwamm aus Polyurethan
Schwämme und andere Schaumstoffteile bestehen aus Polyurethanen.

Polyamid (PA)

Diese Bezeichnung kennen wir vor allem von Kleidungsetiketten. Tatsächlich begegnen uns Polyamide (auch das ist eine ganze Kunststoff-Gruppe) meistens als Textilfasern. Berühmte Handelsnahmen solcher Kunstfasern sind “Nylon” und “Perlon”. Auch Zahnbürsten-Borsten, Instrumentensaiten, Kunststoffseile und Angelschnur bestehen aus Polyamiden. In der Schweizer Mundart wird solche Nylonschnur auch als “Silch” bezeichnet.

Sporthose, Küchenbesteck und Zahnbürste aus Polyamid
Nicht nur meine Sporthose, sondern auch das Küchenbesteck und die Borsten der Zahnbürste bestehen aus Polyamiden. Kürzel wie “PA 6” oder “PA 6.6” auf dem Besteck verraten dieses Material.

Polyester

Diese Bezeichnung auf Kleideretiketten ist im Grunde genommen eine recht ungenaue Bezeichnung für eine sehr grosse Familie von chemisch ähnlich hergestellten Kunststoffen. Besonders wichtige Vertreter sind das schon genannte PET, aber auch die Polycarbonate und die Polymilchsäure / Polylactid PLA. Die Polyesterfaserstoffe in Textilien oder Mikrofasern werden kurz als PES bezeichnet. Weitere Familienmitglieder sind Polyesterharze, die im Gegensatz zu den Fasermaterialien nach dem Aushärten stets hart und fest bleiben.

Polycarbonate (PC)

Diese Vertreter der Polyesterfamilie sind besonders hart, schlag- und kratzsicher – und überdies glasklar. Zudem sind sie zwar entflammbar, brennen aber nicht ohne Flamme von aussen weiter. Ihre Herstellung ist allerdings teurer als die anderer Kunststoffe, sodass sie nur dort zum Einsatz kommen, wo andere Kunststoffe nicht hart genug sind: Für CDs, Brillengläser, als Ersatz für Glas, Koffer oder medizinische Einmalprodukte.

CD, DVD und Brillengläser aus Polycarbonat
Aus Polycarbonaten sind vor allem Gegenstände, die kratzfest sein müssen: Zum Beispiel Brillengläser und CDs bzw. DVDs.

Polymilchsäuren oder Polylactide (PLA)

Dieser Vertreter der Polyester besteht aus Kettengliedern, die in jedem Lebewesen vorkommen: Aus Milchsäure bzw. deren Anion “Lactat”. Der Rohstoff für diese Kunststoffe wächst also nach – zum Beispiel in Mikrobenkulturen! Dementsprechend haben Lebewesen auch Enzyme entwickelt, die mit Milchsäureestern umzugehen wissen: PLA ist deshalb biologisch abbaubar. ABER: Dazu sind besondere Umweltbedingungen (u.A. eine erhöhte Temperatur) nötig, die nur in industriellen Kompostieranlagen gegeben sind! Trotzdem verbreiten sich PLA zunehmend, zum Beispiel als Material für Einweggeschirr oder für den 3D-Druck. Auch in “physiologischer Umgebung” in lebenden Körpern werden PLA mit der Zeit abgebaut, sodass sie auch als selbstauflösendes chirurgisches Garn zum Einsatz kommen. Mehr über PLA könnt ihr hier in Keinsteins Kiste nachlesen.

Kautschuke (“Gummi”)

Der Naturkautschuk, der aus Kautschukpflanzen gewonnen wird, ist ein echter Naturstoff, kein Kunststoff. Das gilt auch für das daraus gewonnene Naturlatex – ein Kautschukprodukt (deshalb kann Latex Allerdien auslösen: Es kann – wie viele Naturprodukte – Spuren von allergenen Proteinen enthalten). Haupteinsatzgebiet von Kautschuk ist die Herstellung von Autoreifen. Während der Weltkriege haben Wissenschaftler anhand des natürlichen Vorbilds synthetische Kautschuke – also Kunststoffe – entwickelt, um von den Kautschukplantagen in tropischen Gebieten unabhängig zu sein. Doch in jüngerer Zeit wird ein zunehmender Anteil des Gummibedarfs durch Naturkautschuk gedeckt – mit allen Umweltproblemen, die der Anbau in grossem Massstab mit sich bringt. So sind LKW- und Flugzeugreifen meist aus Naturkautschuk, während PKW-Reifen meist aus Synthesekautschuken bestehen. Spezielle Synthesekautschuke sind überdies das Neopren, aus dem Taucheranzüge bestehen, und der Nitrilkautschuk, aus dem die besonders undurchlässigen blauen Einmalhandschuhe in Labor und Arztpraxis gefertigt sind.

Silikone

Diese Polymere sind Exoten unter den Kunststoffen. Denn ihre Ketten bestehen nicht wie bei den übrigen Kunststoffen aus Kohlenstoff, sondern aus Silizium- und Sauerstoffatomen. Diese besondere Struktur verleiht Silikonen eine besonders gute Verträglichkeit mit unseren Körpergeweben, was sie als Material für Implantate (z.B. “Silikon-Brüste”) und andere Medizinprodukte beliebt macht. Die meisten Silikone im Alltag erscheinen elastisch wie “Gummi”. Deshalb sprechen Fachleute auch von “Silikonkautschuk”. Auch Küchengeräte sowie Schnuller (“Nuggi” in der Schweiz) aus Silikonkautschuk sind weit verbreitet, ebenso wie Fugendichtungsmasse in Badezimmer und Küche.

ABS-Kunststoffe (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere)

Als Copolymere bezeichnet man Polymere, deren Ketten sich aus verschiedenartigen Gliedern zusammensetzen. Damit sind auch DNA und Proteine Copolymere: Erstere bestehen aus 4, zweitere aus 20 verschiedenen Gliedersorten. Die ABS-Kunststoffe bestehen aus 3 grundlegenden Gliedersorten. Sie zeichnen sich durch besondere Schlagzähigkeit aus und lassen sich gut mit Metallen oder anderen Polymeren beschichten. Legosteine und Playmobil bestehen aus ABS-Kunststoffen, und diese Spielzeuge sind ja bekanntlich nahezu “unkaputtbar”. Ausserdem sind ABS-Kunststoffe als Material für Gehäuse von elektronischen Geräten, auch in Autos oder für robuste Teile von Musikinstrumenten und Sportgeräten begehrt.

Legosteine und Blutdruckmessgerät aus ABS-Kunststoff
Legosteine und das Gehäuse des Blutdruckmessgeräts bestehen aus robusten ABS-Kunststoffen. Auf der Innenseite der Batterieklappe des Blutdruckmessgeräts habe ich das Kürzel “ABS” entdeckt, welches auf das Material hinweist.

Fazit

Kunststoffe bestehen aus sogenannten Polymeren – langen Molekülketten aus sich wiederholenden Gliedern – die vollständig oder teilweise im Labor bzw. industriell hergestellt werden. Der Ausgangsstoff für die Herstellung der meisten Kunststoffe ist Erdöl, doch kommen zunehmend Kunststoffe aus anderen, bestenfalls erneuerbaren Rohstoffquellen zum Einsatz.

Die Materialeigenschaften von Kunststoffen lassen sich nahezu nach Wunsch gestalten. Allerdings sind dazu oft Zusatzstoffe (Additive) nötig, die den Kunststoffen einen grossen Teil ihres schlechten Rufs eingebracht haben. Dennoch ist die Welt der Kunststoffe äusserst vielfältig und “Plastik” längst nicht gleich “Plastik”. Es lohnt sich, nicht alle Kunststoffe über einen Kamm zu scheren. Insbesondere, da wir heutzutage kaummehr ohne sie auskommen.

Zu meinen Lieblingskunststoffen zählen wohl Polyethylen (darin kann man wirklich fast alles aufbewahren), die Polylactide (Biokunststoffe sind irgendwie cool) und die ABS-Kunststoffe (fast unkaputtbar…und ich liebe Lego… 😉 ). Welcher ist denn euer Lieblingskunststoff?

Experiment: Ein Weihnachtsdüfte-Puzzle

Adventszeit und Weihnachten…diese Zeit himmlischer Düfte weckt in euch hoffentlich ebenso sehr Behaglichkeit und angenehme Erinnerungen wie in mir. Anis, Zimt und andere Gewürze sowie Tannengrün und vieles mehr regen in diesen Tagen unsere Nasen an. Aber was ist eigentlich ein Duft – und wie gut können unsere Nasen ihn wahrnehmen?

Probiert es aus – mit diesem kleinen Experiment – das auch für ganz junge Forscher (die bereits sprechen und neue Wörter lernen mögen) eine spannende Erfahrung ist!

Adventskränzchen 2019
Dieser Beitrag ist Teil des Adventskränzchens 2019.
Weitere Beiträge zum Tagesthema “Zimt, Anis & Co” findet ihr auf:
www.marie-theres-schindler.de
http://www.diekunstdesbackens.com

Was ist ein Geruch?

Der Geruch ist eine Eigenschaft von Stoffen (oder Stoffgemischen), die wir mit unserer Nase, unserem Geruchssinn, wahrnehmen können. Empfinden wir einen Geruch als angenehm, sprechen wir gern von einem Duft. Ein unangenehmer Geruch hingegen heisst zum Beispiel ‘Gestank’.

Den Geruch eines Stoffs können wir wahrnehmen, wenn seine Moleküle sich mit Luft vermischen und darin herumschwirren, sodass wir sie einatmen können. Denn indem wir durch die Nase einatmen, befördern wir diese Moleküle zu den Geruchszellen tief im Innern der Nasenhöhle.

Jede Geruchszelle hat an ihrer Oberfläche eine ihr ganz eigene Sorte Proteine, die perfekte Andockstellen für jeweils eine ganz bestimmte Molekülsorte bilden. Docken passende Moleküle an diese Proteine an, wird in der Geruchszelle ein elektrisches Signal erzeugt und an das Gehirn weitergeleitet. Das Gehirn erkennt, woher dieses Signal kommt, und macht daraus den Eindruck des zugehörigen Geruchs.

Wie gut wir riechen können

Menschen haben 200 bis 400 verschiedene Sorten Geruchszellen und können damit ebenso viele verschiedene Stoffe riechen. Da das Gehirn jedoch verschiedene Geruchssignale wie Farben mischen kann, sind – dank rund 10 Millionen Geruchszellen insgesamt – können wir weitaus mehr, nämlich bis zu einer Billion verschiedene Geruchseindrücke und Nuancen erleben.

Damit das Gehirn einen Geruch als solchen wahrnimmt, müssen etwa 10 bis 100 Millionen stark riechende Moleküle “ihre” Geruchszellen zu einem elektrischen Trommelfeuer bewegen… Das klingt nach viel – ist es aber nicht. Ein Milliliter Luft enthält nämlich rund 25’000’000’000’000’000’000 , also 25 Millionen Millionen Millionen (25 Trillionen) Moleküle! Wenn also jedes 250-milliardste Molekül darin einen Geruch hat, können wir ihn riechen.

Ein Hund würde darüber aber nur müde lachen (wenn er das könnte). Er hat nämlich einen rund 1000 mal feineren Geruchssinn als wir Menschen. Deshalb lassen wir uns ja gerne von Hunden helfen, wenn es um das Erkennen sehr schwacher Gerüche geht. Zum Beispiel beim Verfolgen einer Fährte oder dem Aufspüren von Drogen in einem geschlossenen Koffer.

Übung macht den Meister

Das Erkennen von Stoffen an ihrem Geruch kann man wunderbar üben. Zum Beispiel mit meinem Weihnachtsduft-Puzzle. Könnt ihr die adventlichen Düfte darin den Bildern oder Namen zuordnen?

So bastelt ihr euer Weihnachtsduft-Puzzle

Ihr braucht dazu

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So geht’s

Zunächst bastelt ihr euer Duftpuzzle zusammen.

  • Zeichnet auf dem dünnen Papier Kreise um eine Teelichthülle. Der Durchmesser der Kreise soll auf jeder Seite 5 bis 7 Millimeter länger sein als der Durchmesser der Teelichthülle. Dann schneidet die Kreise aus. Nun solltet ihr für jede Teelichthülle einen Papierkreis haben.
  • Legt die Kreise auf die Unterlage aus Kork oder dicker Pappe und stecht mit der Nadel Löcher in die Mitte jedes Kreises. Die Löcher sollen klein sein – da sollen Moleküle hindurch, nichts anderes.
  • Schneidet aus der Bildervorlage die Bilder aus, die ihr verwenden möchtet und klebt sie mit Fotoklebern auf die Unterseite der Teelichthüllen.
  • Füllt in jede Teelichthülle das zum Bild passende Gewürz, Orangen- oder Mandarinenschale, Tannennadeln oder andere Duftquellen*.
  • Befestigt das durchlöcherte Papier wie einen Deckel auf jeder offenen Teelichthülle und befestigt es mit Klebestreifen. Nun könnt ihr nicht mehr sehen, was darin ist, aber riechen oder auf der Unterseite nachschauen. 
fertiger Behälter mit verstecktem Duft

Wichtige Hinweise

*Ihr könnt natürlich auch ätherische Öle verwenden. Wenn ihr mit Kindern bastelt und spielt, verwendet aber keine konzentrierten bzw. “reinen” Öle! Die Natur ist nämlich alles andere als sanft: Konzentrierte ätherische Öle können die Haut und die Augen reizen und bei Verschlucken gesundheitsschädlich sein! Auch sind viele davon giftig für Wasserorganismen und gehören daher nicht in die Umwelt, sondern in den Sonderabfall entsorgt.

Viele ätherische Öle lassen sich nicht mit Wasser mischen, sodass sie meist mit Ethanol (“Alkohol”) verdünnt werden. Der hat jedoch einen eigenen Geruch und ist in seiner billigsten Form – Brennspiritus – zusätzlich mit übelriechenden Stoffen “vergällt”. Deshalb empfehle ich für ein unbeschwertes Geruchserlebnis, die Gewürze und Zutaten in ihrer natürlichen Form zu verwenden.

Ob konzentriert oder verdünnt: Viele der duftenden Naturstoffe können allergische Reaktionen auslösen. Behaltet eure Jungforscher deshalb im Auge – auch nach dem Spielen mit dem Duft-Puzzle – und sortiert, wenn euch eine Reaktion auffällt, einen möglichen Auslöser vor dem nächsten Spiel aus. Oder, sollte euch eine Allergie gegen einen der Stoffe schon von vorneherein bekannt sein, lasst ihn gleich weg.

Jetzt könnt ihr mit dem Duftpuzzle spielen

Legt den Spielplan auf den Tisch und die Duftbehälter mit den Löchern nach oben und den Bildern nach unten daneben. Lasst die Jungforscher nun einen Behälter nach dem anderen auswählen und daran schnuppern (nicht auf die Unterseite schauen!). Könnt ihr die Behälter auf den passenden Bildern platzieren? Wenn ihr eure Wahl getroffen habt, könnt ihr die Behälter umdrehen und schauen, ob ihr richtig liegt.

  • Für ganz junge Forscher: Lasst die Kinder vor dem Spiel den Geruch der Gewürze und Zutaten ausserhalb der Behälter “probieren”, benennt sie gemeinsam und überlegt, woher (z.B. von welchen Lebensmitteln) die Kinder den Geruch kennen. So können die Kinder neu gelernte Begriffe beim Spiel verwenden und einüben.
  • Für Forscher, die schon lesen und schreiben können: In der “Schulkinder”-Version des Spielbretts stehen auch die Namen der Gewürze und Duftquellen auf den Bildern. Stattdessen könnt ihr auch das Spielbrett ohne Text verwenden und die Jungforscher die erschnüffelten Duftquellen zunächst aufschreiben lassen.
  • Für Chemie-Experten: Kennt ihr auch die chemischen (Trivial-)Namen der verschiedenen Duft-Moleküle? Und welcher gehört zu welchem Gewürz? Anstelle der Bilder könnt ihr auch die Molekül-Namen (oder Strukturformeln?) auf der Unterseite der Behälter anbringen und gemeinsam mit der erschnupperten Duftquelle benennen.

Natürlich könnt ihr auch mit ganz anderen Düften oder Gerüchen oder mit einer grösseren Auswahl ein Duftpuzzle bauen – ganz wie es euch Freude macht.

Was duftet denn da?

Die meisten natürlichen Düfte sind Gemische verschiedener Moleküle, die unserer Nase und damit unserem Gehirn den Eindruck eines Duftgemischs vermitteln. Das gilt auch für ätherische Öle, die in der Regel direkt aus Pflanzenteilen gewonnen werden (synthetische ätherische Öle sind Nachbildungen solcher Gemische, die jedoch meist nicht alle Feinheiten des natürlichen Aromas aufweisen). Deshalb habe ich im Folgenden für jede Pflanze nur das jeweils wichtigste Duftmolekül aufgeführt.


Strukturformel Benzaldehyd

Marzipan: Benzaldehyd

Der wichtigtste Bestandteil von Marzipanduft ist Benzaldehyd, ein kleines Molekül, das nach Bittermandeln duftet. In den Bittermandeln ist aber nicht von vorneherein Benzaldehyd enthalten, sondern ein Stoff namens Amygdalin, der von Enzymen zu Benzaldehyd und hochgiftiger Blausäure (Cyanwasserstoff) zersetzt wird. Deshalb sind Bittermandeln nicht essbar! Im Marzipan kommt das Benzaldehyd jedoch ohne Blausäure aus, sodass wir es ohne Sorge geniessen können. Auch das Aroma von Weinen wird nicht zuletzt von Benzaldehyd bestimmt.



Strukturformel Anisaldehyd

Anis: Anisaldehyd

Sowohl echter Anis als auch der nicht damit verwandte Sternanis sowie Fenchel und andere Kräuter enthalten einen Stoff namens trans-Anethol, der an der Luft zum duftenden Anisaldehyd und Anissäure zersetzt wird. Ist euch die Ähnlichkeit des Anis-Dufts zum Fenchelgeruch aufgefallen? Das Bild auf dem Spielplan zeigt übrigens nicht den echten Anis (einen Doldenblütler, dessen Samen wir im Gewürzregal finden können), sondern Sternanis, der ursprünglich aus China kommt, heute aber auch hierzulande sehr beliebt ist.



Strukturformel  Zimtaldehyd

Zimt: Zimtaldehyd

Zimtpulver, wie wir es aus dem Gewürzschrank kennen, wird aus der Rinde des Zimtbaums (Cinnamomum verum) gewonnen. Der wichtigste Duftstoff im darin enthaltenen Zimtöl ist Zimtaldehyd (trans-Cinnamal). Da viele Menschen seinen Duft als sehr angenehm und appetitlich empfinden, ist dieser Stoff sowohl als Gewürz (im Zimt) als auch als Kosmetikduft sehr beliebt. Allerdings ist Zimtaldehyd auch dafür bekannt, Allergien auszulösen.



Strukturformel Eugenol

Gewürznelken: Eugenol

Eugenol, der wichtigste Bestandteil des ätherischen Öls aus Gewürznelken, ist in der Pflanzenwelt weit verbreitet. So ist Eugenol nicht nur ein weiterer wichtiger Bestandteil von Zimtöl, sondern zum Beispiel auch in Piment, Lorbeer, Basilikum, Kirschen und Bananen zu finden. Eugenol ist nicht nur bei Parfumherstellern beliebt, sondern wirkt auch schwach schmerzstillend und antibakteriell.



Strukturformel Vanillin

Vanille: Vanillin

Der wichtigste Duftstoff aus der Vanilleschote ist ganz klar das Vanillin mit seinem typischen Aroma. Das Vanillin-Molekül sieht nicht von ungefähr dem Eugenol ähnlich – man kann Vanillin recht einfach aus Eugenol herstellen. Nur: Wer Eugenol, also Nelkenaroma hat, möchte das in der Regel auch behalten. Aber zum Glück gibt es noch einen anderen passenden Ausgangsstoff: Lignin, das in Holz zu finden ist. So entstammt das preisgünstige Aroma in Vanillinzucker in der Regel Holzresten. Richtige Vanilleschoten und damit hergestellter Vanillezucker sind teurer, enthalten dafür aber das ganze natürliche Duftstoffgemisch.



Strukturformel Gingerol

Ingwer: Gingerol

Der führende Aromastoff des Ingwers, Gingerol, liefert eine in dieser Runde einzigartige Geschmacksnote: scharf! Und zwar so richtig scharf (60.000 Scoville auf der gleichnamigen Schärfeskala – das ist mehr als reiner Cayennepfeffer zu bieten hat!). Vermutlich empfinden wir Gingerol nicht von ungefähr als scharf, denn in grösseren Mengen verzehrt ist dieser Stoff giftig. In unseren geniessbaren Zubereitungen aus dem Rhizom (der “Wurzel”) der Ingwerpflanze, in welchem Gingerol vorkommt, ist allerdings so wenig davon vorhanden, dass ihre nützlichen Wirkungen, zum Beispiel gegen Magen-Darm-Beschwerden, überwiegen.


Aromaten – der Name ist Programm

Alle bisherigen Moleküle haben eines gemeinsam: Sie enthalten einen Benzolring. Chemiker haben dieser Stoffgruppe, deren Benzolringe aus einer ganz besonderen Art von chemischen Bindungen bestehen, nach ihrer leicht wahrnehmbaren Gemeinsamkeit benannt. Die meisten der Benzolring-Moleküle haben nämlich einen ganz eigenes, für uns Menschen wahrnehmbares Aroma – einen Geruch. Deshalb nennen die Chemiker diese Verbindungen “aromatische Verbindungen” oder kurz “Aromaten”.

Es gibt aber noch viele andere Stoffgruppen, die richtig dufte sind. So enthalten ätherische Öle vielfach sogenannte Terpene. Ein Vertreter dieser Gruppe ist


Strukturformel R-Limonen

Orangenschale: R-Limonen

Limonen ist das häufigste sogenannte Monoterpen in Pflanzen. So kommt R-Limonen nicht nur in Zitrusfrüchten, sondern auch in Kümmel, Dill und Koriander vor. Sein Spiegelbild, das S-Limonen (das nach Terpentin riecht), findet man indessen in Edeltannen und Pfefferminze. In Fichtennadeln, Muskatnuss und Campher sind sogar beide Spiegelbilder, das R- und das S-Limonen enthalten. Die Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen in ihren Molekülen machen Terpene ziemlich reaktionsfreudig. So können Limonen-Dämpfe mit Luft entzündliche Gemische bilden. Aber keine Sorge: So viel ist davon in Orangenschalen nicht drin.


Ebenfalls häufig geruchsreich sind Verbindungen, die eine sogenannte Aldehydgruppe enthalten und daher “Aldehyde” genannt werden. Eine Aldehydgruppe besteht aus einem Kohlenstoff-Atom, das über eine Doppelbindung mit einem Sauerstoffatom und zusätzlich mit einem Wasserstoffatom verbunden ist. Viele der oben genannten aromatischen Verbindungen enthalten auch eine solche Gruppe – und damit gleich zwei “dufte” Komponenten.

Ein ganz simples Aldehyd ist dagegen für den weihnachtlichen Tannenduft zuständig.


Strukturformel Laurinaldehyd

Edel-Tanne: Laurinaldehyd

Laurinaldehyd, auch Dodecanal, besteht aus einer Kette aus zwölf Kohlenstoffatomen (mit Wasserstoffatomen), deren letztes eine Aldehydgruppe trägt. Es ist einer der wichtigsten Aromastoffe aus dem Tannenöl, das zum Beispiel aus den Nadeln der Edel-Tanne gewonnen wird. Von allen Tannenzweigen im Handel hat die Edel-Tanne (“Nobilis”) den intensivsten Tannenduft, sodass ich genau diese Zweige für meinen Adventskranz bevorzuge.


Entsorgung

Die Gewürze, die ihr in das Puzzle füllt, könnt ihr nachher natürlich noch anderweitig verwenden. Tannennadeln und Orangenschalen können, wenn nicht anders verwendet, problemlos in den Grünabfall. Teelichthüllen aus Aluminium können in der Schweiz an der Kehrichtsammelstelle in den Metallcontainer, in Deutschland und Österreich in die gelbe Tonne entsorgt werden. Oder ihr hebt sie einfach für die nächste Duftpuzzlerunde auf.

Nun wünsche ich euch viel Spass beim Erkunden der weihnachtlichen Düfte!

Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

Gestern wurden die Nobelpreise für 2019 vergeben: Der Nobelpreis für Chemie geht an John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino – für eine wahrhaft weltbewegende Erfindung: Den Lithium-Ionen-Akku.

Ein Preis für den grössten Nutzen für die Menschheit

Der schwedische Erfinder und Industrielle (u.A. Erfinder des Dynamits) Alfred Nobel verfügte vor seinem Tod am 10. Dezember 1896 in seinem Testament, dass von seinem riesigen Vermögen eine Stiftung gegründet werde, deren Zinsen “als Preis denen zugeteilt werde, die im verflossenen Jahr der Menschheit den grössten Nutzen geleistet haben”. Das Preisgeld wird zu gleichen Teilen in den Bereichen Physik, Chemie, Medizin bzw. Physiologie, Literatur und Friedensbemühungen vergeben*.

*Der ebenfalls oft genannte “Wirtschaftsnobelpreis” ist dagegen kein “echter” Nobelpreis: Er heisst eigentlich Alfred-Nobel-Gedächtnispreis für Wirtschaftswissenschaften und wird erst seit 1968 von der Schwedischen Reichsbank gestiftet.

Die Nobelpreise werden seit 1901 bis heute vergeben (teils mit Verspätung oder Auslassung, wenn kein würdiger Träger gefunden wurde oder ein Weltkrieg dazwischen kam). Dabei wird in jüngerer Zeit längst nicht mehr Leistungen des jüngsten “verflossenen” Jahres ausgezeichnet. Stattdessen wird Erfindungen und Bemühungen – besonders in den wissenschaftlichen Disziplinen – Zeit gegeben, ihre Bedeutung für die Menschheit zu beweisen.

Wie Lithiumionen-Akkus die Welt verändert haben

So werden auch die Träger des Nobelpreises für Chemie 2019 für Leistungen geehrt, die sie in den 1970er und 1980er Jahren vollbracht haben. Und die haben wahrhaftig unsere Welt verändert!

Eine Zeit ohne Hochleistungs-Akkus

Wenn ihr mindestens so alt seid wie ich (ich bin Anfang der 1980er Jahre geboren), werdet ihr euch noch an die Zeit erinnern, als Einwegbatterien meist giftiges Cadmium enthielten, wenig Leistung lieferten und eine geringe Lebensdauer hatten. Tragbare Kassettenspieler hatten monströse Batterieschächte, lichtstarke Taschenlampen konnten als Totschläger zweckentfremdet werden und leistungsstärkere Elektrogeräte gab es nur fest verortet an der Steckdose.

Wiederaufladbare Batterien, sogenannte Akkus, waren der neueste Schrei. Die ersten Vertreter ihrer Art waren schwere Brocken, denn sie enthielten ebenso giftiges wie schweres Blei. Die Nickel-Metallhydrid-Akkus, an die ich mich aus meinen letzten Jugendjahren noch erinnere, enthielten ebenfalls ein giftiges Schwermetall – Nickel – und konnten, bei nur wenig geringerem Gewicht, in ihrer Kapazität auch nicht mit den Einweg-Batterien mithalten.

1991 kam der Lithium-Ionen-Akku auf den Markt –  und erst Jahre später in meine Welt. Nämlich Mitte der 1990er verbaut in Papas erstem tragbaren PC – pardon, “Laptop”, von seinem damaligen Arbeitgeber. Der wog dereinst noch rund 4 Kilogramm – konnte aber, was jeder Office-PC an der Steckdose leistete! Darauf folgte sein erstes Mobiltelefon…und schon kurz darauf, um das Jahr 2000, konnte ich mir schon ein handliches Pre-Paid-Handy vom Schülerinnen-Taschengeld leisten.

Die neue Welt der Mobilität

Heute schreibe ich diesen Artikel an meinem modernen Convertible, der gerade einmal ein Kilo wiegt und trage einen Taschencomputer mit Telefonfunktion, der kleiner als eine Tafel Schokolade ist und mehr Rechenleistung aufbringt als Papas 4-kg-Laptop von damals, im Dauerbetrieb mit mir herum. Und das einen ganzen Tag lang.

Mein Lieblings-Autovermieter hat mir unlängst als nette Zusatzüberraschung ein Hybrid-Fahrzeug ausgehändigt, dessen Akku über den Dynamo im Verbrennungsmotor aufgeladen wird und damit langsame Fahrt mit einem Elektromotor machen kann. Auch im vollständig elektrisch betriebenen Tesla bin ich schon ein kleines Stück mitgefahren.

Ganz schön gross: Lithium-Ionen-Akku für ein Elektroauto (der erste, der in den USA von einem grossen Autobauer hergestellt wurde)
(by ENERGY.GOV [Public domain], via Wikimedia Commons)

Die Garage des Tesla-Besitzers mag statt mit Schindeln mit Solarzellen, die aus Sonnenenergie Strom erzeugen und in einen grossen “Tankstellen-“Akku speisen, gedeckt sein.

Besonders diese letzten Entwicklungen mögen die Jury zur Vergabe des Preises bewegt haben:

“Sie haben die Grundlage gelegt für eine drahtlose, von fossilen Brennstoffen freie Gesellschaft und sind für die Menschheit von größtem Nutzen.” 

Aber wie funktioniert eigentlich ein Lithium-Ionen-Akku?

Im Grunde genommen ist ein Akku (-mulator) eine Spielart der Batterie, nämlich eine wiederaufladbare Batterie.

Was ist eine Batterie?

Eine Batterie im Allgemeinen ist ein Speicher für elektrischen Strom. Da “elektrischer Strom” ein Strom aus negativ geladenen Teilen, den Elektronen, ist, bedeutet das: Eine Batterie ist ein Behälter, in welchem Elektronen getrennt von positiven Ladungen aufbewahrt werden.

Eine einfache Batterie (auch: galvanische Zelle) zum Nachbau im Labor: Ein Zinkblech in Zinksulfatlösung (rechter Behälter) enthält viele Elektronen (Zink gibt seine Elektronen nämlich gerne ab und wird zu Zink-Ionen Zn2+ ). Kupferionen Cu2+ bilden einen Vorrat an positiven Ladungen im linken Behälter (sie nehmen nämlich gerne Elektronen auf und gesellen sich zu den Kupfer-Atomen im Kupferblech). Wenn Elektronen vom Zink zum Kupfer wandern, wandern zum Ladungsausgleich Sulfat-Ionen SO42- über die Salzbrücke (ein mit Salzlösung gefülltes Glasrohr) vom linken in den rechten Behälter. Sobald alle beteiligten Reaktionen zu einem chemischen Gleichgewicht (Was ist das? Le Châtelier erklärt es hier!) gefunden haben, kommen die Ladungsströme zum Erliegen: Die Batterie ist “leer”.
(by Myukew [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

Nun lassen sich Elektronen nicht freiwillig von positiven Ladungen trennen (positive und negative Ladungen finden einander nämlich äusserst anziehend). Eine Batterie zu erschaffen erfordert dementsprechend Energie – die bei ihrer Benutzung in Form des elektrischen Stroms an das betriebene Elektrogerät weitergegeben wird.

Verbindet man die beiden Teilbehälter (die “Pole” einer Batterie sind quasi Öffnungen dieser Behälter) miteinander, strömen die Elektronen, angezogen von den positiven Ladungen auf der anderen Seite, dem gegenüberliegenden Pol entgegen. Und zwar so lange, bis an beiden Polen die gleiche Ladung versammelt ist. Dann gibt es nichts mehr, was fliessen wollte, und die Batterie ist leer.

Wie man eine Batterie wieder auflädt

Einweg-Batterien sind so geschaffen, dass ihr Material endgültig “verbraucht” ist, wenn die Ladungen an den beiden Polen erst einmal ausgeglichen sind. Sie müssen dann im Sondermüll entsorgt und aufwändig wiederverwertet werden. Deshalb waren wieder aufladbare Batterien von vorneherein erstrebenswert.

Solche müssen folglich aus Materialien bestehen, in welche man am negativen Pol neue Elektronen – aus einer Steckdose oder “frisch” aus einem Generator – hinein stopfen kann, während man am positiven Pol Elektronen herauszieht. In den ersten Akkus enthielten solche Materialien Blei, in späteren Nickel – beides giftige Schwermetalle, deren Name zudem Programm ist (besonders Blei ist ja als Schwergewicht wohlbekannt).

Zudem war das Hineinstopfen von Elektronen in ein Material nicht eben einfach. Schliesslich stossen sich gleiche Ladungen ja gegenseitig ab, sodass viel Aufwand nötig ist, um viele davon eng gepackt in den gleichen Behälter zu pferchen.

Michael Stanley Whittinghams Idee

In den 1970er Jahren kam der Chemiker M. Stanley Whittingham auf die Idee, das Zusammenpferchen von Elektronen zu erleichtern, indem er positiv geladene Ionen in das eigentliche Material am Minuspol einwandern liess, die diese Elektronen entgegennehmen sollten.

Dazu bot sich Lithium, das leichteste aller Alkalimetalle (der Elemente ganz links im Periodensystem unterhalb vom Wasserstoff) geradezu an. Wie alle Alkalimetalle ist es nämlich nur zu gern bereit, die entgegengenommenen Elektronen wieder abzugeben, sobald sie gebraucht werden. Zudem sind seine Salze wasserlöslich und es besteht aus den leichtesten Metall-Atomen des Universums, sodass es leichte Batterien verspricht.

Redox-Chemie im Lithium-Ionen-Akku

Whittingham verwendete also Titandisulfid, TiS2, (auch das Metall Titan(ium) ist relativ leicht und vor allem ungiftig) als Elektrode am Pluspol, in welches Lithium-Ionen eingelagert waren. Beim Aufladen bewegte der Überschuss an positiver Ladung die Lithiumionen aus dem Material hinaus, sodass sie zum Minuspol, einem Stück Lithium-Metall, wandern konnten. Dort angekommen konnten sie ein in das Lithium gestopftes Elektron aufnehmen und sich als Metall-Atome zum übrigen Metall gesellen:


Vielleicht erinnert ihr euch noch daran: Eine Reaktion, bei der Elektronen aufgenommen werden, heisst Reduktion.

Zum Ausgleich werden am Pluspol Elektronen entfernt, sodass dort mehr positive Ladung verbleibt. Eine Reaktion wie diese, bei welcher Elektronen abgegeben werden, heisst übrigens Oxidation.


Wurde eine solche Lithiumbatterie über eine Ladevorrichtung mit einer Stromquelle verbunden, wurden also Elektronen aus Titandisulfid entnommen, während Lithium-Ionen von dort zur Lithium-Elektrode wanderten, um dort hineingestopfte Elektronen entgegen zu nehmen.

Nahm man dann die Stromquelle weg und verband die Pole stattdessen aussen herum mit einem Verbraucher (also ein Elektrogerät), gaben Lithium-Atome im Lithium-Metall ihre Elektronen wieder ab:

Die Lithium-Ionen wanderten zurück zum Titandisulfid, während die Elektronen durch den Verbraucher zurück zum Pluspol flossen und dabei das Gerät antrieben wie Wasser eine Mühle.

Wiederaufladbarkeit durch umkehrbare Reaktionen

Die Richtung der oben genannten Redox-Reaktionen wird nach dem Aufladen des Akkus bei seinem Gebrauch also einfach umgekehrt. Und sobald die Ladungen an den Polen ausgeglichen sind und der Akku damit “leer” ist, wird die Reaktionsrichtung beim nächsten Aufladen erneut umgekehrt, und dann wieder und wieder.

Dieses Umkehren funktioniert viele Male, bevor es zu einem merklichen Verschleiss des Materials kommt. Nur: In Titandisulfid liessen sich zwar so einige Lithium-Ionen unterbringen, aber noch nicht genug, als dass die Batterien wirklich handlich gewesen wären.

Vom Plus- zum Minuspol gelangen die Lithiumionen übrigens durch einen Elektrolyten, also einen Stoff (flüssig oder fest), der Ionen (und damit eine Spielart des elektrischen Stroms) leiten kann. Der Elektrolyt verbindet Minus- und Pluspol miteinander, wobei eine nur teilweise passierbare Trennschicht (“Separator”) dafür sorgt, dass das einen Kurzschluss gibt.

John Bannister Goodenough legt nach

Dem Physiker John B. Goodenough waren die Whittingham’schen Batterien deshalb nicht ‘gut genug’. So forschte er weiter und entdeckte 1980, dass sich Lithiumcobaltoxid, LiCoO2, noch besser für den Pluspol eines Lithium-Ionen-Akkus eignet als Whittinghams Titandisulfid. Denn in das Ionengitter dieser Verbindung passen besonders viele Lithiumionen. Und diese können hinaus und hinein wandern, ohne dass das Gitter daran Schaden nimmt.

Damit liess sich eine doppelt so hohe Spannung in der neuen Batterie erzeugen wie mit der ursprünglichen Version von Whittingham!

Wenn Hitze zum Problem wird

Einen Haken hat das Material aber doch: Ab einer Temperatur von 180°C wird aus Lithiumcobaltoxid Sauerstoff freigesetzt. Und der ist als rücksichtsloser Elektronendieb (auf chemisch: starkes Oxidationsmittel) berüchtigt. So reagiert der freigesetzte Sauerstoff wild mit den Materialien des Akkus, der daraufhin lichterloh und unlöschbar abbrennt (Fachleute sagen: der Akku “geht thermisch durch”).

Das lässt sich aber relativ leicht verhindern, indem man dafür sorgt, dass der Lithium-Ionen-Akku nicht zu heiss wird.

Ein wesentlich grösseres Problem stellt dahingehend Lithium-Metall dar. Die Fähigkeit von Alkalimetallen wie Lithium, sehr leicht ein Elektron abzugeben (also oxidiert zu werden), die für die Lithiumbatterien so nützlich ist, führt nämlich auch dazu, dass diese Metalle sehr lebhaft mit allem Möglichen reagieren. Zum Beispiel mit Wasser.

So konnte schon ein wenig Feuchtigkeit dazu führen, dass die Whittingham’sche wie auch die Goodenough’sche Lithiumbatterie kaputt oder gar in Flammen aufging. Das war für eine Anwendung ausserhalb des Labors mit seinen Sicherheitsvorkehrungen natürlich nicht vertretbar.

Akira Yoshino liefert den (vorerst) letzten Schliff

Der Ingenieur Akria Yoshino fand 1985 schliesslich einen stabileren Ersatz für das impulsive Lithium-Metall am Minuspol: Er verwendete Petrolkoks, einen kohlenstoffreichen Abfall aus der Erdölverarbeitung, in welchen wiederum Lithiumionen (bzw. -atome) eingebettet werden. Eine Elektrode aus einem solchen Material tut ebenso ihren Dienst wie metallisches Lithium, geht aber nicht bei jeder Kleinigkeit in die Luft. Heutzutage wird stattdessen Graphit, also reiner Kohlenstoff, verwendet, der, anders als Petrolkoks, keine weiteren und giftigen Abfälle mehr enthält.

Skizze eines modernen Lithium-Ionen-Akkus mit Lithiumcobaltoxid: Beim Aufladen wandern Li+-Ionen aus dem Lithiumcobaltoxid (links) zum Graphit (rechts), um Elektronen, die über den Kupferdraht (Cu) hineingelangen, in Empfang zu nehmen. Beim Entladen gibt das Lithium im Graphit die Elektronen wieder ab und die Li+-Ionen wandern zurück ins Lithiumcobaltoxid. Die Elektrolytlösung besteht aus einem organischen Lösungsmittel mit darin gelösten Salzen, die für die Leitfähigkeit sorgen.
(by Cepheiden [CC BY-SA 2.0 de], via Wikimedia Commons )

Damit waren alle Zutaten zusammen, um einen für die Anwendung durch Otto Normalverbraucher sicheren Akku auf den Markt zu bringen. Der erste seiner Art kam dann auch 1991 in einer Videokamera der Firma Sony aus Yoshinos Heimatland Japan auf den Markt.

Sind Lithium-Ionen-Akkus wirklich sicher?

Immer wieder hört und liest man in den Medien von Lithium-Ionen-Akkus, die in Flammen aufgehen und Verletzungen oder grössere Brände verursachen. Dennoch sind solche Vorkommnisse Einzelfälle, die meist durch Beschädidungen der Batterien (durch die Sauerstoff in die Akkus gelangen kann) oder Baufehler (wie 2017 bei dem berüchtigten Samsung Galaxy Note 7) verursacht werden.

So könnt ihr verhindern, dass eure Lithium-Ionen-Akkus “durchgehen”

  • Verwendet nur das Ladegerät, das für euren Akku bzw. euer Elektrogerät vorgesehen ist! So verhindert ihr, dass zu viele Elektronen hineingestopft werden und der Akku deshalb überhitzt.
  • Zerlegt oder/und kombiniert Lithium-Ionen-Akkus niemals selbst! Eine intakte Umhüllung sorgt dafür, dass reaktionsfreudige Bestandteile des Akkus drinnen und Sauerstoff und Wasser draussen bleiben.
  • Haltet eure Akkus und Geräte sowohl von Feuer und Hitze über 60°C (Sonneneinstrahlung!) als auch von Frost fern. Beide Extreme können zu Beschädigungen führen!
  • Wenn ein Lithium-Ionen-Akku beschädigt oder verformt aussieht, benutzt ihn keinesfalls, sondern entsorgt ihn umgehend (als Sondermüll bzw. beim Hersteller oder Verkäufer des Geräts)! Ist der beschädigte Akku neu und habt ihr noch eine Garantie für das Gerät, bekommt ihr allenfalls kostenlos Ersatz dafür.

Und wenn euer Akku doch einmal kaputt ist oder gar brennt

  • Die Lithium-Ionen-Akkus unserer Elektrogeräte enthalten kein metallisches Lithium. Wasser facht einen Brand eines solchen also nicht an, sodass ihr ein Gerät mit brennendem Akku und seine Umgebung getrost mit Wasser kühlen könnt. CO2– oder Schaum-Feuerlöscher könnt ihr ebenfalls verwenden.
  • Löschen lässt sich ein durchgehender Lithium-Ionen-Akku aber nicht. Lasst ihn daher, wenn möglich, an einem feuerfesten Ort (und fern von eurem Körper) einfach ausbrennen.
  • Droht ein Brand ausser Kontrolle zu geraten, ruft umgehend die Feuerwehr zur Hilfe (118 in der Schweiz, 112 in Deutschland und Österreich)!
  • Sollte Flüssigkeit aus einem beschädigten Akku auslaufen, lasst sie nicht an eure Haut gelangen: Die Elektrolytflüssigkeit aus solchen Akkus kann mit Wasser zu äusserst giftiger Flusssäure reagieren! Fasst auslaufende Akkus nur mit Schutzhandschuhen und kürzestmöglich (die Handschuhe danach sofort ausziehen und entsorgen!) an, umwickelt sie mit mehreren Lagen Plastik oder bringt sie am besten noch im zugehörigen Gerät umgehend zur Sondermüllentsorgung!

Die Zukunft der wiederaufladbaren Batterien

Mit den bestehenden Schwachstellen sind die heutigen Lithium-Ionen-Akkus besonders einem ihrer Mit-Erfinder noch immer nicht ‘gut genug’: Mittlerweile 97 Jahre alt (und damit der älteste Empfänger eines Nobelpreises aller Zeiten!) und kein Bisschen müde forscht John B. Goodenough bis heute an Neuerungen für wiederaufladbare Batterien.

Dabei zielen seine Neuentwicklungen darauf ab, das im Universum und damit auch auf der Erde relativ seltene Lithium durch seinen sehr viel häufigeren Bruder Natrium (dessen Ionen z.B. Bestandteil von Kochsalz sind) zu ersetzen.

Silber putzen leicht gemacht!

Die Weihnachtszeit ist auch die Zeit von Festtagsmenu und fein herausgeputzter Tafel. Aber gerade wer die eher selten eindeckt, steht mitunter vor einem ungeliebten Haufen Arbeit: Das Tafelsilber ist schon wieder angelaufen – und auch der Silberschmuck zum Festtagsoutfit glänzt nicht mehr. Also ist Putzen und Polieren angesagt…es sei denn, man versteht ein wenig von Chemie.

Dieser Beitrag ist Teil des Adventskränzchens 2019!
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Warum läuft Silber an?

Landläufig kennt man Silber eigentlich als Edelmetall – also als eines jener Metalle, die als so reaktionsträge gelten, dass sie auch an der Luft mehr oder weniger blank bleiben. “Reaktionsträge” meint dabei “schwer bis gar nicht zu oxidieren”. Und für das Oxidieren an der Luft ist in der Regel der darin enthaltene Sauerstoff verantwortlich. Der kann dem Silber aber gar nichts, wenn er alleine ist. Anders sieht es aber aus, wenn der Sauerstoff Unterstützung durch seinen grossen Bruder hat: Den Schwefel.

Schwefel: Der anrüchige Bruder des Sauerstoffs

Der steht im Periodensystem der Elemente direkt unter dem Sauerstoff, was bedeutet, dass Schwefel und Sauerstoff chemisch miteinander eng verwandt sind. So gibt es Schwefel auch in Form von S2--Ionen, analog zu den Sauerstoff-Anionen O2-. Und diese S2- -Ionen kommen zum Beispiel im Schwefelwasserstoff, H2S, einem äusserst übelriechenden Gas, oder in organischen Verbindungen, den sogenannten Thiolen, vor. “Thio-” ist altgriechisch für Schwefel und die Endung “-ol” weist auf die chemische Verwandschaft hin: Thiole sind die schwefelhaltigen Geschwister der Alkohole.

Ebenso haben auch die Aldehyde und Ketone (Sauerstoffverbindungen, die entstehen, wenn man Alkohole oxidiert – darunter Acetaldehyd, das uns nach Alkoholgenuss den Kater beschert) schwefelhaltige Geschwister.

All diese organischen Schwefelverbindungen sind oft ziemlich üble Stinker, und das nicht von ungefähr: Wie Schwefelwasserstoff sind einige Thiole hochgiftig, sodass der Gestank uns Menschen aus gutem Grund dazu bewegt, vor ihnen wegzulaufen. Andere Verbindungen werden von Pflanzen verwendet, um ihre Fressfeinde abzuschrecken. Ein bekanntes Beispiel dafür sind Zwiebeln. Der Stoff, der uns beim Schneiden von Zwiebeln Tränen in die Augen treibt, um uns vom Zerstören der Knollen abzuhalten, gehört auch zur Grossfamilie der schwefelorganischen Verbindungen.

Wie Schwefel an das Silber kommt

Tatsächlich kann man Thiole und andere schwefelorganische Verbindungen – und damit auch Schwefelwasserstoff in kleinen Mengen – überall dort finden, wo Leben ist oder war. Zum Beispiel in Lebensmitteln, auf unserer Haut oder auch in Kosmetika. So ist es nur natürlich, dass unser Tafelsilber und Silberschmuck, wenn wir sie benutzen, nebst Sauerstoff auch mit S2--Ionen in Berührung kommt.

Und die bilden mit Silberionen, Ag+, ein schwarzes, wasserunlösliches Salz, das Silbersulfid Ag2S:

2Ag+ + S2- –> Ag2S

Dabei wird eine Menge Energie frei. Das bedeutet, dem fertigen Silbersulfid wohnt viel weniger Energie inne als dem Silber-Metall und den S2--Ionen. Und Zustände mit möglichst wenig Energie strebt die bequeme Natur stets an. Der Zustand als Silbersulfid ist sogar dermassen erstrebenswert, dass Luftsauerstoff aus Silber-Metall Silber-Ionen machen kann (das geht normalerweise nicht von selbst), wenn S2- zur Stelle ist, um mit letzteren Silbersulfid zu bilden. Und zwar direkt an der Oberfläche des Silber-Metalls, wo die Ag+-Ionen entstehen. So bleibt das wasserunlösliche Silbersulfid gleich dort und bildet die dunkle Patina, die Silber so häufig überzieht.

Wie wird man die Silbersulfid-Schicht wieder los?

Grundsätzlich gibt es zwei Wege, die schwarze Schicht von der Silberoberfläche zu bekommen:

  • Man schrubbt oder löst sie ab – dann ist das Silber darin aber verloren.
  • Man macht aus den Silberionen darin wieder metallisches Silber und setzt die Sulfid-Ionen frei.

Ich ziehe den zweiten Weg dem ersten vor, um möglichst viel Silber an meinen Gegenständen zu erhalten. Und dazu gibt es neben kommerziellen Reinigungsmitteln verschiedenste Hausmittel im Netz. Besonders interessant – weil so einfach und wirksam, finde ich dieses:

Silber mit Aluminiumfolie in Salzwasser reinigen

Ihr braucht dazu

  • euer angelaufenes Silber (Besteck, Tafelsilber oder Schmuck ohne Steine oder sonstiges Beiwerk!)
  • Aluminiumfolie
  • etwas Kochsalz
  • Leitungswasser
  • Kochtopf und Herd
  • einen gut belüfteten Raum bzw. eine Dunstabzugshaube zum Herd
  • eine Grillzange oder ein ähnliches Greifwerkzeug
Was ihr zum Silber putzen braucht: Silber, Kochsalz, Alufolie, Kochtopf
Ich habe für meinen Testlauf ein Schmuckstück aus 925er Silber verwendet (unten im Bild). Das bedeutet, 925 von 1000 Teilen oder 92,5% des Metalls sind Silber, der Rest besteht aus anderen Metallen – in der Regel Kupfer. In solch einer Legierung ist das Silber etwas härter als in ganz reiner Form. Silberbesteck besteht übrigens meistens aus 80% Silber und 20% Kupfer und ist damit noch härter. Doch so lange das Besteck nicht grün angelaufen ist, funktioniert dieser Trick auch damit.

So geht’s

  • Füllt Wasser in den Topf (es soll eure Silbergegenstände später ganz bedecken) und gebt einen Löffel Kochsalz hinzu (als wolltet ihr z.B. Spaghetti kochen)
  • Bringt das Wasser auf dem Herd zum Kochen
  • Zerteilt inzwischen die Aluminiumfolie in kleine Schnipsel und gebt sie in das kochende Wasser. Die Schnipsel sollten ganz ins Wasser eingetaucht sein – hierzu ist die Grillzange sehr nützlich!
  • Legt den Silbergegenstand in das kochende Wasser, lasst das Ganze kurz aufkochen und nehmt das Silber mit der Zange wieder heraus (Vorsicht, heiss!). Wenn ihr das ganze Tafelsilber säubern wollt, wiederholt diesen Schritt einfach mit den nächsten Teilen.
  • Lasst das Metall kurz abkühlen und trocknet es gründlich ab
Silber und Alufolie im Kochtopf
Kaum zu sehen: Das Silber liegt auf dem Grund des Salzwassers mit Aluminium-Schnipseln.

Was ihr beobachten könnt

Das Silber wird innerhalb einer Minute oder weniger wieder hell und glänzend. Der aufsteigende Wasserdampf riecht währenddessen ein wenig nach faulen Eiern – deshalb grössere Mengen nicht einatmen, gut lüften oder den Abzug verwenden!

Vorsicht, heiss: Gerade aus dem Topf gehoben glänzt das Silber blitzblank!
Vorsicht, heiss: Gerade aus dem Topf gehoben glänzt das Silber blitzblank!

Was passiert da?

Aluminium ist ein sehr unedles Metall. Es wird also leicht oxidiert. Oxidation bedeutet: Das Aluminium gibt Elektronen an einen Reaktionspartner ab:

Ein möglicher Reaktionspartner, der freiwillig Elektronen von Aluminium entgegennimmt (die Aufnahme von Elektronen eines Reaktionspartners heisst Reduktion), sind Silberionen, Ag+:

Links: Das Schmuckstück vor dem Kochen mit deutlich sichtbarer Silbersulfid-Schicht.
Rechts: Nach dem Kochen, Abkühlen und Trocknen glänzt das Silber wieder hell.

Euch kommt das irgendwie bekannt vor? Richtig: Aluminiumfolie als Rostfänger in der Spülmaschine funktioniert ganz ähnlich! Mit dem Unterschied, dass das Aluminium dort der Entstehung von Flugrost (d.h. Eisen-Ionen) zuvorkommt, weil es leichter als Eisen oxidiert wird.

Für die Reduktion von Silbersulfid müssen die Elektronen aber irgendwie vom Aluminium in der Folie zum Silbersulfid an der Oberfläche unseres Tafelsilbers gelangen. Und Elektronen, die auf Wanderschaft gehen, sind elektrischer Strom.

Elektronentransport dank Elektrolytlösung

Hier kommt das Kochsalz, NaCl, ins Spiel. Gibt man es ins Wasser, löst es sich nämlich in Na+– und Cl-Ionen auf. Und Ionen, die sich in einer Flüssigkeit bewegen können, leiten den elektrischen Strom! Anders als in einem Kabel, durch welches Elektronen einfach hindurchströmen, wandern positiv geladene Ionen (Kationen) hierzu durch die Flüssigkeit dorthin, wo es viele Elektronen gibt (zur “Kathode”), um dort Elektronen (hier vom Aluminium) “huckepack” zu nehmen, während die negativen Ionen (Anionen) dorthin wandern, wo wenig Elektronen sind (zur “Anode”), um dort Elektronen abzugeben (hier an die Silberionen). Eine solche leitfähige Flüssigkeit nennen die Chemiker “Elektrolyt”.

Ebenso wie Kochsalz funktionieren natürlich auch andere wasserlösliche Salze als Bestandteil der Elektrolytlösung zum Silberputzen. Natron, Soda oder Backpulver werden gerne als Alternativen genannt. Diese reagieren allerdings basisch und bilden mit vielen Metallen – auch Aluminium – schwer lösliche Hydroxide. Und die könnten die Oberfläche der Aluminiumfolie für die Redox-Reaktion mit dem Silber blockieren (“passivieren”). Deshalb – und weil Basen die Haut eher reizen als neutrale Stoffe oder Säuren – finde ich Kochsalz als Elektrolyt einfach bequemer.

Da auf diese Weise sehr bequemes Silbersulfid zerstört werden soll, braucht es zusätzlich noch Energie, damit das Ganze funktioniert. Und die fügen wir durch das Erhitzen zu.

Und woher kommt der Geruch nach faulen Eiern?

Wenn die Ag+-Ionen zu metallischem Silber reagieren, bleiben die S2--Ionen übrig:

Die bleiben aber ungern nackt und einsam, sodass sie sich sofort von den nächstbesten Wassermolekülen H+-Ionen schnappen:

Also insgesamt:

Das Gas H2S, also Schwefelwasserstoff, ist giftig, wasserlöslich, verdampft aber leicht – ganz besonders, wenn die Lösung gerade kocht. Deshalb können wir es im Wasserdampf, der aus unserem Topf mit dem Silber aufsteigt, riechen. Aber keine Sorge: Gerade weil dieses Gas so giftig ist, ist die menschliche Nase darauf äusserst empfindlich. Bevor wir gesundheitsschädliche Mengen davon einatmen können, sind wir in aller Regel längst vor dem Gestank davongelaufen.

Trotzdem solltet ihr euren Raum, in dem ihr Silber auf diese Weise putzt, gut lüften oder die Dunstabzugshaube einschalten, damit sich das Gas nicht sammelt – und damit nicht eure ganze Wohnung danach stinkt 😉 .

Was passiert, wenn man viel Silber reinigt?

Wenn ihr viel Silber reinigt, könnte es auch mit Kochsalz als Elektrolyt passieren, dass eure Alufolienschnipsel stumpf werden. Denn dank der frei werdenden S2--Ionen kommt ihr letztlich um die Entstehung von Hydroxiden (Verbindungen mit OH-Ionen) nicht herum. So lassen sich alle Gleichungen oben zu einer einzigen Reaktionsgleichung zusammenfassen:

Sollte sich das Aluminiumhydroxid Al(OH)3 an der Oberfläche der Alufolie sammeln, bis das Reinigen des Silbers nicht mehr funktioniert, tauscht die Folienschnipsel einfach gegen frische Schnipsel aus. Zudem könnt ihr die Haltbarkeit der Folienschnipsel etwas verlängern, indem ihr ein wenig Säure, zum Beispiel Zitronensäure, zur Salzlösung gebt.

Wenn ihr euch gut mit Chemie auskennt, könntet ihr natürlich eine Pufferlösung einzusetzen, um die Alufolie noch deutlich länger “frisch” zu halten. Aber das ist eine andere Geschichte.


Entsorgung

Da bei diesem Verfahren Silberionen an der Silberoberfläche zu metallischem Silber reduziert werden, sollte eure Salzlösung nach dem Kochen praktisch kein Silber enthalten. Das Aluminium reagiert ebenfalls zu schwer löslichen Salzen (spätestens dann, wenn ihr die gebrauchte Lösung mit etwas Natron basisch macht).

Wenn die, nachdem ihr viel Silber gereinigt habt, als sichtbare Schlieren oder Trübung aus der Lösung ausfallen, könnt ihr die Flüssigkeit filtrieren, das Filterpapier (z.B. einen Kaffeefilter) trocknen lassen und in den Hausmüll geben.

So könnt ihr die verbleibende Salzlösung nach dem Abkühlen – und nachdem ihr die Folienschnipsel herausgenommen habt, in den Ausguss entsorgen.

Die Folienschnipsel könnt ihr wie anderes Haushalts-Aluminium auch in den Recycling-Abfall geben (in der Schweiz in den Container an der Abfall-Sammelstelle, in Deutschland und Österreich über die gelbe Tonne).

Wenn ihr ausserdem Kupfer oder Messing putzen möchtet: Auch dafür gibt es einen einfachen Chemie-Trick – den findet ihr hier!

Und wie putzt ihr euer Silber für gewöhnlich?

Guter Duft in reiner Luft? Wie Lufterfrischer funktionieren

Wer kennt sie nicht, die Lufterfrischer in der Fernsehwerbung? In welcher Zaubermittel aus Sprühflaschen kommen und unangenehme Gerüche ganz einfach einhüllen und verschwinden lassen? ‘Ganz einfach’, wie die Dinge in der Werbung nun mal sind. Und neu jetzt auch die Duftkerze oder -lampe von der gleichen Firma, um den lästigen Geruch auch gleich durch ein angenehmes, zum Beispeil weihnachtliches Aroma zu ersetzen…

Dieser Beitrag ist Teil des Adventskränzchen 2019!
Das Tagesthema ist “so duftet Weihnacht” – hier mit meiner Erweiterung “…auch weihnachtlich”.
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Grundsätzlich bin ich Werbeversprechen gegenüber ja erstmal skeptisch..besonders wenn es darin um chemische Vorgänge geht, die meinem Chemiker-Alltagsempfinden zu widersprechen scheinen. Zum Beispiel Moleküle, die einfach so verschwinden sollen. Aber ein näherer Blick hat mir offenbart: Mit einem tiefen Griff in ihre Trickkiste haben Chemiker auch das wirklich hinbekommen! Nun ja, mit gewissen Einschränkungen – die Naturgesetze wollen schliesslich geachtet werden.

Heute möchte ich euch zeigen: Wie funktionieren eigentlich Lufterfrischer? Welche verschiedenen Produktgruppen für eine angenehme Raumluft gibt es? Was taugen die tatsächlich? Können sie uns vielleicht sogar schaden? Und wie funktionieren die gängigen Hausmittel?

Was sind eigentlich Gerüche?

Gerüche sind Moleküle, die an die Geruchszellen in unserer Nase binden und diese dazu bewegen können, einen elektrischen Impuls an das Gehirn zu schicken. Letzteres verarbeitet dieses Signal dann zu einer Geruchswahrnehmung und gleicht sie mit seinen Geruchserinnerungen ab. Kennen wir dieses Molekül, oder ist es uns neu?

Dabei benötigt jede Molekülsorte ihre ganz eigene Andockstelle, um von uns gerochen werden zu können. Wenn ein Stoff geruchlos ist, heisst das also nur, dass wir keine passenden Geruchssensoren für seine Moleküle haben.

Der Geruchssinn ist also ein perfektes Beispiel dafür, dass unser Leben ‘ohne Chemie’ unvorstellbar ist. Sobald wir etwas riechen, ist da Chemie am Werk – ob es nun zarter Rosenduft oder der scharfe Toilettenreiniger ist.

Dabei ist diese Chemie uns äusserst nützlich: Ein Geruch, der von Menschen generell als unangenehm empfunden wird, weist häufig auf eine Gefahr hin. So ist entweder der stinkende Stoff selbst giftig, oder seine Erzeuger – namentlich Mikroben – können uns möglicherweise gefährlich werden. Der Impuls, vor Gestank davon zu laufen, lässt uns also Abstand von Gefahrenquellen halten.

Erfahrungen versus Instinkte

Zusätzlich zum instinktiven Riecher für Gefahren verbinden wir jedoch auch Erfahrungen mit Gerüchen. Und die können durchaus dem Instinkt entgegen gerichtet sein. In meiner – im positiven Sinne – aufregenden Zeit im anorganischen Praktikum hatten wir im Labor viel mit Schwefelwasserstoff (H2S), einem hochgiftigen Gas, das schon in kleinsten Mengen nach faulen Eiern stinkt, zu tun.

Seit dieser Zeit empfinde ich den unverfälschten Geruch kleinerer Mengen Schwefelwasserstoff nicht mehr als Gestank – weil ich damit erfreuliche Erfahrungen verbinde. Allerdings haben wir im Labor auch gelernt, dass Schwefelwasserstoff giftig ist, sodass ich bewusst das Weite suche, wenn mir sein Geruch begegnet.

Umgekehrt habe ich von Leuten gehört, die Lavendelaroma – für den Menschen in der Regel harmlos und von vielen als sehr angenehm empfunden – mit dem Wäscheschrank der strengen alten Tante verbinden und so bei der Begegnung mit Lavendelduft von Fluchtimpulsen geplagt werden.

Wie kann man gegen unangenehme Gerüche vorgehen?

Die beste Waffe gegen Gerüche in Räumen ist in meinen Augen: Geruchsquelle beseitigen, dann kurz und kräftig lüften.

Nur ist das Beseitigen mancher Geruchsquellen leider gar nicht so einfach. Deshalb haben findige Chemiker und Ingenieure eine ganze Reihe weiterer Helferlein zur Geruchsbekämpfung ersonnen.

Da Gerüche Eigenschaften von Molekülen sind, die wir mit der Luft einatmen, haben wir eine Vielzahl von Produkten entwickelt, um mit “stinkigen” Molekülen in unserer Raumluft fertig zu werden. Grundsätzlich lassen sich diese Helfer aber in vier grosse Gruppen einteilen.

So kann man gegen Gerüche vorgehen, indem

– man Unangenehmes mit Angenehmem überdeckt

Sogenannte Lufterfrischer geben Moleküle an die Luft ab, die wir als angenehm empfinden. So soll unsere Nase beschäftigt und von bestenfalls weniger häufig vertretenen unangenehmen Molekülen abgelenkt werden.

Zu den Lufterfrischern zählen Duftkerzen, Duftspray (z.B. von der Marke “Brise”), Parfums, Weihrauch, ätherische Öle und viele andere Produkte.

Nachteile von Lufterfrischern

Lufterfrischer beseitigen unangenehme Gerüche und ihre Ursachen nicht. Eine mögliche Gefahrenquelle bleibt also erhalten.

Zudem macht uns unser Gehirn bei dieser Methode zuweilen einen Strich durch die Rechnung. Empfängt es nämlich über längere Zeit (das heisst wenige Minuten!) einen gleichbleibenden Geruchsimpuls von der Nase, blendet es diesen bis zur nächsten Veränderung als unwichtig aus. Unabhängig davon, ob wir ihn als Duft oder Gestank wahrnehmen. Im ungünstigen Fall blendet das Gehirn so den Duft der gleichmässig brennenden Aromalampe aus, während der Gestank, den sie überdecken sollte, sich durch Luftbewegungen immer wieder leicht verändert.

Es sind also über längere Zeit hinweg grössere – möglichst leicht schwankende – Dosen Lufterfrischer nötig, um gegen unangenehme Gerüche anzukommen. Das erscheint mir auch deshalb bedenklich, weil praktisch jeder Duftstoff das Potential hat, Allergien auszulösen (Stoffgemische wie ätherische Öle enthalten besonders viele Kandidaten dafür!).

Bei Duftsprays kommt hinzu, dass darin meist Propan und/oder Butan (“Campinggas”) als Treibgase enthalten sind. Diese Gase gehören zu den leichtesten Vertretern der Erdöl-Bestandteile (weshalb sie gasförmig und daher letztlich dem Erdgas zuzuordnen sind). Die sind zwar wesentlich unkritischer als die berüchtigten FCKW (FluorChlorKohlenWasserstoffe), aber nichts desto trotz wirksamere Treibhausgase als CO2. Offiziell als solche gelistet, sind sie zwar nicht, weil sie in der Atmosphäre zu selten sind und mit Methan in Sachen Wirksamkeit nicht konkurrieren können, aber das ist in meinen Augen kein Grund, sie unkritisch in die Luft zu sprühen.

Was ihr bei der Anwendung von Lufterfrischern beachten solltet

Persönlich halte ich von der Überdeckung von Gerüchen am wenigsten, weil sie so wenig effizient und mit erheblichen Nachteilen behaftet ist. Wenn ihr trotzdem nicht darauf verzichten oder einfach einen gut gelüfteten Raum mit Duft “dekorieren” möchtet:

  • Klärt vorher ab, dass keiner der Bewohner (oder ggfs. auch regelmässigen Besucher) des Haushalts allergisch auf einen der Bestandteile eures Wunschduftes reagiert oder eine schlechte Erfahrung damit verbindet. Vergesst dabei auch eure Haustiere nicht!
  • Falls eine allergische Reaktion erst beim Ausprobieren des Lufterfrischers auftritt, seid bereit, das Produkt zu wechseln oder bestenfalls ganz darauf zu verzichten.

– man unangenehm riechende Moleküle einfängt (“neutralisiert”)

Sogenannte Duftneutralisierer werden in den Werbespots, die mich so skeptisch reagieren liessen, beworben. Solche Produkte enthalten häufig Cyclodextrine (z.B. die der Marke “Febreze”) oder auch Triethylenglykol (TEG). Und diese Stoffe stammen tief aus der Trickkiste der Chemiker.

Strukturformel von beta-Cyclodextrin: 7 Traubenzucker-(Glucose-)ringe sind zu einem grossen Ring verbunden (Stanisław Skowron [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

Cyclodextrine sind Ringe aus aneinander gebundenen Traubenzucker-Molekülen (Wenn man Traubenzucker-Moleküle zu langen offenen Ketten verbindet, ist das Ergebnis Stärke. Wenn man Stärke in kurze Stücke schneidet und die zu Ringen schliesst, erhält man ein Cyclodextrine). Die Innenseite dieser Ringe lässt sich mit Fetten, aber nicht mit Wasser mischen. Bei der Aussenseite verhält es sich genau umgekehrt. Die lässt sich mit Wasser mischen, aber nicht mit Fetten.

beta-Cyclodextrin als Kalottenmodell
Kalottenmodell von beta-Cyclodextrin: weisse Halbkugeln (H-Atome) bilden fettliebende Flächen, rote Halbkugeln (O-Atome) dazwischen stehen für wasserliebende Bereiche. Die Innenfläche des Rings ist weiss, also fettliebend, während die roten Bereiche aussen liegen und den Ring als Ganzes mit Wasser mischbar machen.

So sind Cyclodextrine einerseits wasserlöslich, bieten in ihrem Inneren andererseits ein lauschiges Plätzchen für fettliebende Moleküle. Zu diesen gehören viele aromatische Verbindungen. Diese Verbindungsklasse, die sich durch eine gemeinsame Besonderheit ihrer Moleküle auszeichnet (meistens ist darin mindestens ein “Benzolring” zu finden), erhielt ihren Namen, weil ihre Vertreter in der Regel riechen – eben aromatisch sind.

Wenn diese Aromaten und andere anrüchige Fettliebhaber sich in ein Cyclodextrin verirren, bleiben sie leicht darin hängen. Und von einem Cyclodextrin-Ring umgeben können die Stinker nicht mehr an unsere Geruchszellen andocken. So können wir sie nicht mehr riechen.

Vorteile von Duftneutralisieren gegenüber reinen Lufterfrischern

Die riechenden Moleküle werden tatsächlich “kaltgestellt”, d.h. sie sind für uns nicht mehr wahrnehmbar. So kann uns auch das Gehirn keinen Strich durch die Rechnung machen. Cyclodextrine gelten zudem als ungiftig, nicht zuletzt, da wir sie im Gegensatz zu Stärke nicht verdauen können (beta-Cyclodextrin, ein Ring aus 7 Glucosemolekülen, ist sogar als Lebensmittelzusatzstoff unter der Nummer E 459 zugelassen). Auch beim Einatmen gelten unveränderte Cyclodextrine als unbedenklich.

Nachteile von Duftneutralisierern

Duftneutralisierer funktionieren nur bei fettliebenden Geruchsmolekülen. Wasserlösliche Moleküle können damit nicht eingefangen werden.

Die Geruchsmoleküle in der Luft und an Oberflächen werden zwar “unriechbar”, bleiben aber vorhanden. Die Luft wird also nicht wirklich “sauberer”. Durch gründliches Lüften nach der Anwendung lassen sich die Geruchs-Cyclodextrin-Verbindungen aber ebenso aus der Wohnung schaffen wie alle anderen Moleküle.

Neben den unbedenklichen Cyclodextrinen sind in Industrieprodukten stets eine Reihe weiterer, unter Umständen weniger harmlose Stoffe enthalten: Lösungsmittel, Konservierungsstoffe, Parfum,… Die atmen wir auch mit ein oder bekommen sie auf die Haut (wenn wir behandelte Textilien benutzen). Auch mit Oberflächen können diese Stoffe in mitunter überraschender Weise reagieren, zeigt nicht zuletzt ein schon etwas länger zurückliegende Testbericht der deutschen Stiftung Warentest.

Was ihr bei der Anwendung von Duftneutralisierern beachten solltet

Der Trick mit den “molekularen Zuckertüten” für stinkige Moleküle scheint zu funktionieren. Dennoch bin ich persönlich als Reinstoff-Liebhaberin gerade mit Industrieprodukten, die zusätzlich Duftstoffe enthalten, sparsam und verwende keine Duftneutralisierer. Wenn ihr das aber tun möchtet:

  • Verwendet Textilauffrischer und andere Duftneutralisierer zum Sprühen möglichst in gut gelüfteten Bereichen. So könnt ihr die eingefangenen Stinker gleich nach draussen schaffen.
  • Testet vor der grossflächigen Verwendung an einem kleinen, wenig sichtbaren Bereich, ob eure Oberfläche der Behandlung standhält.
  • Behaltet im Auge, ob irgendeiner der Bewohner (oder regelmässigen Besucher) das Produkt womöglich nicht verträgt (und im schlimmsten Fall allergisch reagiert). Sollte das der Fall sein, verzichtet sofort darauf.

– man unangenehm riechende Stoffe biologisch abbauen lässt

Sogenannte Geruchskiller enthalten Mikroorganismen, meist Bakterien, die spezielle organische Geruchsquellen mit Hilfe ihrer Enzyme verdauen können. Übelriechende Stoffe werden von solchen Bakterien abgebaut und verstoffwechselt, sodass auch und vor allem die Ursache des Gestanks beseitigt werden kann! Und das überall dort, wohin eine Flüssigkeit einsickern kann – z.B. tief in Textilien und Polstern.

Nachteile von Geruchskillern

Von allen Mitteln sind diese am wenigsten universell einsetzbar. Vielmehr müssen die passenden Bakterien für die jeweilige Geruchsquelle gefunden werden. Für unsere Lieblingsfeinde in der Geruchswelt – zum Beispiel Tabakrauch oder Tierurin – gibt es spezielle Produkte im Fachhandel. Aber nicht alle Gerüche können auf diese Weise beseitigt werden.

Bakterien brauchen überdies Zeit zum Fressen und Verdauen. Beim Einsatz von Geruchskillern ist also Geduld gefragt. Dafür sollte am Ende die Geruchsquelle ganz verschwunden sein.

Auch biologische Geruchskiller mit Mikroben können Duft- und Konservierungsstoffe enthalten. Benutzt sie also genauso umsichtig wie andere Industrieprodukte auch.

Was ihr bei der Anwendung von Geruchskillern beachten solltet

Unter allen Produkten gegen schlechte Luft sind mir diese noch am sympathischsten, weil sie die Geruchsquelle sauber beseitigen können. Und die Bakterien darin sind erst noch ungefährlich für uns Menschen. Beachtet dennoch folgendes, wenn ihr sie verwenden möchtet:

  • Lasst eurem Geruchskiller Zeit, seine Wirkung zu tun. Das kann schnell einmal Tage dauern. Aber dann ist die Geruchsquelle auch wirklich weg.
  • Behaltet – wie bei allen anderen Industrieprodukten – allfällige allergische Reaktionen der Haushaltsmitglieder im Auge.

– man überlriechende Moleküle durch Luftionisierung in Bruchstücke zerlegt

Luft-Ionisatoren sind elektrische Geräte, die mit Hilfe von elektrischer Spannung Luftmoleküle in geladene Teilchen – Ionen – zerlegen. So entstehende Sauerstoff-Ionen reagieren weiter zu Ozon (O3), einem aggressiven Oxidationsmittel. Ozon greift viele andere Moleküle – auch die Stinker unter ihnen – leicht an und zersetzt sie.

Dazu kommt, dass die Ionen Staub-Partikel anziehen, sodass diese sich zu Clustern zusammenfinden und so leichter aus der Luft gefiltert werden können.

Ionisatoren gibt es heutzutage in allen Grössen und Leistungsleveln, vom Mini-Gerät für den Zigarettenanzünder oder USB-Port im Auto über handliche Tischgeräte bis hin zum Bestandteil von Raumluft-Aufbereitern industriellen Massstabs.

Vorteile von Luftionisierung

Ozon ist ein Gas aus sehr kleinen Molekülen, die sich leicht im Raum verteilen und sogar tief in Textilien eindringen können, um dort ihr Werk zu verrichten. So besteht zumindest die Chance, dass sie auch die Quelle eines Geruchs erreichen.

Nachteile der Ionisierung von Luft

Ozon in der Atemluft ist bekanntlich gesundheitsschädlich (so ist es nicht überraschend, dass es schon in sehr kleinen Mengen einen unangenehmen Eigengeruch hat). Zudem greift es seine Reaktionspartner ziemlich willkürlich an, sodass bei der Zersetzung von Geruchsstoffe eine unübersichtliche Palette neuer Stoffe entstehen kann. Besonders aus Tabakrauch können dabei laut der Deutschen Lungenstifung Stoffe entstehen, die gefährlicher als der ursprüngliche Rauch sein können!

Ausserdem verursachen elektrische Geräte laufend Energiekosten.

Was ihr bei der Anwendung von Ionisatoren beachten solltet

Obwohl sie das Übel mehr oder weniger an der Wurzel anfassen, also im besten Fall einen Geruch samt Ursache beseitigen können, sind die Erzeugnisse von Luftionisatoren nicht unbedingt gesund. Wenn ihr sie dennoch verwenden möchtet:

  • Setzt sie nicht zur Bekämpfung von Zigarettenrauch ein.
  • Verwendet sie, wenn möglich, in gerade nicht benutzen Räumen und lüftet danach gut. So werdet ihr auch die Zersetzungsprodukte und das Ozon los.
  • Grössere Luftaufbereitungsanlagen verbinden Ionisatoren häufig mit anderen Vorrichtungen wie Filtern, UV-Licht und mehr, sodass sie die Zersetzungsprodukte bestenfalls gleich beseitigen können.

– man übelriechende Moleküle und ihre Quellen “mechanisch” wegschafft

Mein absoluter Favorit bei der Geruchsbekämpfung: Die Ursache finden und beseitigen (wegtragen, auswaschen, sauber machen,…) – und dann kräftig durchlüften.

Vorteile

Blosses Lüften (kurz und kräftig) und das effektive Beseitigen von Geruchsquellen ist meistens und gerade auf Dauer kostengünstig. Ausserdem werden weder zusätzliche Stoffe eingebracht (abgesehen von allfälligen Reinigungsmitteln bei der Ursachenbeseitigung) noch neue, unberechenbare Abbauprodukte erzeugt.

Nachteile

Erfordert Arbeit und unter Umständen etwas Beharrlichkeit, um die tatsächliche Geruchsquelle zu finden.

Und dann gibt es ja noch eine ganze Reihe von Hausmitteln zur Geruchsbekämpfung.

Wie und bei welchen Gerüchen funktionieren Hausmittel als Lufterfrischer?

  • Backpulver/Natron: sind basisch und reagieren mit sauren Geruchsstoffen (z.B. ranziges Fett, verdorbene Lebensmittel) zu weniger stinkigen Produkten
  • Kaffeepulver/Kochsalz: ziehen Feuchtigkeit aus der Luft, sodass sie Gerüche eindämmen, die bei hoher Luftfeuchtigkeit besonders gut tragen. Ausserdem manipuliert Kaffeepulver vermutlich in noch unerforschter Weise unsere Geruchswahrnehmung im Gehirn.
  • Essig: tötet Bakterien und Pilze. Essig beseitigt somit die Quellen von Gerüchen, die durch Mikroben verursacht werden (und die sind darin wirklich gut!). Der Eigengeruch überdeckt zudem andere Gerüche.
  • Zitronensäure: ist ein Reduktionsmittel (“Antioxidans”). Zitronensäure kann übelriechende Moleküle möglicherweise zu weniger riechenden Molekülen reduzieren, ausserdem wird der Eigengeruch oft angenehmer wahrgenommen als der von Essig
  • Katzenstreu: Besteht oft aus Zeolithen oder anderen “porösen” Stoffen, die wie die Cyclodextrine stinkige Moleküle (z.B. Katzenurin) in ihren Hohlräumen einfangen. Mehr über Zeolithe könnt ihr hier in Keinsteins Kiste nachlesen.

Fazit

Gerüche sind Eindrücke unseres Gehirns von der Beschaffenheit von Molekülen. Wenn solche Moleküle in unsere Nase finden und dort an einen passenden Geruchssensor binden, übersetzt dieser den Kontakt in einen elektrischen Impuls, den unser zu einer Geruchswahrnehmung interpretiert und mit seinen Erfahrungen verarbeitet.

Ein Geruch, den wir Menschen allgemein als unangenehm wahrnehmen, ist nicht selten eine Warnung vor einer möglichen Gefahr. Darüber hinaus können fiese Gerüche in unserem Alltag schnell sehr lästig werden.

Die beste Waffe gegen unliebsame Gerüche ist und bleibt das Entfernen der Geruchsquelle, gefolgt von kräftigem Durchlüften. Beim Entfernen einiger Geruchsquellen aus schwer zugänglichen Bereichen wie Polstern können biologische Geruchskiller helfen, brauchen aber Zeit.

Schnelle Abhilfe können Geruchsneutralisierer schaffen, wie sie in bekannten Textilerfrischern zum Aufsprühen enthalten sind.

Für am wenigsten zielführend halte ich Lufterfrischer, die andere Gerüche nur überdecken sollen. Solche beseitigen weder die Geruchsursache noch machen sie die Luft in irgendeiner Weise “sauberer” – eher ist das Gegenteil der Fall.

Während ich beim Durchlüften bleibe…wie geht ihr eigentlich gegen lästige Gerüche vor?

Experiment und Haushaltstipp: Kupfer mit Hausmitteln reinigen

Ein verregneter Frühling ist – wohl oder übel – Zeit für Schlechtwetterprogramm. Aber was tun? Experimentieren oder Haushalt? Warum nicht beides miteinander? Ich habe einen genialen Hack für euer Kupfer-Geschirr – mit Experiment für eure Kinder dazu!

Habt ihr einen Kupfertopf? Armaturen oder andere Gegenstände aus Messing? Und die sind mal wieder ziemlich angelaufen und sollten dringend geputzt werden? Dann legt los – und zwar ganz ohne kommerzielle Reinigungspaste. Denn was ihr braucht, findet ihr mit Sicherheit in der Küche.

Kupfer und Messing reinigen: Ihr braucht dazu

  • Angelaufenen Kupfertopf o.Ä.
  • Papiertücher (könnt ihr einfach entsorgen, da ihr sie nicht auswaschen müsst!)
  • Ggfs. Putzhandschuhe
  • Haushaltsessig
  • Kochsalz (Speisesalz, NaCl)

Und für ein simples, aber atemberaubendes Experiment für die Nachwuchs-Forscher das Ganze im Kleinformat…

Experiment: Kupfermünzen reinigen: Ihr braucht dazu

  • Kupfermünzen (nachweislich funktionieren Euro-Cents, britische Pennys und US-Cents, Münzen mit messinggoldener Oberfläche wie das Schweizer Füüferli oder tschechische 20 Kronen bringen kein gutes Ergebnis)
  • Haushaltsessig
  • Kochsalz
  • leeres Glas (z.B. Gewürzglas, praktisch mit gewölbtem Boden)
  • ggfs. Schutzbrille und Kittel für die Nachwuchs-Forscher

Haushaltsessig und andere Säuren wirken ätzend! Essigsäure ist jedoch eine schwache Säure, die unserer Haut dank deren Säureschutz nicht gleich Schaden zufügt. Deshalb trage ich beim Umgang mit solch kleinen Mengen keine Handschuhe.

Wenn ihr Essig auf die Haut bekommt, spült ihn einfach gründlich mit Wasser ab. Sollte euch ein Spritzer in die Augen geraten (die Schutzbrille sollte das verhindern!), spült die Augen sehr gründlich mit fliessendem Wasser aus (10 Minuten lang heisst es im Labor!) und geht bei bleibenden Beschwerden zur Sicherheit zum Augenarzt.

Wenn Spritzer auf die Kleidung kommen, zieht sie aus und wascht sie ebenfalls sofort sehr gründlich aus. Wenn die Säure die Textilien angreift, können sonst später beim Waschen in der Maschine noch Löcher entstehen!

So geht’s

Experiment

Gebt ca. 1 cm hoch Haushaltsessig ins Glas, dann eine angelaufene Kupfermünze hinein. Schliesslich gebt ihr reichlich – etwa einen Teelöffel – Kochsalz hinzu.

Münze im Essig-Kochsalz-Bad: Ein paar Sekunden reichen – ihr könnt zuschauen, wie sie blank wird! Das Kochsalz muss sich übrigens nicht vollständig im Essig lösen. Direkt auf die Münze gegeben wirkt es am besten.

Kupfertopf reinigen

Gebt einen Schuss Essig auf euren Lappen und streut Kochsalz auf den nassen Fleck. Nicht damit sparen! Dann poliert euren Kupfertopf oder Messinggegenstand mit dem Gemisch. Sobald der Topf blank ist, könnt ihr ihn mit einer kleinen Menge Speiseöl einreiben, damit er nicht sogleich wieder anläuft.

Was ihr beobachten könnt

Beim Experimentieren

Die dunkel angelaufene Kupfermünze wird innerhalb von Sekunden hell! Fischt die Münze aus dem Glas, sobald sie hell genug ist (eine Gabel ist dabei sehr hilfreich) und spült sie kurz mit Wasser ab.

Kupfermünze mit Essig und Kochsalz gereinigt: Die linke Münze ist nach wenigen Sekunden im Essig-Salz-Bad blank, die rechte, angelaufene dient als Vergleich
Rechts: Angelaufene 2-Eurocent-Münze; Links: eine vergleichbar angelaufene 2-Eurocent-Münze nach wenigen Sekunden im Essig-Kochsalz-Bad

Beim Reinigen des Kupfertopfes oder Messinggegenstandes

Das Kupfer oder Messing wird sofort blank, wie beim Putzen mit einer kommerziellen Reinigungspaste!

Entsorgung

Kupferionen sind giftig für Wasserorganismen und andere Kleinstlebewesen. Deshalb gehören sie grundsätzlich als Sondermüll entsorgt. Die winzigen Mengen, welche beim Experimentieren mit Münzen entstehen, könnt ihr aber mit dem Essig-und-Salz-Gemisch in den Abfluss entsorgen.

Die Papiertücher, mit welchen ihr Kupfertöpfe und Messing putzt, könnt ihr in den Hausmüll geben oder – wenn ihr die Kupfergeschirr-Komplettausstattung eurer Profi-Küche poliert und so grössere Mengen erzeugt habt 😉 – trocknen lassen und zur Sonderabfall-Sammelstelle bringen.

Was passiert da?

Die dunkle Farbe angelaufenen Kupfers ist ein Belag aus Kupferoxiden, hauptsächlich aus schwarzem Kupfer(II)oxid (CuO). Dieses Salz besteht aus Cu2+– und O2- -Ionen. Cu2+-Ionen können sich in Wasser lösen, wobei sie von Wassermolekülen umgeben werden.

Dabei nehmen sechs Wassermoleküle der innersten Wasserschicht um ein Cu2+-Ion ganz bestimmte, geometrische Positionen ein: Die Ecken eines lang gezogenen Oktaeders.

Hexaaquakupfer(II) - Komplex: Die beiden H2O auf der Längsachse sind etwas weiter vom Kupfer entfernt als die vier übrigen
Der Hexaaquakupfer(II)-Komplex: Die Pfeile deuten die Bindungen durch “geliehene” Elektronenpaare an. Die Wassermoleküle markieren die Ecken eines Oktaeders (eine viereckige Doppelpyramide), wobei die beiden Moleküle oben und unten etwas weiter weg vom Kupfer sind als die übrigen vier. Die Folge: Der Oktaeder erscheint etwas in die Länge gezogen.

Wie sie dazu kommen? Ein Cu2+-Ion hat relativ wenig Elektronen (immerhin zwei weniger, als zum Ausgleich seiner Kernladung nötig wären). Wassermoleküle hingegen haben – zumindest am Sauerstoff-Ende – ziemlich viele davon, und zwar ganze zwei äussere Elektronenpaare, die für keine chemische Bindung innerhalb des Moleküls gebraucht werden. So können Wassermoleküle eines dieser nichtbindenden Elektronenpaare einem Cu2+-Ion “ausleihen”.

Damit entsteht eine chemische Bindung zwischen Wasser und Kupfer-Ion, die von den Chemikern “koordinative Bindung” oder “Komplexbindung” genannt wird. “Komplex” ist daran allerdings nur, dass ein Bindungspartner dem anderen ein Elekronenpaar ausleiht, anstatt dass wie bei der kovalenten oder Atombindung jeder Partner ein Elektron dazu beisteuert.

Komplexbildungsreaktionen sind Gleichgewichtsreaktionen

Cu2+-Ionen sind nun damit zufrieden, von sechs geliehenen Elektronenpaaren jeweils ein Bisschen zu haben. Allerdings lange nicht so zufrieden wie damit, einen Platz in einem CuO-Kristallgitter zu haben.

Stets kehren Cu2+-Ionen aus der Lösung in das Kristallgitter zurück: Die [Cu(H2O)6]2+ – Komplexe befinden sich stets mit dem Kupfer-Ionen im Kristallgitter in einem chemischem Gleichgewicht (Le Chatelier erklärt euch das Gleichgewicht hier auf dem Flughafen genauer).

Dieses Gleichgewicht liegt in Wasser allerdings ganz weit auf der Seite des Salzkristalls, es sind nur ganz wenige [Cu(H2O)6]2+ -Komplexe in Lösung.

Kochsalz übt einen Zwang aus

Gibt man nun reichlich Kochsalz (NaCl) in das Wasser, löst sich dessen Gitter auf: Na+– und Cl-Ionen gehen einzeln ins Wasser über . Die Cl-Ionen können ebenfalls Komplexe mit Kupfer bilden: Sie können Wassermoleküle im [Cu(H2O)6]2+ ersetzen, sodass Komplexe wie [Cu(H2O)5Cl]+ entstehen:

Die Art Reaktion nennen die Chemiker “Ligandenaustauschreaktion”: Die Teilchen, welche dem Kupfer-Ion (dem “Kern”) im Zentrum des Komplexes die Elektronenpaare leihen, heissen nämlich “Liganden” (von lateinisch ligare = binden).

Durch solche Reaktionen können bis zu vier Wassermoleküle ausgetauscht werden. Die zwei verbleibenden Wassermoleküle bilden nun die Spitzen des langgezogenen Oktaeders.

Tetrachlorocuprat(II) in wässriger Lösung: Der quadratisch-planare Kupfer-Komplex wird von zwei Wassermolekülen zum langgezogenen Oktaeder ergänzt.
Tetrachlorocuprat(II): So heisst der Komplex, welcher entsteht, wenn die maximal mögliche Anzahl Wassermoleküle gegen Chlorid-Ionen ausgetauscht wird.

All diese Komplexe stehen miteinander im Gleichgewicht. Das schiere Überangebot an Cl-Ionen allein sorgt dafür, dass diese Gleichgewichte jeweils auf die Seite mit mehr Chlorid im Komplex gedrängt werden. So einem Zwang wie dem Cl-Überschuss will das ganze System nämlich ausweichen.

Der Knackpunkt dabei: Durch die Entstehung der Komplexe mit Chlorid wird dem Gleichgewicht zwischen CuO und gelösten Kupferionen das  [Cu(H2O)6]2+ entzogen! Laut dem Prinzip von Le Chatelier strebt das Gleichgewicht danach, auh diesen Verlust auszugleichen: Der Verlust der Kupferionen mit reiner Wasserhülle zieht das Gleichgewicht förmlich auf die Seite des gelösten [Cu(H2O)6]2+. So geht in der Anwesenheit von reichlich Cl mehr Cu2+ aus dem CuO in Lösung.

Und was tut der Essig dabei?

Mit Kochsalz und blossem Wasser funktionieren diese Ligandenaustauschreaktionen kaum: Das Kupferoxid bleibt an der Oberfläche haften – der Kupfertopf bleibt dunkel.

So lautete meine erste Vermutung Die Säure (Haushaltsessig ist nichts anderes als Essigsäure gelöst in Wasser) fördert irgendwie die Entstehung der chloridhaltigen Komplexe. Befriedigend war diese Erklärung aber lange nicht.

Deshalb habe ich meine Chemiker-Gedanken weiter gesponnen und bin zu folgender Erklärung gelangt:

Wenn Cu2+-Ionen aus dem CuO in Lösung gehen, müssen die O2--Ionen aus dem Gitter auch irgendwo hin. Allerdings können die nicht einfach von Wassermolekülen umgeben existieren. Stattdessen reagieren sie mit dem Wasser zu OH-Ionen:

Auch zwischen diesen Reaktionspartnern besteht ein Gleichgewicht, das nicht all zu weit auf der Seite der OH-Ionen liegen mag. Ist im Wasser allerdings eine Säure (ein Stoff, der mit Wasser H3O+-Ionen erzeugen kann) vorhanden, reagieren die OH-Ionen allerdings gleich wieder zu Wasser:

Diese Gleichgewichtsreaktion nennen die Chemiker “Neutralisation”! Es liegt nämlich recht weit auf der Wasser-Seite, sodass eine Säure wie H3O+ und eine Base wie OH ganz von selbst miteinander reagieren. Durch den “Verbrauch” von OH-Ionen durch die Neutralisation wird wiederum das Gleichgewicht zwischen O2- im CuO-Gitter und den OH-Ionen in Lösung auf die OH-Seite gezogen.

Zum besseren Überblick habe ich die wichtigsten Gleichgewichte und ihre Abhängigkeiten voneinander noch einmal zusammengefasst:

Überblick über die Gleichgewichtsreaktionen: So löst sich Kupfer in Essig mit Kochsalz
Die roten Pfeile deuten die Verlagerung der Gleichgewichte an: Die Reaktionen ganz rechts “ziehen” die Gleichgewichte weiter links auf die Seite der Lösung: Das Kupferoxid an der Kupferoberfläche wird aufgelöst!

Wenn meine Erklärung zutrifft, müsste das Ganze auch mit Kochsalz in anderen Säuren funktionieren. Ich habe es ausprobiert: Kochsalz in Zitronensäure zeigt beim Polieren die gleiche Wirkung.

Aber Kupfer(II)-Komplexe sind doch farbig?

Die Chemie-Erfahreneren unter euch wissen vielleicht, dass die Komplexe mit Cu2+-Ionen eigentlich sehr farbig sind: [Cu(H2O)6]2+ ist zum Beispiel cyanblau, während die chloridhaltigen Komplexe zunehmend grün sind. Warum sieht man dann beim Reinigen der Münzen die Farben nicht?

Ich gehe davon aus, dass diese Komplexe insgesamt in so kleiner Menge entstehen, dass uns die äusserst blasse blau-grüne Färbung schlichtweg nicht auffällt.


Wie verträglich ist die Reinigung mit Essig und Kochsalz für die Kupfer-oberfläche?

Durch die Ligandenaustauschreaktionen wird das Kupfer-Metall nicht wieder hergestellt. Stattdessen wird bereits oxidiertes Kupfer in Wasser gelöst, sodass es abgewaschen werden kann. Wie bei allen anderen mir bekannten Mitteln zur Entfernung von Korrosionsspuren würde auch dieses bei wiederholtem Putzen irgendwann das Metall “aufbrauchen”.

Im praktischen Gebrauch bei der Reinigung von Kupfertöpfen und ähnlichen Gegenständen fällt diese Verlust jedoch nicht ins Gewicht. Zudem gehe ich davon aus, dass kommerzielle Reinigungspasten nach dem gleichen Prinzip funktionieren. Ihr könnt also getrost eure Kupfertöpfe mit Essig und Kochsalz polieren.

Und Messingoberflächen?

Messing ist eine Legierung – also ein Gemisch – aus den Metallen Kupfer und Zink. Auch in Messing sind also Kupferatome enthalten, die, wenn sie zu CuO oxidiert werden, dem Metall ein dunkles, stumpfes Aussehen geben. Damit sollte sich dieses Problem mit Hilfe der selben Reaktionen beheben lassen.

Tatsächlich habe ich auch den Messinggriff meines Kupfertopfes problemlos mit Essig und Kochsalz polieren können. Lasst dabei jedoch die Mischung nicht unnötig lange einwirken, sondern spült sie gleich nach dem Putzen ab!

Beim Experimentieren mit Messingmünzen habe ich nämlich festgestellt, dass die Mischung Zink oder/und andere Bestandteile der Legierung aus der Oberfläche herauslösen kann. Die Folge: Die ehemals messinggoldene Oberfläche wird zwar blank, aber rot wie Kupfer!

Zink ist nämlich ein ziemlich unedles Metall, sodass es von der Säure angegriffen werden könnte. Die Säurekorrosion habe ich hier zur Rostparade oder zum Anhören in der neuen Folge des Proton-Podcasts (erscheint in Kürze) erklärt.

Bild: Tschechische 20-Kronen-Münze rot verfärbt

Was euch die Verwendung dieses Hausmittels bringt

Wie bereits erwähnt vermute ich, dass im Handel erhältliche Reinigungspaste für Kupfer und Messing auf die gleiche Weise funktioniert wie das Gemisch aus Säure und Kochsalz – nämlich mit Chemie. Welchen Vorteil habt ihr dann aber von diesem Hausmittel?

Wie ihr seht: Ohne Chemie geht nichts im Haushalt. Anders als bei einer Reinigungspaste aus dem Handel wisst ihr beim Einsatz eines solchen Hausmittels oder Chemie-Hacks ganz genau, welche Chemie bzw. Chemikalien darin enthalten sind. Nämlich garantiert nichts, was euch gefährlich werden könnte (so lange ihr das Kochsalz nicht löffelweise esst oder euch die Säure in die Augen spritzt – aber das versteht sich ja von selbst). Das ist doch ein beruhigender Gedanke, oder?

Und wie reinigt ihr Kupfer und Messing in eurem Haushalt?

Klimawandel - Worum geht es da eigentlich?

Jeden Freitag gehen wieder Tausende Jugendliche auf die Strasse, fordern Engagement für den Klimaschutz. Alex von livelifegreen hat deshalb zur Blogparade #bloggersforfuture aus Solidarität zu unseren Kindern aufgerufen. Die setzen sich nämlich für ihre Zukunft ein, die wir heute Erwachsenen ziemlich leichtfertig aufs Spiel gesetzt haben und noch aufs Spiel setzen. Indem wir den Klimawandel zugelassen haben.

Aber worum geht es da eigentlich?

Was ist eigentlich Klima? Was passiert mit dem Klima auf der Erde: Warum wird es wärmer? Können wir überhaupt etwas dagegen tun? Was können Politiker und die Wirtschaft tun? Was kann jeder von uns beitragen?

Mit den Antworten auf diese Fragen könnte ich ein ganzes Buch füllen – oder zumindest eine ganze Beitragsserie. Deshalb bleibe ich in Teilen dieses Artikels bewusst oberflächlich, enthalte euch aber spannende und verlässliche Links zum Weiterlesen nicht vor.

Woher ich meine Daten habe

Verlässlich ist ein gutes Stichwort: Nicht zuletzt im Netz findet man eine ganze Menge mehr oder weniger dem aktuellen Wissensstand entsprechenden Informationen und Behauptungen rund um das Klima und seine Veränderung.

Umso froher war ich, dass ein Student der ETH Zürich die Aufgabe, eine verlässliche Übersicht über diesen Wissensstand zusammen zu tragen, im Rahmen einer mentorierten Arbeit bereits erledigt hat. Der Autor verwendet dazu hauptsächlich Daten des “Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)”, das 1988 vom Umweltprogramm der Vereinten Nationen und der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) eingerichtet worden ist. Dessen Zusammenfassungen der weltweiten Forschungsergebnisse könnt ihr hier in offiziellen deutschen Übersetzungen in allen Einzelheiten nachlesen.

Aus Zeitgründen bezieht sich mein Artikel vornehmlich auf die 2012 entstandene mentorierte Arbeit. Ich gehe jedoch guten Gewissens davon aus, dass auch die jüngeren Berichte des IPCC von den grundlegenden Aussagen nicht gross abweichen werden.

Nun aber zum Wesentlichen.

Was ist eigentlich Klima?

Letzten Donnerstag hatten wir Schneefall bis in tiefe Lagen – im April. Von Klimaerwärmung kann da keine Rede sein, mögen manche tönen. Die vergessen nur eins: Wetter und Klima sind zwei ganz unterschiedliche Dinge!

Wetter ist nämlich ein kurfristiges Geschehen in der Atmosphäre an einem bestimmten Ort (über) der Erdoberfläche.

Ein Beispiel: Am Donnerstag (4.April 2019) betrug die Lufttemperatur zur wärmsten Tageszeit hier in Pfäffikon SZ laut Accuweather.com 4°C.

Das Klima ist dagegen das “Durchschnittswetter” über grössere Teile der Erde oder gar den ganzen Planeten und über einen langen Zeitraum verteilt.

Um das Klima in einer bestimmten Region oder auf der ganzen Erde zu bestimmen, werden also viele Daten an vielen Orten und/oder über grössere Zeiträume hinweg gesammelt, Durchschnittswerte berechnet und die Bandbreite von Abweichungen davon bestimmt.

Durchschnittlich ist es hier in Pfäffikon Anfang April zur wärmsten Tageszeit 13°C warm (Accuweather gibt leider nicht preis, über welchen Zeitraum die Temperaturen erfasst worden sind). Das Wetter am Donnerstag war also ein Ausreisser im Vergleich zum hiesigen Klima. Wie häufig solche Ausreisser sind oder ob unser April regelrecht aus Ausreissern nach oben und unten besteht (wie man ihm ja gerne nachsagt), geben die Daten von Accuweather allerdings nicht her.

Es geht noch komplexer: Das Klimasystem

Der Begriff “Klima” ist eigentlich viel zu einfach für das vielschichtige System, das hinter dieser Datensammlung steckt. Das Klimasystem der Erde setzt sich nämlich aus einer ganzen Reihe verschiedener Systeme zusammen:

Der Atmosphäre (also der Lufthülle der Erde), der Gesamtheit aller Meere und Gewässer (Hydrosphäre), der Gesamtheit von Eis und Schnee auf der Erde (Kryosphäre), der steinernen Erdkruste (Lithosphäre), der Gesamtheit des Erdbodens (Pedosphäre) und schliesslich der Gesamtheit der Lebewesen (Biosphäre), welche all diese Systeme bevölkern.

Und all diese System stehen in ständigem Austausch untereinander: In verschiedenen, aber zusammenhängenden Kreisläufen werden immerzu Energie und Stoffe zwischen den verschiedenen Bereichen ausgetauscht. Wichtige Beispiele für solche Stoffkreisläufe habe ich im Artikel über die Hermetosphären näher erklärt. Dort findet ihr auch eine Anleitung, wie ihr euer eigenes Mini-Klimasystem im Wohnzimmer selbst anlegen und beobachten könnt!

Ein solches Netzwerk aus miteinander verbundenen Systemen bedeutet: Wenn irgendwo an einer Stelle etwas daran verändert wird, kann diese Veränderung Folgen für weite Teile des Netzwerks, wenn nicht gar für das ganze Klimasystem haben! Und dass sich von den letzten Jahrzehnten an in auffälliger Weise etwas ändert, ist laut der Beobachtungen der Klimawissenschaftler unbestreitbar.


Was passiert mit dem Klima auf der Erde?

Seit gut 100 Jahren wird die Klimaentwicklung wissenschaftlich beobachtet, vermessen und festgehalten. Ältere Daten können in historischen Quellen gesucht oder aus erdgeschichtlichen Spuren (Baum-Jahresringe, Bohrkerne aus Eis oder Gestein, Fossilien,…) gewonnen werden.

Was die Wissenschaftler direkt beobachten konnten

  • Von 1906 bis 2005 ist die Durchschnittstemperatur auf der Erde um 0,74°C angestiegen.
  • Der Meeresspiegel ist im Laufe des 20. Jahrhunderts um ca. 0,17m angestiegen.
  • Die im Mittel von Schnee und Gletschern bedeckte Fläche (Eiskappen an den Polen nicht mit eingerechnet) wird kleiner.
  • Einige Gebiete der Erde (Nord- und Südamerika, Nordeuropa, Nord- und Zentralasien) erfahren mehr Niederschläge (Regen, Schnee,…), andere Gebiete (Sahel, Mittelmeerraum, Südafrika, Teile Südasiens) werden hingegen trockener.

Was die Klima-Geschichtsforscher ihren Spuren entnehmen können

  • Die Durchschnittstemperatur war während der letzten 1300 Jahre nie hoch wie heute.
  • Der Meeresspiegel war vor 125’000 Jahren – lange bevor es nennenswert Menschen auf der Erde gab – rund 4 bis 6 Meter höher als im 20. Jahrhundert (Grund dafür war eine Zwischeneiszeit, in der es zum Abschmelzen grosser Mengen Eis und Schnee kam).

Einige der jüngst beobachteten Entwicklungen werden also von den geschichtlichen Daten als unnatürlich bestätigt, andere weniger.

Warum geschieht nun die Klimaerwärmung?

Dass es auf der Erde überhaupt lebensfreundlich warm ist, haben wir der Sonne zu verdanken. Die versorgt uns nämlich mit einem bunten Mix von Energie in Form elektromagnetischer Strahlung: Licht Wärme, UV-Strahlung,… Die jährliche Leistung unseres Sonnenofens beträgt dabei über den ganzen Planeten gemittelt 342 Watt pro Quadratmeter.

Knapp ein Drittel dieser Strahlung bewirkt allerdings überhaupt nichts: Eine Strahlungsleistung von 107 Watt pro Quadratmeter und Jahr wird ins Weltall zurückreflektiert (von Wolken, der Erdoberfläche und Aerosolen, also Partikeln in der Luft) ohne mit den Bestandteilen des Planeten Energie auszutauschen.

Unsere globale Energiebilanz

Die übrigen Strahlen mit einer Leistung von 235 Watt geben ihre Energie an die Erdoberfläche und die Atmosphäre ab. Mit dieser Energie kann nun beispielsweise Wasser verdunsten (es entstehen Wolken, die ihre Energie wiederum abgeben können, wenn sie abregnen), energiereiche Moleküle in Lebewesen entstehen oder es wird schlichtweg warm. Schlussendlich wird die gesamte Energie aber wieder in den Weltraum abgestrahlt.

Nach den zahlreichen Umwandlungen kommt die Energie jedoch nicht als breit gefächerter Strahlenmix wieder heraus, sondern vornehmlich in Form von langwelliger Wärmestrahlung. Die Gesamtleistung der abgegebenen Strahlung ist aber die selbe wie die jener Sonnenstrahlung, die zuvor von der Erde aufgenommen worden ist: 235 Watt pro Quadratmeter und Jahr.

Genau so hat eine ordentliche Bilanz auszusehen: Was reinkommt, geht auch irgendwo wieder raus und die Bilanz ist 0.


Abschätzung der jährlich und global gemittelten Energiebilanz der Erde. Langfristig wird die Menge an einfallender Sonnenstrahlung, die von der Erde und der Atmosphäre absorbiert wird, dadurch ausgeglichen, dass Erde und Atmosphäre die gleiche Menge langwelliger Strahlung wieder freisetzen. Ungefähr die Hälfte der einfallenden Sonnenstrahlung wird von der Erdoberfläche absorbiert. Die Energie gelangt in die Atmosphäre, wenn sich die Luft im Kontakt mit der Oberfläche erwärmt („Thermik“), sowie durch Verdunstung von Wasser („Evapotranspiration“ genannt) und durch langwellige Strahlung, die durch Wolken und Treibhausgase absorbiert wird. Die Atmosphäre wiederum strahlt langwellige Energie sowohl auf die Erde zurück, wie auch in den Weltraum hinaus. Bildquelle: Kiel und Trenberth (1997).

Die Erde: Ein gar nicht idealer schwarzer Körper

Wenn die Erde nun ein idealer schwarzer Körper wäre, könnte man mit einer physikalischen Gleichung, dem Stefan-Boltzmann-Gesetz, anhand der abgegebenen Strahlungsleistung berechnen, welche Temperatur ihre Oberfläche haben sollte.

Solch ein schwarzer Körper ist die Erde zwar nicht, aber dem doch immerhin so ähnlich, dass man die erwartete Oberflächentemperatur anhand dieses Gesetztes abschätzen kann. Und die Schätzungen der Wissenschaftler belaufen sich auf -19°C. Also im Mittel auf ständigen sibirischen Winter auf dem ganzen Planeten. Irgendwie passt das Stefan-Boltzmann-Gesetz also doch nicht so gut zu unserer Erde.

Treibhauseffekt…

Das liegt daran, dass dieses Gesetz nicht berücksichtigt, dass ein erheblicher Teil der wieder abgegebenen Wärmestrahlung von der Erdatmosphäre gleich wieder zur Erdoberfläche zurückgeworfen wird. Dort wird die Strahlung erneut von Wasser, Lebewesen und anderen Bestandteilen der Oberfläche aufgenommen und umgewandelt, ehe sie in einem zweiten Anlauf erneut abgegeben wird. Und auch davon wirft die Atmosphäre einen Teil gleich wieder zurück.

Statt eines ungehinderten Energieaustauschs gibt es also einen Rückstau: An der Erdoberfläche unter ihrer Atmosphärenhülle wird ein Teil der Sonnenenergie “zwischengelagert”. So ist es möglich, dass die Erdoberfläche in einem Jahr mehr Energie abstrahlt (mit 390 Watt pro Quadratmeter) als sie direkt von der Sonne erhält (235 Watt pro Quadratmeter).

Das “Mehr” resultiert aus jener Strahlung, die gleich wieder aus der Atmosphäre zurückkommt und noch einmal abgestrahlt werden kann. Die zwischengelagerte Energie können wir überdies direkt wahrnehmen: Dank ihr war es 1997 an der Erdoberfläche im Mittel nicht -19°C, sondern +14°C warm (Kiehl und Trenberth, 1997)!

Dieser wärmende Effekt kann auch ganz einfach in einem gläsernen Gewächshaus beobachtet werden: Hier übernehmen Glasdach und -wände die Rolle der Atmosphäre und werfen ursprünglich von der Sonne stammende Energie wieder zurück, bevor sie aus dem Glashaus entweichen kann. So wird es im Gewächshaus wesentlich schneller warm als draussen. Deshalb wird der ganze Vorgang auch “Treibhauseffekt” genannt.

…durch Treibhausgase

Besonders gut im Zurückwerfen von Wärmestrahlung ist das Gas Kohlenstoffdioxid, CO2. Das ist erst einmal ein natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre, der zum Beispiel durch Vulkanausbrüche oder die Ausscheidungen sauerstoffatmender Lebewesen da hinein gelangt.

Methan, CH4, ist ein weiteres solches Treibhausgas. Auch das kommt in der Natur vor: In Erdgas oder gebunden in Methanhydrat tief unter dem Permafrost Sibiriens oder am Meeresgrund, als Ausscheidung von Mikroorganismen als Faul- oder Sumpfgas oder Darm-Abgas von höheren Säugetieren (man denke an die furzenden Kühe).

Wie kann der Energiehaushalt der Erde verändert werden?

  1. Der Energiehaushalt des Planeten – insbesondere die Menge der “zwischengelagerten” Energie und damit die Temperatur an der Oberfläche – könnte vor allem durch Änderungen an drei Stellen beeinflusst werden.
  2. Durch Änderung des Einfalls von Sonnenstrahlen, zum Beispiel durch Veränderung der Erdumlaufbahn oder/und Achsenneigung
  3. Änderungen des Anteils reflektierter Sonnenstrahlen, zum Beispiel durch Veränderung der Landschaft bzw. der Schnee- und Eisdecken auf der Erdoberfläche
  4. Änderung der Menge von der Erde abgegebener langwelliger Strahlung – mit anderen Worten durch Änderung der Energiemenge, die von der Atmosphäre gleich wieder zurückgeworfen wird!

Wie entsteht natürlicher Klimawandel?

  1. Durch zyklische Änderung der Sonneneinstrahlung: Tatsächlich “eiert” die Erde ein wenig, d.h. ihre Drehachse schwankt wie die eines Spielzeugkreisels, der nicht perfekt senkrecht auf einer glatten Oberfläche kreiselt. Auch die Umlaufbahn der Erde um die Sonne selbst ist nicht unveränderlich: Sie verändert sowohl ihre Form als auch ihre Orientierung. Das alles geschieht jedoch in wiederkehrender Weise, und zwar in Zyklen von etwa 20’000 bis 100’000 Jahren. Also zu langsam, um für die drastischen Veränderungen in den letzten 100 Jahren verantwortliche zu sein.
  2. Durch Prozesse wie die tektonische Verschiebung von Kontinentalplatten. Die kann ganze Kontinente in eine andere Klimazone verschieben, sodass nicht nur das dortige Klima sondern als Konsequenz auch die Landschaft und damit die Reflektion der einfallenden Strahlen sich verändern. Durch die mit der Kontinentaldrift einhergehende Veränderung der Form und Grösse von Meeren werden zudem Meeresströme erzeugt, in ihrem Verlauf verändert und zum Versiegen gebracht. Das alles geschieht jedoch noch um ein Vieles langsamer als die Milankovic-Zyklen (s.1.)!
  3. Durch schwerwiegende Ereignisse wie Vulkanausbrüche oder Asteroideneinschläge: Wenn dabei grosse Mengen Treibhausgase wie CO2 freigesetzt und Russ- und Staubpartikel in die Luft befördert werden, kann das sowohl die Sonneneinstrahlung (mehr wird reflektiert: es wird dunkler und kälter auf der Erde) als auch den Treibhauseffekt (mehr Treibhausgase machen ihn grösser) beeinflussen.

Alles in allem reicht das sehr wahrscheinlich nicht als Erklärung für die bedeutsamen Veränderungen in den letzten 100 Jahren und diejenigen, die uns gemäss Berechnungen der Wissenschaftler noch bevorstehen können.

Wie entsteht von Menschen gemachter (anthropogener) Klimawandel?

Sehr wahrscheinlich ist die steigende Menge der von Menschen erzeugten Treibhausgase, allen voran CO2, die Haupttriebkraft für die menschengemachte Klimaerwärmung.

Kohlenstoffdioxid, CO2, gelangt durch Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen in die Luft: Durch das Verheizen von Kohle in Kraftwerken zur Stromerzeugung, die Verbrennung von Kraftstoffen aus Erdöl und -gas in Autos, Flugzeugen und Schiffen, durch das Abbrennen von Wäldern zur Gewinnung von Ackerflächen.

Strom wird wiederum produziert, weil er gebraucht wird: Zur Herstellung von Waren, um diese Waren von der Fabrik zu uns – die wir die Waren kaufen wollen – zu bringen und um sie benutzen (wenn es sich dabei um Elektrogeräte handelt). Deshalb wird heute für viele Dinge ein “CO2-Ausstoss” angegeben, obwohl sie selbst gar keinen Kohlenstoff verbrennen.

Methan, CH4, kommt aus unverbrannt freigesetztem Erdgas, den Darmgasen (“Furzen”) von Nutztieren und aus aufgrund der Erwärmung durch die anderen Ursachen auftauendem Methanhydrat.

Diese zusätzlichen Mengen Treibhausgase in der Atmosphäre werfen mehr langwellige Strahlung auf die Erde zurück – mehr Energie wird an der Oberfläche zwischengelagert: Es wird wärmer.

Wir Menschen tun auch Dinge, die der Erwärmung entgegen wirken

Winzige Staub- und Flüssigkeitspartikel (sogenannte Aerosole), die mit unseren Abgasen in die Atmosphäre gelangen, reflektieren mehr Sonnenstrahlen, bevor sie ihre Energie an die Erdoberfläche abgeben können. Die Veränderung von Landschaften – zum Beispiel durch das Abholzen von Wäldern – führen ausserdem dazu, dass die Erdoberfläche mehr Strahlen reflektiert, anstatt ihre Energie aufzunehmen.

Das Problem dabei: Wälder gehören zu den effektivsten CO2-Beseitigern unserer Erde. Die Pflanzen nehmen das Gas auf, verwenden den Kohlenstoff daraus für ihr eigenes Wachstum und scheiden den Sauerstoff wieder aus.

Alles in allem – so zeigen es die Beobachtungen der Klimawissenschaftler – überwiegt der wachsende Treibhauseffekt die anderen Auswirkungen unseres Treibens: Es wird schliesslich wärmer auf der Erde.


Wie wird sich das Klima weiter entwickeln?

Um diese Frage genau zu beantworten, müssten die Klimawissenschaftler alle Einzelheiten des ganzen komplexen Klimasystems in ihre Computer füttern und den bisherigen Verlauf der Klimaentwicklung für die Zukunft weiterrechnen lassen. Bevor sie aber so zu einem Ergebnis kämen, würde aber jeder Computer unweigerlich heiss laufen. Denn die ganze Wirklichkeit lässt sich unmöglich in all ihren Einzelheiten in einem unserer heutigen Computer abbilden.

Deshalb erschaffen die Wissenschaftler sogenannte Klimamodelle. Ein solches Klimamodell ist eine vereinfachte Version der Wirklichkeit, die genau genug ist, um wirkliche Verhältnisse passend zu beschreiben, aber einfach genug, um die Computer der Wissenschaftler nicht zu überfordern. Das kann erreicht werden, indem das Modell so geschaffen wird, dass es die Einzelheiten, die man damit zeigen will, besonders genau beschrieben werden – während weniger wichtige Details mitunter sehr ungenau gehalten werden.

Modelle fürs Klima sind wie Modelle in der Chemie

Wir Chemiker gehen auf die gleiche Weise vor, wenn wir Atommodelle verwenden: Wenn ich euch zeigen möchte, wie zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom in einem Wassermolekül angeordnet sind, genügt es, sich die Atome als massive Kugeln vorzustellen, die miteinander verbunden sind. Wie genau diese Atome aussehen, ist dabei erst einmal uninteressant.

Möchte ich euch dagegen erklären, was Ionen sind, brauche ich dazu zumindest ein Modell, das Atomkern und Elektronenhülle kennt, und wenn ihr wissen möchtet, warum das Natrium-Ion im Kochsalz genau eine positive Ladung trägt, werde ich um das Schalenmodell für die Elektronenhülle nicht herum kommen.

Jedes dieser Modelle eignet sich dafür, einen Teil der chemischen Wirklichkeit zu beschreiben, auch wenn alle Modelle irgendwo ihre Grenzen haben. Deshalb haben die Chemiker ihre Modelle im Laufe der Geschichte auch immer wieder verfeinert.

Berechnung verschiedener Szenarien

Das Gleiche gilt für die Klimamodelle der Klimawissenschaftler. Die füttern ihre immer wieder verfeinerten Modelle mit zusätzlichen Annahmen wie der Entwicklung der Weltbevölkerung und dem mehr oder weniger klimafreundlichen Verhalten dieser Menschen. Dann lassen sie ihre Computer das Ganze durchrechnen.

Dabei heraus kommen Entwicklungen, die mit grosser Wahrscheinlichkeit so zu erwarten sind.

Klimawandel im Modell
Die durchgezogenen Linien sind globale Multimodell-Mittel der Erwärmung an der Erdoberfläche (relativ zu 1980–99) für die Szenarien A2, A1B und B1, dargestellt als Verlängerungen der Simulationen für das 20. Jahrhundert. Die Schattierung kennzeichnet die Bandbreite von plus/minus einer Standardabweichung der einzelnen Modell-Jahresmittel. Die orange Linie stellt das Resultat des Experiments dar, bei dem die Konzentrationen auf Jahr-2000-Werten konstant gehalten wurden. Die grauen Balken auf der rechten Seite zeigen die beste Schätzung (durchgezogene Linie innerhalb des Balkens) und die abgeschätzte wahrscheinliche Bandbreite für die sechs SRES-Musterszenarien. (Quelle: Vierter Sachstandsbericht des IPCC, 2007, AG1: Wissenschaftliche Grundlagen)

Besonders bemerkenswert ist, dass selbst wenn die Einflüsse auf den Strahlungsaustausch auf den Werten des Jahres 2010 festgehalten würde (was längst eine völlig utopische Annahme ist – dazu müssten wir per sofort komplett aufhören, CO2 zu produzieren (blaue Kurve)), die Erwärmung nicht mehr rückgängig zu machen wäre (graue Kurve).

Und selbst unter den günstigsten Voraussetzungen (Szenario B1: Weltbevölkerung nimmt “nur” bis 2050 zu und unsere Entwicklung und Nutzung von Technik entwickelt stark in eine klimafreundliche Richtung) lässt sich die globale Erwärmung allenfalls verringern – aber nicht mehr verhindern.

Welche Folgen hat der Klimawandel?

  • Durch die veränderte Verteilung von Niederschlägen verändert sich in den betroffenen Gebieten die Süsswasser- und damit die Trinkwasserversorgung. Zunehmend feuchte Gebiete mögen mehr, zunehmend trockene Gebiete weniger Trinkwasser für ihre Einwohner zu bieten haben.
  • Die lebenden Bewohner der Erde sind bis zu einem gewissen Grad in der Lage, sich Veränderungen ihrer Umwelt oder Naturereignissen anzupassen: Sie sind gegenüber solchen Unwägbarkeiten widerstandsfähig. Durch die relativ schnellen Veränderungen im Klimasystems wird diese Widerstandsfähigkeit aber hart auf die Probe gestellt. Die Gefahr, dass einzelne Lebewesen oder ganze Ökosysteme diese Probe nicht bestehen und aussterben, nimmt zu.
  • Durch das veränderte Klima verändert sich auch die Menge der Feldfrüchte, die in den betroffenen Regionen geerntet werden kann. Besonders in armen Regionen der Welt werden die Ernteerträge sinken und die geernteten Nahrungsmittel teurer werden. Was sich auf den Schweizer Äckern und Gärten verändern kann, könnt ihr bis Ende Mai 2019 im “Klimagarten2085” in der Hochschule Rapperswil mitverfolgen: Hier werden eine Klimaerwärmung um +3°C bzw. um +6,5°C und veränderte Niederschlagsmengen in öffentlich zugänglichen Gewächshäusern mit verschiedenen Nutz- und Gartenpflanzen simuliert.
  • Besonders gravierend verändern sich Küstenregionen: Durch einen steigenden Meeresspiegel werden Küsten abgetragen, für Landpflanzen unverträgliches Salzwasser in Küstenlandschaften gedrückt oder Gebiete gänzlich überflutet. Und viele bedeutende Städte, die direkt an der Meeresküste liegen, wären davon betroffen!
  • Der Gesundheitszuständ der Menschheit wird beeinträchtigt: Unterernährung und Wetterextreme tragen dazu bei, dass sich Krankheiten leichter verbreiten können.
  • Die zuvor genannten Folgen fallen auch der Wirtschaft zur Last: Land- und Forstwirtschaft müssen sich mit veränderter Wasserversorgung und Ertragsveränderungen auseinandersetzen, der Tourismus mit der Veränderung von Landstrichen, insbesondere von Küsten, das Gesundheitswesen mit Unterernährung und Krankheiten, Energieversorger, Verkehrs- und Bauwesen mit Wetterextremen und vielen weiteren Veränderungen. Gemäss des “Stern Review” könnten künftig weltweit 5-20% der Wirtschaftsleistung für die Bewältigung von “Klimaschäden” aufgewendet werden – wenn nichts getan wird, um ihnen vorzubeugen. Und die Wissenschaftler sind sich einig: Vorbeugen käme da in jedem Fall günstiger.

Was können wir dagegen tun?

Die Klimaveränderungen einzig verhindern oder auch nur bremsen zu wollen, wird nicht mehr genügen. Wir werden uns den unaufhaltsamen Veränderungen unweigerlich anpassen müssen. Nur gut, dass der Mensch grundsätzlich ein äusserst anpassungsfähiges Wesen ist!

Und den Klimawandel sowohl bremsen als auch sich anpassen können wir alle, jeder einzelne von uns: Indem wir unseren oftmals leichtfertigen Verbrauch von Energie und Gütern verringern und sparsame, klimafreundliche technische Neuentwicklungen und sogenannte erneuerbare Energien nutzen.

Wenn wir das tun, wird die Wirtschaft sich schliesslich uns anpassen: Die Wirtschaft stellt nämlich das her, was wir “auf dem Markt” suchen und kaufen. Dabei zu beachten ist allerdings, dass viele raffinierte Werbemenschen uns einzureden versuchen was wir suchen, damit wir kaufen, was sie herstellen! Sich klimafreundlich verhalten kann also auch heissen, darauf zu achten, sich nichts unnötiges einreden zu lassen.

Und wenn ihr zufällig raffinierte Werbemenschen seid, dann redet den Leuten doch ein, dass die klimafreundliche Dinge brauchen – damit wäre dann allen geholfen.

Denn der Wirtschaft wird ja gerne nachgesagt, dass sie die Politik bestimmt. Und wenn die Wirtschaft klimafreundliche Dinge tut und produziert, weil wir die haben wollen, werden sich die Politiker spätestens dann auch danach richten.

Was könnt ihr konkret machen, um das Klima zu schützen?

Es gibt unzählige Mittel und Wege, wie wir klimaschonend leben und Energie sparend leben können. Und jede Familie bzw. jeder Haushalt mag seine ganz eigenen Baustellen haben, an welchen jeweils mehr oder weniger bewegt werden.

Einige Schweizer Kantone haben dazu eine spannende Infoseite voller Tipps für euch zusammengestellt. Auch die folgenden, hier sehr kurz gehaltenen Vorschläge findet ihr darunter wieder:

  • Mit klimaschonenden bzw. energieeffizienten Verkehrsmitteln und in Massen reisen
  • Mit klimaschonenden bzw. energieeffizienten Verkehrsmitteln zur Arbeit/Schule pendeln
  • In der näheren Umgebung hergestellte Lebensmittel verwenden
  • Moderne, energieeffiziente Elektrogeräte und Lampen verwenden
  • Unnötigen Stromverbrauch vermeiden (nicht gebrauchte Geräte abschalten!)
  • Und wenn ihr Hausbesitzer, Vermieter oder Bauherren seid: energieeffizient bauen und renovieren

Und wie steht ihr zum Klimaschutz? Was macht ihr bereits? Was könntet/werdet ihr noch tun?

Einkochen und Einwecken mit Mehl - Warum geht das nicht?

Kürzlich hat meine Leserin Pia geäussert, was ich daraufhin vielfach in Foren zum Einkochen wiedergefunden habe:

Beim Einkochen (Einwecken) darf man nichts mit Mehl binden – das säuert. Aber Kuchen mit Mehl kann man einkochen. Auch Brot und Nudeln darf man – überall Mehl drin. Nur die Sauce darf nicht mit Mehl … warum nicht?

Eine spannende Frage – die mich veranlasst hat, mich näher mit der Physik und Chemie des Einkochens zu beschäftigen.

Einkochen: Wieso? Weshalb? Warum?

Durch Einkochen oder Einwecken werden Lebensmittel haltbar gemacht. Die sind nämlich nicht nur für uns äusserst nahrhaft, sondern auch für allerlei Mikroorganismen. Die nisten sich in Lebensmitteln ein, verändern ihr Aussehen und ihren Geschmack in oft nicht gewünschter Weise, und machen uns im schlimmsten Fall auch noch krank.

Eine einfache Methode, diese Störenfriede loszuwerden, ist, sie mitsamt ihrer Umgebung so gründlich zu erhitzen, dass sie selbst gekocht werden und damit absterben. Die meisten Lebewesen bestehen nämlich aus Proteinen, die ab 42°C ihre Form und damit ihre Funktionsfähigkeit verlieren: Sie denaturieren. Und damit ist es dann vorbei mit Leben. Wenn man dann noch dafür sorgen kann, dass es auch so bleibt…

Konservieren durch Erhitzen

Zum Einkochen werden die Lebensmittel in Gläsern erhitzt, die mittels eines Dichtungsringes oder Schraubdeckels luftdicht verschlossen werden können. Dabei dehnen sich Luft und allenfalls entstehender Wasserdampf (dank der Anomalie des Wassers auch flüssiges Wasser ein wenig) aus und können sich notfalls an der Dichtung vorbei nach draussen zwängen.

Sobald solch ein Glas jedoch abkühlt, zieht sich die Luft darin zusammen (und allfälliger Wasserdampf kondensiert zu flüssigem Wasser). So entsteht im Glas ein Unterdruck, der dafür sorgt, dass die Dichtung fest gezogen wird. Nun kann nichts mehr aus dem Glas hinaus oder hinein. Auch keine Mikroorganismen oder ihre Sporen.

Damit ist sicher gestellt, dass nicht nur alle Bakterien und Pilze im Einkochgut tot sind, sondern auch keine neuen mehr hinein gelangen können. Um dessen wirklich sicher zu gehen, erhitzt man das Einkochgut entsprechend gründlich und lange (in der Regel auf 100°C, die Siedetemperatur von Wasser bei Atmosphärendruck). So soll auch das Innerste eines Einmachglases warm genug werden, um lebensfeindlich zu sein.

Die Industrie gibt dem Ganzen einen Namen

Der deutsche Chemiker Rudolf Rempel hat das Einmachglas Ende des 19. Jahrhunderts erfunden und sich 1892 patentieren lassen – und starb ein Jahr darauf mit nur 34 Jahren. So kam es, dass der Unternehmer Johann Carl Weck das Patent erwarb und zum ersten industriellen Hersteller von Einmachgläsern und Zubehör wurde. Mit dem Namen Weck verbreitete sich bald der Begriff “Einwecken” für die Verwendung der Gläser.

Inzwischen hat das “Einwecken” Eingang in den Duden gefunden und darf damit als allgemeingültiger Teil der deutschen Sprache als Synonym für das Einkochen verwendet werden – ganz gleich welche Gläser man dazu benutzt. Anders verhält es sich jedoch mit dem Wortteil “Einweck-“. Der ist nach wie vor geschützt. Ein Einweckglas oder einen Einweckring gibt es somit bis heute nur von der Firma Weck.

Und wenn sich jetzt die österreichischen Leser fragen, wovon ich eigentlich schreibe: Bei euch war im frühen 20. Jahrhundert die Rex-Konservenglas-Gesellschaft Hersteller Nummer 1 für Einmachgläser. So hat sich in Österreich der Begriff “Einrexen” eingebürgert.

Warum klappt das Einwecken nicht mit Mehl?

Mehl enthält Amylasen: Das sind Enzyme, also Proteine, welche die langen Stärke-Ketten in kürzere Einfach- oder Zweifachzucker spalten können.

Strukturformel Stärke bzw. Amylose
Einfaches Stärkemolekül (“Amylose”) – eine Kette aus Glucose-Molekülen, hier als Sechsringe dargestellt.

Der Name verrät uns das: Die unverzweigte Form der Stärke nennen die Chemiker auch Amylose, wobei die Endung “-ose” auf ein Kohlenhydrat hinweist. Die verzweigte Form dieser Molekülketten nennen sie hingegen Amylopektin. Die Endung “-ase” der Amylase weist hingegen auf ein Enzym hin, das spaltet bzw. zerlegt, was im Namen davor steht.

Wie kommen solche Enzyme in das Mehl?

Die Amylasen sind ein wichtiger Bestandteil von Getreidekörnern. Sie werden von der Mutterpflanze darin eingelagert, damit sie die Stärke im Samenkorn spalten können. Denn der Keimling, der daraus wächst, kann nur mit kleinen Zuckermolekülen etwas anfangen.

So lange die Amylasen funktionsfähig sind (und das bleiben sie beim Mahlen und bei vielen Vorgängen der Lebensmittelzubereitung auch), machen sie ihren Job jedoch auch in Lebensmitteln. Dabei entstehen aus Stärke und Wasser kleinere Zuckermoleküle wie z.B. Maltose (Malzzucker), ein Zweifachzucker aus zwei Glucose-Einheiten.

Ein Maltose-Molekül besteht aus zwei Glucose-Ringen

Zucker sind süss. Warum wird dann das Eingemachte sauer?

Geschmacksveränderungen in verderbenden Lebensmitteln sind in der Regel die Folge von Gärung. Dabei erzeugen wie Bakterien und Hefen aus den Lebensmittelbestandteilen neue Stoffe, die anders schmecken. Die beiden wichtigsten Gärungsprozesse sind die alkoholische (hierbei entsteht der “Trinkalkohol” Ethanol) und die Milchsäuregärung (hierbei entsteht Milchsäure bzw. das Lactat-Anion). Und zwar ganz ohne Sauerstoff-Zufuhr.

Wie die alkoholische Gärung genau funktioniert, könnt ihr hier nachlesen und im Experiment gleich selbst beobachten. Dabei zeigt sich, dass als Nebenprodukt des Gärprozesses das Gas Kohlenstoffdioxid, CO2, entsteht. Und mit der Entstehung von Gas erhöht sich der Druck im Einmachglas – bis der Verschluss undicht wird.

Um das zu bewerkstelligen, brauchen die Mikroben Zucker aus kleinen Molekülen. Ergo solche Zucker, wie die Amylasen ihn aus der Stärke freisetzen. Nicht inaktivierte Amylasen können also nicht nur Pflanzenkeimlinge, sondern auch Mikroorganismen wie Bakterien und Hefen ernähren.

Bakterien und Hefen im Einmachglas?!

Nun sollte man annehmen, dass Amylasen im Einmachglas kein Problem darstellen sollten. Schliesslich werden beim Einkochen die Mikroben im Einmachgut totgekocht. Und an diesem Punkt sind alle meine bisherigen Recherchen ins Leere gelaufen.

So bleibt mir als Erklärung letztendlich nur der Umstand, dass auch der Einkochvorgang keine perfekte Konservierung ermöglicht. Irgendwo wird da immer die ein oder andere Zelle überleben. Oder zumindest ihre Enzyme für die Gärung werden nicht vollständig unbrauchbar gemacht (sind die richtigen Enzyme beisammen, funktioniert Gärung nämlich auch ohne Zellen).

Wenn diese letzten Überlebenden nichts zu futtern haben, können sie jedoch nichts – oder nur sehr, sehr langsam etwas – ausrichten. Mit einer Zuckerquelle aus Stärke samt Amylasen können diese Mikroben jedoch mit der Gärung beginnen und sich womöglich sogar etwas vermehren. Dabei muss nicht all zu viel CO2 entstehen, um den Unterdruck im Einmachglas aufzuheben. Und schon können weitere Mikroorganismen durch den undichten Verschluss eindringen, sich vermehren und im Einmachgut eine grosse Biochemie-Party schmeissen. Dabei entstehen dann noch mehr Stoffe, darunter noch mehr Gas, was den Verschluss um so undichter werden lässt…

Kurzum: Stärke mit Amylasen ist demnach nicht Voraussetzung für eine Gärung im Einmachglas, sondern beschleunigt sie “bloss” um ein Vielfaches.

Wie kann man das Stärke- Desaster verhindern?

  • Stärke ohne Amylasen verwenden: Stärke ohne Enzyme gibt es sicher für den Laborbedarf, (bio-)synthetisch hergestellt oder entsprechend gereinigt. Für den Hausgebrauch in der Küche aber viel zu teuer.
  • Saucen und anderes erst nach dem Einkochen mit Mehl binden: Dem Einmachglas ist die Konsistenz der Speisen egal. Die können daher auch erst beim Wiederaufwärmen kurz vor dem Verzehr angedickt werden.
  • Mehl und Mehlspeisen so stark erhitzen, dass die Amylasen sicher denaturiert werden: Dazu sind Temperaturen von deutlich mehr als 100°C nötig! Gebackenes Brot oder Kuchen sind daher durch und durch amylasefrei – die werden im Ofen heiss genug. Auch bei der Herstellung von trockenen Teigwaren (Nudeln, Pasta) scheinen die Amylasen beseitigt zu werden. Und wer nicht auf eine Mehlschwitze zum Andicken verzichten will, kann diese in Pflanzenöl ansetzen. Öl wird in der Pfanne nämlich heisser als wasserhaltige Butter und kann so die nötigen Temperaturen erreichen.
  • Wirklich lange und gründlich einkochen: Die in der Literatur empfohlenen Kochzeiten mindestens einhalten! Dabei steigt nicht nur die Wahrscheinlichkeit, möglichst viele Amylasen auszuschalten, sondern auch die Mikroben sterben zu einem grösseren Anteil ab. Der Nachteil: Je zerkochter die Mikroben werden, desto zerkochter wird auch das restliche Einmachgut.
  • Einen Dampfdrucktopf zum Einkochen verwenden: Unter steigendem Druck steigt auch der Siedepunkt von Wasser. Das Gargut wird damit heisser als im offenen Kochtopf. So gart es nicht nur schneller, sondern auch gründlicher: Die zur Denaturierung von Amylasen notwendige Temperatur kann so womöglich erreicht werden.

Wirklich sicher (und praktikabel) ist jedoch nur der zweite Vorschlag – auf Mehl, welches nicht gebacken wurde, beim Einkochen ganz zu verzichten.

Und welche Erfahrungen habt ihr beim Einkochen mit oder ohne Mehl schon gemacht? Wisst ihr bezüglich der Folgen des Vorhandenseins von Amylasen im Einmachgut mehr als ich?

Zeolithe: Wo die nützlichen Steine uns im Haushalt helfen

Zeolithe sind nicht nur im Haushalt äusserst nützlich. Auch als Nahrungsergänzungsmittel für Entgiftungskuren ist “Zeolith” überaus populär. Da diese Anwendung dieser vielseitigen Stoffgruppe hier aber den Rahmen sprengen würde, kommt ein zweiter Artikel zu Zeolithen und Detox nächste Woche!

Was ist eigentlich in unserem Waschpulver drin? Diese Frage kam neulich beim Nachtessen mit der Schwiegermutter auf. Na klar: Seife. Oder in der Chemiker-Sprache: Tenside. Und über deren Super-Waschkraft habe ich hier ja schon geschrieben. Aber nachsehen schadet ja nichts, dachte ich. Und siehe da: Mein Universal-Waschpulver vom orangen M enthält nur 5-20% Tenside – und 15%-30% Zeolithe. Was ist das denn nun schon wieder?

Was sind Zeolithe?

Laut Definition im Chemiebuch oder auf Wikipedia sind Zeolithe eine Gruppe von “kristallinen Alumosilikaten”… mit anderen Worten: Steine. Und zwar Steine, welche die chemischen Elemente Silizium und Aluminium enthalten. Das ist an sich nichts besonders, sind Silizium und Aluminium doch das zweit- und dritthäufigste Element in der Erdkruste.

So hübsch sind Zeolithe selten: Natrolith aus meiner Mineraliensammlung – ein natürlicher Zeolith auf Basalt. Dieses Grundgestein hat Naturzeolithen auch die Bezeichnung als “natürliches Vulkangestein” eingebracht.

Das Ionengitter der Zeolith-Kristalle, aus welchen diese Steine bestehen, ist allerdings ein ganz besonderes: Es enthält grosse Lücken, die den ganzen Kristall zu einem porösen Schwamm machen!

Wie sind Zeolith-Kristalle aufgebaut?

Die allgemeine Verhältnisformel der Zeolithe lautet:

Mn+x/n [(AlO2)x (SiO2)y. z H2O

Ein Schweizer Käse aus Si- und Al-Atomen

Der Inhalt der eckigen Klammer beschreibt das eigentliche Kristallgitter: Es besteht aus Silizium (Si)-, Aluminium (Al)- und Sauerstoff (O)-Atomen, wobei auf x Silizium-Atome stets y Aluminium-Atome kommen. Jedes dieser Atome ist mit vier Sauerstoffatomen verbunden (die wiederum werden dazu je zweimal verwendet, weshalb die Formel nur 2 Sauerstoff-Atome je Metallatom enthält). Anders eingeteilt besteht das Zeolith-Gitter somit einander überlappenden Sauerstoff-Tetraedern mit je einem Silizium- oder Aluminiumatom im Zentrum.

Molekülmodell: Tetraeder

Molekülmodell in Form eines Tetraeders: Die vier weissen Kugeln befinden sich in den vier Ecken dieses geometrischen Körpers, die pinke Kugel liegt in dessen Zentrum.

Wer sich ein etwas mit organischer Chemie auskennt (da sind es Kohlenstoff-Atome, die mit ihren Nachbarn Tetraeder bilden), weiss, dass man aus Tetraedern die vielfältigsten Gerüste bauen kann. Deshalb gibt es ein wahres Sammelsurium von Zeolithen:

60 natürlich vorkommende Mineralien gehören zu dieser Gruppe, über 150 weitere sind von Chemikern entworfen und künstlich hergestellt worden!

Sie alle haben eines gemeinsam: Ihre Gitter umfassen mehr oder weniger grosse Hohlräume – ein richtiger molekularer Schweizer Käse. In Waschmitteln findet man vor allem der synthetische Zeolith A, dessen Kristallgitter so aussieht:

Kristallgitter von Zeolith A

Jede Ecke in der Skizze steht für ein Silizium- oder Aluminium-Atom. Die Sauerstoff-Atome sind dazwischen entlang der Verbindungslinien angeordnet.

Grundbaustein der Zeolithe: Sodalith-Käfig mit Si-, Al- und O-Atomen
Ein Element des Zeolith-A-Gitters mit eingezeichneten Atomen

In der Mitte zwischen acht dieser Einheiten bleibt ein relativ grosses Loch, dessen Wände die Chemiker als alpha-Käfig” bezeichnen.

Gitter des Zeolith A mit markiertem alpha-Käfig
Die Wände des Alpha-Käfigs in diesem Ausschnitt aus dem Zeolith-A-Gitter sind dunkel eingefärbt.

Im Zeolith A sind ebenso viele Silizium- wie Aluminium-Atome enthalten – die Verhältnisformel für diesen Zeolith lautet damit:

Na12((AlO2)12(SiO2)12) · 27 H2O

Zeolith-Kristalle sind Riesen-Anionen

Wenn ihr euch die allgemeine Verhältnisformel der Zeolithe oder die für Zeolith A genauer angesehen habt, ist euch vielleicht das “-” an der Aluminium-Einheit aufgefallen. Richtig: Jeder Aluminium-Tetraeder im Gitter trägt eine negative elektrische Ladung. Damit ist das ganze Kristallgitter eines Zeoliths ein einziges riesiges und tausendfach geladenes Anion!

So etwas lässt die Natur aber nicht einfach frei und einsam existieren…entgegengesetze Ladungen müssen für den Ausgleich her. Hier kommen die positiven Metall-Ionen Mn+, die ganz links in der Verhältnisformel stehen, ins Spiel. Für jede negativ geladene Aluminium-Einheit muss ein einfach positiv geladenes (n = 1) Metall-Ion her. Wenn mehrfach positiv geladene (n > 1) Metall-Ionen zur Hand sind, ist die Anzahl x der Aluminium-Einheiten durch die Ladungszahl der Metall-Kationen zu teilen (x/n).

Zeolith A enthält einfach geladene Na+-Ionen – 12 davon für 12 Aluminium-Einheiten, die in den Lücken im Gitter Platz finden und sich locker um das negativ geladene Gerüst herum anordnen.

Zeolithe sind molekulare Schwämme

Ausserdem ist in den Lücken noch reichlich Platz für Wassermoleküle. Die finden sich ganz rechts in der Verhältnisformel wieder. Die Wassermoleküle umhüllen sowohl die Metall-Kationen als auch das Gitter selbst, was den Metallionen den Aufenthalt im Gitter erst richtig gemütlich macht (eine Wasserhülle (in Chemikersprache: “Hydrathülle”) um ein wasserlösliches Ion enthält weniger Energie als das Ion ohne Hülle, was den umhüllten Zustand erstrebenswerter macht).

Durch Erhitzen können diese Wassermoleküle jedoch zum Verdampfen gebracht werden und den Kristall verlassen. Das ist eine charakteristische Eigenschaft von sogenanntem “Kristallwasser”, das einer chemischen Formel mit einem “*” bzw. Multiplikations-Punkt angehängt wird.

Auf eine Grundeinheit des Zeolith-A-Gitters kommen so normalerweise 27 Wassermoleküle.

Was hat die grosse Menge Zeolith A in Waschmitteln zu suchen?

Zeolithe können Wasser enthärten!

Die Hohlräume der Kristalle der Zeolithe enthalten von Wasser umhüllte Natrium-Ionen. Diese Ionen sind damit regelrecht im Kristallwasser gelöst. Das macht sie leicht darin beweglich. Tatsächlich können sie sich durch den ganzen Kristall und hinaus bewegen. Wenn sich nun andere Metall-Ionen finden, die es in einem Zeolith-Kristall noch behaglicher finden, können die Natrium-Ionen deshalb ganz leicht gegen solche ausgetauscht werden.

Und in unserem Leitungswasser, mit welchem wir unsere Wäsche waschen, finden sich solche Ionen zuhauf. Es ist schliesslich mehr oder weniger “hart” – es enthält Kalk: Calciumcarbonat, genauer gesagt Calcium- (Ca2+) und Carbonat- (CO32-) Ionen.

[Für die Chemiker unter euch: Carbonat CO32- ist natürlich eine Base und reagiert mit Wasser zu Hydrogencarbonat- (HCO3) und Hydroxid-Ionen (OH) weiter, anstatt einfach gelöst zu werden. Aber das ist hier für einmal nicht von Bedeutung.]

Zusammen bilden diese beiden die gefürchteten Kalkbeläge, welche die Leitungen in unseren Waschmaschinen verstopfen und die Wäsche steif machen können. So etwas will keiner haben.

Wenn Zeolithe im Waschwasser sind, machen es sich die Calcium-Ionen jedoch lieber in den Hohlräumen des Zeolith-Gitters gemütlich und verdrängen dabei die Natrium-Ionen aus dem Zeolith A. Einen vollständigen Austausch von Natrium- gegen Calcium-Ionen könnte man so beschreiben:

Na12((AlO2)12(SiO2)12) · 27 H2O + 6 Ca2+(aq) –> Ca6((AlO2)12(SiO2)12) · 27 H2O + 12 Na+(aq)

Nachdem die Calciumionen sich im Zeolith eingerichtet haben, bleiben im Wasser Natrium- und Carbonat-Ionen zurück. Und Natriumcarbonat (auch als “Soda” bekannt) ist sehr gut wasserlöslich. So lagert es sich weder in der Maschine noch in der Wäsche ab und kann einfach fortgespült werden.

Das Gleiche geschieht mit dem Zeolith-Pulver. Das ist zwar nicht wasserlöslich, aber so fein gemahlen, dass es einfach mit weggeschwemmt wird.

Womit hat man früher Wasser enthärtet?

Künstliche Zeolithe wie Zeolith A kommen erst seit den späten 1970er Jahren in Waschmitteln zum Einsatz. Davor haben Gerüste aus Phosphor und Sauerstoff – also Phosphate – diese Aufgabe übernommen. Die Phosphat-Gerüste neigen allerdings dazu zu zerfallen, was sie zu ergiebigen Nährstoffen für Pflanzen macht.

Als solche Phosphate vermehrt mit Abwässern in die Umwelt gelangten, wurde das rasch zum Problem: Die Nährstoff-Schwemme führte zu Überdüngung und brachte viele ökologische Systeme aus dem Gleichgewicht. So wurden die Phosphate zunehmend durch Zeolithe ersetzt. Denn letztere sind schliesslich Steine – die taugen nicht als (unnötiger) Dünger.

Einen Haken haben Steine aber dennoch: Sie sind wasserunlöslich. Damit gelangt das ganze Zeolith-Pulver unverändert mit dem Abwasser in die Kläranlagen…und was gibt pulverisiertes Gestein in Wasser? Richtig: Schlamm. Und der sammelt sich in den Klärbecken. Seit Zeolithe in Waschmitteln zum Einsatz kommen, müssen Klärwerke deshalb mit merklich mehr Klärschlamm fertig werden – Grund genug, auch phosphatfreie (und zeolithhaltige) Waschmittel nicht in übertriebenen Mengen einzusetzen.

Zeolithe als Helferlein im Katzenklo

Habt ihr Katzen daheim? Dann kennt ihr Zeolithe wahrscheinlich auch von anderswo. Nämlich aus dem Zoohandel. Da wird nämlich gerne ein Naturzeolith (also ein natürlich vorkommendes Mineral) namens Klinoptilolith als Katzenstreu angeboten.

Die porösen Kristallgitter lassen sich nämlich nicht nur als Ionenaustauscher nutzen, sondern auch wie ein richtiger Schwamm! Das geht dann besonders gut, wenn der Zeolith etwa ebenso viele Silizium- wie Aluminiumatome enthält. Das synthetische Zeolith A ist ein gutes Beispiel dafür: Hier ist das Verhältnis zwischen Silizium und Aluminium 1:1. Aber auch Klinoptilolith mit 5:1 ist noch ein wunderbarer Schwamm.

Diese Zeolithe sind nämlich wahnsinnig heiss darauf, ihre Poren mit zusätzlichem Wasser aus ihrer Umgebung zu füllen (buchstäblich: Da es das Wasser in den Poren so bequem hat, wird eine Menge Energie, genannt “Adsorptionswärme”, dabei frei.

Doch damit nicht genug: Mit dem Wasser saugen sie auch vieles auf, was darin gelöst ist. Zum Beispiel Geruchsstoffe im Katzenurin. So werden die Nasen der menschlichen Dosenöffner geschont, während die Katze ihr Geschäft in natürlichem Gesteinsschutt verscharren kann.

Von Zeolith-Katzenstreu zu Pflanzenerde

Natürlicher Gesteinsschutt, der Wasser und überdies noch Nährstoffe (Urin, auch von Katzen, enthält naturgemäss Stickstoffverbindungen) speichert, kann zudem als Bestandteil von Pflanzenerde nützlich sein (andere formstabile Wasserspeicher sind “Superabsorber” aus organischen Polymeren (“Kunststoffen”), die ich in diesem Experiment als Ersatz für Pflanzenerde verwendet habe). Deshalb gilt Katzenstreu aus Naturzeolithen als geeignet für den Kompost.

Eigentlich sollte für synthetische Zeolithe dasselbe gelten – es handelt sich dabei schliesslich um Designer-Steine. Aber “natürlich” hat nunmal die weitaus grössere Werbewirkung – und ist in diesem Fall überdies billiger. Naturzeolithe kommen nämlich nahe der Erdoberfläche vor und können im Tagebau gewonnen werden (mit allen Konsequenzen für die Landschaft). Das künstliche Nachstellen der Entstehung von Steinen – so werden synthetische Zeolithe gemacht – ist hingegen ziemlich aufwändig. Mehr zum Vergleich von natürlichen und synthetischen Zeolithen findet ihr hier.

Zeolith im Geschirrspüler

Die “Saugfähigkeit” von Zeolithen wird seit einigen Jahren auch in der Küche genutzt. Hier kommt eine fest eingebaute Schale mit Zeolith-Pellets in der Spülmaschine zum Einsatz. Und zwar zur energiesparenden Trocknung.

Die Idee dahinter: Nach dem Spülgang ist das Maschineninnere samt Geschirr und Luft noch nass. Ein Ventilator bläst diese feuchte Luft durch den Behälter mit dem Zeolith, welcher das Wasser “aufsaugt” und dabei eine grosse Menge (Adsorptions-)Wärme abgibt. Die Luft kommt also trocken und warm in den Geschirrspüler zurück und bringt dort weiteres Wasser zum Verdampfen, das anschliessend vom Zeolith aufgenommen werden kann.

Beim nächsten Spülgang wird dagegen der Zeolith geheizt, sodass das Wasser aus den Poren im Kristallgitter verdampft und in den Geschirrspüler zurückgeführt werden kann. So wird der Zeolith für die nächste Trocknung wieder einsatzbereit gemacht.

Das Ganze gilt als sehr energieeffizient – allerdings liest man im Netzt viele Berichte über Geschirrspüler Zeolith-Trocknung (zum Beispiel hier und hier), die bereits nach drei bis fünf Jahren reif für eine unwirtschaftlich teure Reparatur sind. Ob diese Berichte repräsentativ sind, kann ich natürlich nicht sagen – aber es scheint, als wäre diese Technologie noch ausbaufähig.

Schaden oder nützen Zeolithe der Gesundheit?

Mehr dazu gibt es nächste Woche im zweiten Teil über Zeolith für Detox-Kuren!

Und wo sind euch Zeolith bzw. Zeolithe bislang begegnet?