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!

Vor etwa einem Monat fand ich einen skurril anmutende Post in meinem Facebook-Feed: Die Tierschutzorganisation PETA wurde für die Auszeichnung eines veganen Hundefutters auf Soja-Basis als “tierfreundlichste Hundenahrung” heftig kritisiert. Veganes Hundefutter? Ist denn das die (bzw. eine) Möglichkeit?

Wie bei vielen Themen aus den Bereichen Ernährung, Gesundheit und Tierschutz üblich ging es auch in den Kommentaren zu jenem Beitrag heftig zu und her – wobei die Kommentierenden zu grossen Teilen in die Kritik an PETA mit einstimmten und die Ansicht teilen, dass vegane Ernährung für den Hund vollkommen widernatürlich sei.

Als bekennende Alles-Esserin beschlich mich indessen beim Lesen der Kommentare Ratlosigkeit: Was wäre denn die natürliche Nahrung für einen Haushund? Und was braucht so ein Hund eigentlich für ein gesundes Leben? Kann vegane Hundenahrung das alles liefern? Und wie sieht das bei Katzen aus?

 

Was ist Veganismus?

Veganismus ist eine aus dem Vegetarismus hervorgegangene Einstellung sowie Lebens- und Ernährungsweise. Vegan lebende Menschen meiden entweder zumindest alle Nahrungsmittel tierischen Ursprungs oder aber die Nutzung von Tieren und tierischen Produkten insgesamt.

(Definition aus https://de.wikipedia.org/wiki/Veganismus)

Demnach gibt es mindestens zwei “Grade” der veganen Lebensweise: Die vegane – also tierproduktfreie – Ernährung, und das Meiden der Nutzung von Tieren und tierischen Produkten in vielen bzw. allen Lebensbereichen. Dabei lässt allein der Bedarf nach veganen Futtermitteln vermuten, dass es bei der veganen Einstellung über die Ernährung hinaus verschiedene Abstufungen gibt. Denn es ist gewiss nicht von der Hand zu weisen, dass die Haltung von Haustieren letztlich auch unter die “Nutzung von Tieren” fällt.

Hier möchte ich jedoch bei der veganen Ernährung bleiben. Ob und wie diese funktioniert, unterscheidet sich bei Mensch und Hund weniger, als manche denken mögen. Deshalb machen hier die menschlichen Nahrungsbedürfnisse und Ernährungsmöglichkeiten, welche einem verantwortungsvollen Veganer bestens vertraut sein sollten, den Anfang – und können sodann mit den Bedürfnissen unserer vierbeinigen Hausgenossen verglichen werden.

 

Was ist die natürliche Nahrung des Menschen?

Der Mensch unterscheidet sich von anderen Tieren in seinem aussergewöhnlich grossen Gehirn, das zu atemberaubenden Denkleistungen fähig ist, dabei aber Unmengen von Energie frisst, welche fortlaufend vom Rest des Körpers bereitgestellt werden muss. So ist der Mensch auf eine regelmässige Zufuhr energiereicher Nahrung angewiesen, und zwar überall, wo ihn seine Wanderlust und sein Streben nach Verbreitung hinverschlägt.

Ein Wesen mit hohem Energiebedarf und Verbreitungswillen tut also gut daran, in möglichst jeder Umgebung etwas – besser etwas mehr – zu futtern zu finden, wobei ihm sein ausgeprägtes Denkvermögen eine wertvolle Hilfe sein kann. Damit lässt sich allemal erklären, dass der Mensch zum Einen praktisch die ganze Erde besiedeln konnte, und dass zum Anderen die heute verbliebenen Volksstämme mit einer “urtümlichen” Lebensweise massiv unterschiedliche, aber ihrem Lebensraum bestens angepasste Speisepläne haben. Das Spektrum reicht von teilweise vegetarisch lebenden afrikanischen Stämmen bis zu den praktisch ausschliesslich Fleisch und Fisch essenden Inuit der Arktis.

Kurzum: Der Mensch ist einer der am wenigsten spezialisierten und damit anpassungsfähigsten Allesfresser unseres Planeten. Und das versetzt ihn auch in die Lage, die verschiedensten Ernährungsphilosophien zu ersinnen und zu leben – die in den heutigen Industrienationen nicht länger an seinen Lebensraum gebunden sind.

 

Welche Stoffe in tierischen Produkten braucht der Mensch zum Leben?

Dass sich auch auf dem Speiseplan von Völkern mit Zugang zu pflanzlicher und tierischer Nahrung letztere stets mit einem erheblichen Anteil findet, deutet darauf hin, dass tierische Nahrung dem Menschen auch dann Nutzen bringt, wenn er nicht “aus Mangel an Alternativen” darauf zurückgreifen muss. Aber welche Nährstoffe machen Fleisch und andere tierische Produkte zu für uns wertvollen Nahrungsmitteln?

Calcium: Milch und Milchprodukte enthalten reichlich Calcium-Ionen (Ca2+). Bezogen auf den menschlichen Körper ist Calcium ein sogenanntes Mengenelement, d.h. ein beträchtlicher Anteil – ca. 1 bis 1,1 kg eines erwachsenen Menschen – des Körpergewichts entfallen auf Calcium. Calciumsalze wie Hydroxylapatit sind massgebliche, harte Bestandteile von Knochen und Zähnen, wie auch mein Zahn 16 zu berichten weiss. Für die Aufnahme von Calcium und dessen Einbau in Knochen benötigt der Körper das Vitamin D3, welches bei veganer Ernährung ebenfalls besonderer Aufmerksamkeit bedarf. Calcium kommt auch in vielen Pflanzen vor. Diese enthalten jedoch oftmals Säuren wie Oxal-(Rhabarber!) und Phytinsäure(Getreide, Hülsenfrüchte, Erdnüsse!) enthalten, die mit Calciumionen sehr stabile Salze bilden. Diese Salze lassen sich weder bei der Verdauung noch im weiteren Stoffwechsel in nennenswerter Menge zerlegen. Deshalb kann der Körper pflanzliches Calcium oft nur zu kleinen Teilen nutzen – die “Bioverfügbarkeit” des pflanzlichen Calciums ist vermindert.

Eisen: Eisen zählt zu den lebensnotwendigen Spurenelementen. Es kommt im menschlichen Körper in Form von Fe2+– und Fe3+-Ionen, die Bestandteile verschiedener Proteine sind, vor. Am bekanntesten sind wohl die Fe2+-Ionen, die im Zentrum der Häm-Gruppe des roten Blutfarbstoffs Sauerstoff transportieren. Darüber hinaus sind die beiden Eisen-Ionensorten, die sich relativ leicht ineinander umwandeln lassen, in Enzymen für die Übertragung von Elektronen von einem Teilchen zum anderen, also für Redox-Prozesse, zuständig. Blutwurst und Leber enthalten viel Eisen als Fe2+ und Fe3+, ebenso rotes Fleisch. Pflanzen enthalten ausschliesslich Fe3+, welches mehr noch als Fe2+ mit verschiedenen Pflanzenbestandteilen, insbesondere mit Phytinsäure, sehr stabile Salze bildet und damit weniger bioverfügbar ist als tierisches Eisen.

Jod: Ist vor allem ein unverzichtbarer Bestandteil von Schilddrüsenhormonen. Dabei kommt dieses Element in unserer Nahrung vergleichsweise selten vor. Jodid-Ionen (I) sind ein Bestandteil von Meerwasser und daher in Meeresfrüchten und Fisch zu finden. Dennoch lässt die Jodversorgung durch unsere Nahrung generell zu wünschen übrig (auch bei Mischköstlern, bei Veganern aber noch mehr), sodass Speisesalz und auch Tierfuttermittel häufig mit Jod angereichert werden.

Kreatin:Kreatin und Kreatinphosphat: bei veganer Ernährung nur als Lebensmittel- oder Futterzusatz zu haben

Kreatin st eine stickstoffhaltige organische Verbindung, die als Kreatinphosphat für die Regeneration des “entladenen” Energieträgermoleküls ADP zu ATP, der “geladenen” Form zuständig ist. ( Die “Ladung” besteht dabei in der Phosphoryl-(-PO32-) gruppe, die vom Kreatinphosphat ab- und an ein ADP-Molekül angehängt wird. Kreatin dient also der Energieaufbereitung zur Muskelarbeit und für Hirn- und Nervenfunktionen. Kreatin kann vom Körper selbst synthetisiert werden, wenn passende Aminosäuren als Bausteine, Vitamin B12 und Folsäure verfügbar sind. Fertiges Kreatin (und Aminosäuren) finden sich reichlich in (frischem) Fleisch und Fisch, also in Muskelmasse. Milch enthält weniger Kreatin, in Pflanzen findet es sich allenfalls in Spuren.

Langkettige Omega-3- bzw. n-3-Fettsäuren: Sind Fettsäuren, die mehrere C=C-Doppelbindungen enthalten (und damit “ungesättigt” sind), wobei die erste dieser Doppelbindungen 3 Kohlenstoff-Atome vom “Schwanzende” entfernt(den allgemeinen Aufbau von Fettsäuren habe ich in der Geschichte über Tenside beschrieben), die übrigen näher am “Kopf” zu finden sind. Omega-3-Fettsäuren werden zahlreiche erhaltende Wirkungen auf das Herz-Kreislaufsystem (Blutdruck, Blutfettwerde, Entzündungsmediation, Gefässzustand…) zugeschrieben. Sie finden sich vornehmlich in Fischfetten – Pflanzen, ausser Algen, enthalten jedoch nur alpha-Linolensäure (eine Fettsäure mit 18 Kohlenstoff-Atomen und 3 Doppelbindungen). Der Körper kann daraus auch Eicosanpentaensäure (EPA, 20 C-atome und 5 Doppelbindungen) und Docosahexaensäure (DHA, 22 C-Atome und 6 Doppelbindungen) herstellen, braucht dazu aber Enzyme, die auch mit dem Omega-6-Fettsäurestoffwechsel beschäftigt sind, sowie die Vitamine B und C und die Spurenelemente Magnesium und Zink. Mit anderen Worten: Die Verlängerung der alpha-Linolensäure zu EPA und DHA ist für den Körper grosser Aufwand und hängt von der Verfügbarkeit einer ganzen Reihe von Hilfsmitteln ab.

Vitamin B12 (Cobalamin): Cobalamin oder Vitamin B12 : muss zuführen oder -füttern, wer sich vegan ernährt bzw. Veganes füttertIst als Coenzym B12 an der Herstellung der Purinbasen Adenin und Guanin beteiligt, die als Bausteine “A” und “G” für den Aufbau von DNA- und RNA-Strängen benötigt werden. Da besonders Zellen mit hoher Teilungsrate beim ständigen Kopieren ihres Erbguts laufend neue DNA aufbauen müssen, bekommen solche, wie die regelmässig nachgebildeten Blutzellen, einen B12-Mangel am ehesten zu spüren: Es kommt zu Anämien (Blutarmut bzw. -veränderungen) und darüber hinaus zu Nervenschäden. Vitamin B12 gibt es praktisch ausschliesslich in tierischen Nahrungsmitteln. Eine gute Folsäureversorgung, die mit veganer Nahrung einfach zu bewerkstelligen ist, kann einer Anämie vorbeugen und so einen B12-Mangel kaschieren, verhindert aber die Nervenschäden nicht!

Vitamin D (Calciferol): Kann der Körper selbst herstellen – wenn er genug Sonnenlicht bekommt. Zusätzliche Quellen sind tierische Produkte, allen voran Lebertran und Salzwasserfisch. Vitamin D3 (Cholecalciferol) ist für die Calciumaufnahme (s. dort) und damit für den Knochenbau notwendig.

Zink: Ist ein essenzielles Spurenelement, das im Körper in Form von -Ionen vorliegt. Dort hat es als Bestandteil von Enzymen vielfältige Aufgaben, zum Beispiel bei der Übersetzung der Erbinformation in Protein-Baupläne und bei der Unterstützung des Immunsystems (durch Bremsen von überschiessenden Immun-Reaktionen, was Zink für Wundsalben so interessant macht). Zink ist in pflanzlicher Nahrung vorhanden, ist aber wie die Eisen- und Calciumionen oft in sehr stabilen Salzen gebunden und damit weniger bioverfügbar.

Vitamin B2 (Riboflavin): Ist eine Vorstufe von Coenzymen, also “Assistenten”-Molekülen, die von bestimmten Enzymen für die Erfüllung ihrer Aufgabe benötigt werden. Mit Riboflavin-Abkömmlingen arbeiten viele Enzyme, die für Redoxprozesse, also Elektronenübertragungen zuständig sind, welche vielerorts im Stoffwechsel stattfinden. Riboflavin findet sich unter anderem in Milch, Fisch, Fleisch, und Eiern.

 

Wie kann man diese wichtigen Nährstoffe aus Tierprodukten ersetzen?

Calcium: Kann zum Beispiel in calciumreichem Mineralwasser, Grünkohl, Brokkoli, Sesam, Haselnüssen, Sojabohnen oder Tofu gezielt zugeführt werden. Ein erhöhter Calciumbedarf kann zudem mit Nahrungsergänzungsmitteln gedeckt werden.

Eisen: Fe3+-Ionen kommen zum Beispiel in Hülsenfrüchten (schlechte Bioverfügbarkeit wegen enthaltener Phytinsäure!) oder Vollkornbrot vor. Eine Hausärztin empfahl mir zudem einmal, meines tendenziell niedrigen Eisenspiegels auch rote Früchte, im Speziellen Erdbeeren (es war gerade Frühling). Verschiedene Lebensmittel, zum Beispiel Kaffee oder schwarzer Tee, wirken zudem einer effektiven Eisenaufnahme entgegen. Für eine zusätzliche Eisenzufuhr gibt es zudem Nahrungsergänzungsmittel. Da jedoch auch deren Bioverfügbarkeit begrenzt ist, empfiehlt mein Hausarzt bei Eisenmangel eine (einzelne!) Infusion zum Wiederauffüllen der körpereigenen Eisenspeicher.

Jod: Kann mit angereicherten Lebensmitteln wie jodiertem Speisesalz oder Nahrungsergänzungsmitteln zugeführt werden.

Kreatin: Wird in zahlreichen Nahrungsergänzungsmitteln vermarktet, die sich auch in der Fitnessbranche grosser Beliebtheit erfreuen.

Langkettige Omega-3-Fettsäuren: Alpha-Linolensäure kommt in zahlreichen Pflanzenölen, zum Beispiel dem namensgebenden Leinöl, vor, welche auch in Kapselform als Nahrungsergänzungsmittel erhältlich sind. Die Weiterverarbeitung zu EPA und DHA kann durch gute Versorgung mit den dazu nötigen Hilfsmitteln unterstützt werden.

Vitamin B12 (Cobalamin): Verschiedene B12-Varianten sind als Nahrungsergänzungsmittel erhältlich. Die recht komplexen Moleküle werden von kultivierten Bakterien produziert, welche – wie ich festgestellt habe – als vegan gelten, so lange sie vegan (d.h. auf tierproduktfreien Nährböden) kultiviert werden. Jedoch kann der Mensch nicht alle B12-Varianten nutzen! Spirulina und andere Produkte mit Cyanobakterien (“blaugrüne Algen”) eigenen sich zum Beispiel nicht zur Nahrungsergänzung, obwohl sie zuweilen dafür beworben werden!

Vitamin D: Der einfachste Weg zu Vitamin D ist genügend Sonne auf der Haut. Darüber hinaus enthalten Avocado und einige Speisepilze Vitamin D. Manche Pilzsorten können sogar gezielt damit angereichert werden. Mit Nahrungsergänzungsmitteln kann zusätzlich Vitamin D zugeführt werden, auch in Kombination mit Calcium. Allerdings sind die Dosierungsvorschriften auf der Packung, oder besser vom Arzt, unbedingt einzuhalten – Vitamin D gehört zu jenen Vitaminen, die bei Überdosierung zu Vergiftungserscheinungen führen können!

Zink: Kann zum Beispiel in Soja, Haferflocken oder Hülsenfrüchten (bei verminderter Bioverfügbarkeit durch Phytinsäure!) aufgenommen werden. Zusätzlich gibt es zinkhaltige Nahrungsergänzungsmittel.

Vitamin B2 (Riboflavin): Ist zum Beispiel in Vollkornprodukten, Broccoli, Spargel oder Spinat enthalten. In verschiedenen Nahrungsergänzungsmitteln sind die B-Vitamine zudem kombiniert enthalten.
Funktioniert vegane Ernährung bei Kindern und während Schwangerschaft und Stillzeit?

Kinder und Jugendliche im Wachstum, ob vor oder nach der Geburt, haben einen erhöhten Bedarf an vielen der genannten Nährstoffe, zum Beispiel Calcium und Vitamin D für den Knochenaufbau, Vitamin B12 für die Entwicklung des Nervensystems und viele andere mehr. Deshalb ist die gute Versorgung von vegan ernährten Schwangeren, Kindern und Jugendlichen eine noch grössere Herausforderung als die vegane Ernährung für nicht-schwangere Erwachsene. Das gilt übrigens auch für ältere Menschen, die einige Nährstoffe aus verschiedenen Gründen weniger effektiv aufnehmen als Jüngere.

Deshalb raten sowohl das Schweizerische Bundesamt für Lebensmittelsicherheit und Veterinärwesen (BLV) als auch die Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE) ausdrücklich von einer veganen Ernährung von Schwangeren, Kindern und Alten ab. In Italien diskutiert das Parlament gar einen Gesetzesentwurf, der Gefängnisstrafen für die Fehlernährung von Kleinkindern vorsieht.

Entsprechende Organisationen im englischsprachigen Raum teilen diese Bedenken, trauen “ihrer” Bevölkerung aber die Bewältung der Herausforderungen einer veganen Ernährung anscheinend eher zu. So heissen sie eine mit dem nötigen Wissen und Aufwand betriebene vegane Ernährung ihrer gesundheitlichen Vorteile wegen in allen Lebensphasen gut. Nichts desto trotz machen Einzefälle von schwerwiegender Fehlernährung hüben wie drüben Schlagzeilen.

 

Was fressen unsere Haustiere?

Was braucht der Haushund?

Der Hund gilt als bester Freund des Menschen – und zwar schon praktisch ebenso lange, wie es den modernen Menschen gibt. So hatten unsere Haushunde ebenso lange Zeit, ihre Verdauung an die extrem vielfältige Lebensweise “ihrer” Menschen anzupassen. Das heisst, Haushunde, die schon rund 20.000 Jahre an der Seite des Menschen leben, sind heute Allesfresser wie wir auch.

Damit steht Hunden im Prinzip die gleiche Vielfalt von Ernährungsphilosophien offen wie dem Menschen. Als höhere Säugetiere haben Hunde jedoch auch einen ähnlichen Bedarf an Nährstoffen wie wir. Dabei weicht allerdings die Fähigkeit zur Verwertung dieser Nährstoffe mitunter stark von der unseren ab.

So nehmen Hunde zum Beispiel Calcium – das auch sie für den Knochenbau benötigen – wesentlich schlechter auf als der Mensch. Kommt dazu die schlechtere Bioverfügbarkeit von pflanzlichem Calcium, wird deutlich, dass die Calciumversorgung eines Hundes bei veganer Fütterung Schwierigkeiten machen wird und den Einsatz von hochdosierten Nahrungsergänzungsmitteln erfordert.

Zwei zusätzliche “tierische” Nährstoffe für den Hund sind überdies erwähnenswert:

L-Carnitin: Carnitin : Muss veganer Ernährung für den Hund unbedingt zugesetzt werden!Eine sticktstofforganische Verbindung, die als Rezeptormolekül – also als Andockstelle für Signalmoleküle – und als Transporthilfe für langkettige Fettsäuren in die Mitochondrien fungiert. Sie kommt vornehmlich in rotem Fleisch, Fisch, Leber und Herz vor. Menschen wie Hunde können L-Carnitin bei ausreichender Versorgung mit den nötigen Aminosäuren und verschiedenen Nährstoffen selbst herstellen. Hunde scheiden L-Carnitin jedoch vermehrt über die Niere aus, weshalb sie auf regelmässige Zufuhr angewiesen sind. Folgen eines Carnitin-Mangels sind schwere Herzerkrankungen.

Taurin: Taurin: Muss veganer Ernährung für Katzen und Hunde zwingend zugesetzt werden!Ein kleines organisches Molekül, das menschliche und Hundekörper aus schwefelhaltigen Aminosäuren herstellen können. Es unterstützt die Arbeit reizleitender Zellen (Nerven, Muskeln) – nicht zuletzt derer des Herzens. So fördert Taurin die Herzgesundheit und ist überdies ein starkes Antioxidans – es kann also Gewebe vor Stress bewahren, indem es reaktive (Abfall-)Verbindungen abfängt und unschädlich macht, ehe sie mit ihrer Umgebung ungewollte und nicht selten schädliche Reaktionen eingehen. Entsprechend seiner Aufgabe kommt Taurin vornehmlich in Muskelfleisch einschliesslich des Herzens vor, sodass eine vegane Ernährung ohne Nahrungsergänzungsmittel bei Hunden trotz eigener Herstellung zu einer Unterversorgung und damit zu Herzerkrankungen führen kann.

Zudem haben trächtige und säugende Hündinnen sowie heranwachsende Welpen ebenso erhöhte Nährstoffbedürfnisse wie menschliche Schwangere und Kinder, sodass ihre vegane Ernährung auch in gleicher Weise Schwierigkeiten macht.

Eine verantwortungsvolle vegane Ernährung für Hunde ist damit mit zusätzlichem Aufwand gegenüber der entsprechenden Ernährung von Menschen verbunden, geht ebenso wie letztere mit dem Einsatz von Nahrungsergänzungsmitteln und vermehrten (Tier-)arztbesuchen zur Überwachung der Nährstoffversorgung einher und erfordert auch vom menschlichen Veganer zusätzliches Wissen. Ob sich bei all dem Aufwand tatsächlich die vegane Ernährung oder vielmehr die vermehrte Zuwendung als solche förderlich auf die Gesundheit der Hunde auswirkt, ist dabei zweifelhaft.

Wesentlich einfacher ist für den allesfressenden Hund hingegen eine ovo-lacto-vegetarische Ernährung, bei welcher zwar auf Fleisch-, nicht aber auf Milch- und Eiprodukte verzichtet wird.

Was braucht die Hauskatze?

Katzen begleiten den Menschen auch schon, seit er sesshaft geworden ist. Allerdings waren sie bis vor Kurzem weniger beste Freunde als Nutztiere, deren Aufgabe es war, im Umfeld menschlicher Ansiedlungen Mäuse und andere ungeliebte Gäste zu jagen (und zu fressen) und somit fern zu halten. So hatten Hauskatzen bis in die jüngste Zeit keinen Anlass, ihre Verdauung einer Fütterung durch Menschen anzupassen. Sie sind daher echte Fleischfresser geblieben.

Somit entspricht eine vegane wie auch eine ovo-lacto-vegetarische Ernährung nicht der Natur der Katze. Dazu kommt, dass Katzen sich nicht wie Hunde durch Aushungern zu einer Nahrungsumstellung zwingen lassen – sie sterben lieber als ihre Futterprägung aufzugeben.

Nicht nur in meinen Augen entbehrt eine solche Katzen-Ernährung daher jeden Rest eines Sinns, sondern auch Fachtierärzte und andere Experten für Tierernährung stehen ihr ablehnend gegenüber.

Fazit

Vegane Ernährung ist für den Menschen möglich, aber kompliziert. Sie erfordert viel Wissen und noch mehr Aufwand, insbesondere wenn Heranwachsende damit versorgt werden sollen. Ein gedankenloses Weglassen “alles Tierischen” kann sogar gefährlich werden. Überdies lässt mich allein schon die Häufigkeit, mit welcher in der Liste der veganen Ersatznahrung “Nahrungsergänzungsmittel” – zuweilen gar als einzige Alternative – auftauchen, daran zweifeln, dass die vegane Ernährung des Menschen irgendwie “natürlich” sein kann.

Eine ganzheitlich vegane Lebensweise kann noch komplizierter werden – nicht zuletzt, wenn es um die Haltung von Haustieren geht:

Ein Haushund kann vegan ernährt werden, ohne dass dies “unnatürlicher” als beim Menschen wäre (es ist aber ebenso wenig “natürlicher”!) – das ist aber mindestens genauso kompliziert und aufwändig und erfordert Wissen über die menschliche Ernährung hinaus.

Eine Katze frisst hingegen von Natur aus Fleisch und braucht es auch. Eine vegane oder auch nur vegetarische Ernährung von Katzen kann daher (nicht nur) in meinen Augen nicht im Sinne der Tiere sein.

Aber ist es überhaupt “vegan”, Haustiere zu halten? Was meint ihr?

Tenside – von dieser Stoffklasse hat bestimmt jeder schon einmal irgendwo gehört – aber weiss denn auch jeder, was Tenside eigentlich sind?

Auf meinen Rundgang durch den Haushalt entdecke ich sie überall: Auf der Packung meines Universal-Waschmittels heisst es “enthält 5 – 15% anionische Tenside sowie < 5% nichtionische Tenside. In meinem Handgeschirrspülmittel sind es sogar 15 bis 30% anionische Tenside und < 5% nichtionische und amphotere Tenside.

Aber Tenside finden sich auch andernorts, zum Beispiel in Lebensmitteln wie Kakaopulver für Trinkschokolade oder in Unkrautvernichtern, die auch den berüchtigten Wirkstoff Glyphosat enthalten.

Was hinter der Bezeichnung “Tensid” jedoch steckt, mag überraschen: Sie steht für eine Gruppe von Chemie-Produkten, die schon seit rund 5000 Jahren von Menschen genutzt werden! Wie der Chemische Reporter berichtet, haben die Sumerer nämlich vor ebenso langer Zeit schon Seife hergestellt und verwendet. Und Seife ist ein Stoff, wenn nicht der Stoff, der aus Tensiden besteht.

 

Wie man Seife macht

Die Ursprünglichsten der Tenside lassen sich vergleichsweise einfach herstellen – nämlich aus pflanzlichen Fetten. Bei Fetten – unter Chemikern auch Triglyzeride genannt – handelt es sich nämlich um Ester des Glyzerins mit verschiedenen Fettsäuren. Und Verbindungen der Gruppe der Ester können ziemlich einfach zerlegt werden, zum Beispiel durch Zugabe einer Base.

Eine Base ist ein Stoff, der H+-Ionen aufnehmen kann, die er zum Beispiel Wassermolekülen “entwenden” kann. Das führt dazu, dass Basen in Wasser häufig OH-Ionen erzeugen, falls sie solche nicht selbst schon mitbringen:

Calciumoxid – besser: Das Oxid-Anion – ist eine Base und reagiert mit Wasser zu zwei Hydroxid-Ionen. Das Calcium-Ion bleibt dabei in Wasser gelöst zurück.

Calciumoxid und weitere wasserlösliche Oxide der Alkali- und Erdalkalimetalle finden sich in Pflanzenasche, sodass die Asche basisch reagiert. Und das haben schon die findigen Sumerer zu nutzen gewusst (obwohl die noch nicht wussten was Basen sind), indem sie Asche zu warmen Pflanzenfetten gaben und eine weiche, aber formfeste Masse mit erstaunlichen Eigenschaften erzeugten: Seife. Heutzutage wird Seife noch genauso hergestellt – nur verwendet man anstelle der Asche Natriumhydroxid (NaOH), ein Salz, das mit Wasser die stark basische Natronlauge bildet.

 

Reaktionsschema zur Seifenherstellung : Wie Tenside seit 5000 Jahren gemacht werden

Seifenherstellung: Reaktion von Fetten mit einer Base zu Glyzerin und Fettsäure-Anionen

 

Wer Seife selbst herstellen möchte, findet hier ein Rezept dafür. Natriumhydroxid und Natronlauge sind jedoch stark ätzende Substanzen, die mit gebührender Vorsicht verwendet werden sollten!

Einfache Seife ist also ein Gemisch aus Glyzerin und den Anionen der verschiedenen Fettsäuren (eine gute Seife enthält praktisch keine Hydroxid-Ionen mehr, was erreicht wird, indem die Base bei der Herstellung etwas unterdosiert zum Einsatz kommt, sodass sie während der “Reifezeit” der Seife von mehreren Wochen praktisch vollständig aufgebraucht wird). Und diese Fettsäure-Anionen sind ganz besondere Moleküle: Sie wechselwirken nämlich auf zweierlei Art mit ihrer Umgebung!

 

Mischung oder Trennung: Alles eine Frage der Anziehung

Die Art und Weise, wie ein Molekül mit anderen Molekülen in seiner Nachbarschaft wechselwirkt, hängt von der Verteilung der Elektronenladung im Molekül ab. Wenn diese nämlich ungleichmässig ausfällt, können Anhäufungen von negativer und positiver Ladungen in verschiedenen Molekülen einander anziehen. Und solche Anhäufungen gibt es, weil verschiedene Atomsorten ihre Elektronen (einschliesslich derer, die an Elektronenpaar-Bindungen beteiligt sind) unterschiedlich stark zu sich hinziehen. So entstehen polare, d.h. unsymmetrische Bindungen. Wie das im Einzelnen vor sich geht und welche Folgen das hat, könnt ihr in der Geschichte um die 13 Vitamine nachlesen.

Festzuhalten ist: Wenn in einem Molekül räumlich getrennte Anhäufungen von Elektronenladung entstehen (man spricht dann von einem Dipol-Molekül), können sich diese Anhäufungen und Bereiche mit einem Mangel an Elektronenladung gegenseitig anziehen. Und wenn Moleküle einander anziehen, lassen die Stoffe, welche aus ihnen bestehen, sich mischen.

Wasser ist der vielleicht bekannteste Stoff, der aus Dipol-Molekülen besteht. Und Stoffe, die sich mit Wasser mischen lassen, die also ebenfalls aus Dipol-Molekülen bestehen, nennt man hydrophil (griechisch für “wasserliebend”).

Auch in vielen organischen Molekülen gibt es solch unregelmässige Ladungsverteilung. Dazu zählen die sogenannten Carbonsäuren – solche Moleküle, die eine Carboxyl-Gruppe beinhalten.

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Essigsäure, eine einfache Carbonsäure, mit Anhäufungen von Ladung

Essigsäure ist eine einfache Carbonsäure. Die Carboxyl-Gruppe enthält Kohlenstoff- und Sauerstoff-Atome, auf welche die Elektronenladung nicht gleichmässig verteilt ist. So können die Essigsäure-Moleküle einander, aber auch andere Moleküle mit ungleichmässiger Ladungsverteilung anziehen: Essigsäure ist deshalb sehr gut mit Wasser mischbar!

Moleküle aus ähnlich “starken” Atomen, deren Elektronenladung weitgehend gleichmässig verteilt ist, können keine Dipole sein. Und trotzdem ziehen sie einander an – auf eine andere Weise, die sich massgeblich von der Anziehung zwischen Dipolen unterscheidet. Moleküle mit gleichmässiger Ladungsverteilung lassen sich deshalb gut miteinander mischen, jedoch nicht Molekülen, welche die Anziehung zwischen Dipolen bevorzugen!

Da die Fette zu den “gleichmässigen” Molekülen zählen, nennt man Stoffe aus solchen Molekülen lipophil (griechisch “fettliebend”).

 

Ein einfaches Modell für ein vielseitiges Molekül

Das Besondere an Fettsäure-Anionen ist: Sie sind sowohl hydrophil als auch lipophil! Das heisst allerdings nicht, dass sie sich gleichermassen gut mit Wasser und mit Fetten mischen lassen. Es sind vielmehr unterschiedliche Abschnitte der Moleküle, die entweder hydrophil oder lipophil sind.

So heissen Fettsäuren wie sie heissen, weil sie Carbonsäuren sind. Das heisst, ein Fettsäuremolekül enthält eine Carboxylgruppe, die ein H+-Ion abgeben und zur Carboxylat-Gruppe werden kann, dank welcher die Fettsäure zum Fettsäure-Anion wird. Und ein Anion enthält eine Extremform der Anhäufung von Elektronenladung: Diese Anhäufung ist so gross, dass ihre elektrische Ladung derer eines oder mehrerer ganzer Elektronen entspricht (Die Ladungs-Anhäufungen in Dipol-Molekülen sind stets kleiner als die Ladung eines Elektrons!).

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Und Carboxylgruppen sind (wie Carboxylat-Gruppen auch) hydrophil.

Allerdings befindet sich die Carboxylgruppe einer Fettsäure am Ende einer langen Atom-Kette aus Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen. Und die sind in Sachen Elektronen-Anziehen nahezu gleich stark. Deshalb sind solche Kohlenwasserstoff-Ketten lipophil.

Während die Carboxylatgruppe eines Fettsäure-Anions also mit Wasser mischbar ist, ist seine Kohlenwasserstoff-Kette mit Fett (und nicht mit Wasser) mischbar. Und beide sind fest miteinander verbunden! Solch ein Molekül gleicht damit einer Schlange: Der Kopf beisst, und der Schwanz kann sich um einen Ast winden. Beide zusammen ergeben ein Tier, das in Bäumen Beute jagen kann.

Oder noch einfacher: Die Carboxylatgruppe sei wie der Kopf eines Streichholzes, der sich an einer Reibefläche entzünden lässt, während die Kohlenwasserstoff-Kette den Schaft zum Festhalten der Flamme bildet.

Streichholzmodell für Tenside

Carboxylat-Anion als “Streichholz”: Der rote Kopf ist wasserliebend, der blaue Schaft ist fettliebend.

 

Damit brauchen wir uns nicht länger mit Atomen, Atomgruppen und ungleichmässig verteilter Elektronenladung herum zu schlagen. Es genügt zu wissen: Die Streichholz-Köpfe mischen sich mit Wasser, die Streichholzschäfte mit Fett und anderen lipophilen Stoffen. Deshalb heissen solche “Streichholz”-Teilchen amphiphil – beides liebend – oder auch “Tensid”.

Die Fettsäure-Anionen, deren “Köpfe” also eine negative Ladung tragen, gehören zu den “anionischen” Tensiden. Doch auch Fettsäuren, welche ihr H+-Ion nicht abgegeben haben, sind amphiphil. Sie gehören mangels einer ganzen elektrischen Ladung zu den nichtionischen Tensiden. Ebenso gibt es kationische Tenside mit einer positiven ganzen Ladung am Kopf, und schliesslich amphotere Tenside, die sowohl eine positive als auch eine negative Ladung am Kopf tragen.

 

Wie Seife funktioniert: Streichholz-Tenside und Grenzflächen

Stellt man ein Gefäss mit Wasser an der Luft, hat man zwei Stoffe oder Stoffgemische direkt nebeneinander, die unterschiedlich wechselwirken: Wasser ist hydrophil, während die meisten Luftmoleküle (Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff, N2 und Sauerstoff, O2) lipophil sind. Folglich wollen beide nicht viel miteinander zu tun haben und bilden ihre eigenen Cliquen. Wassermoleküle halten sogar so stur zusammen, dass sie die meisten Luft-Moleküle strikt draussen halten.

Teilchen, die aus der Luft ins Wasser oder umgekehrt passieren möchten, müssen damit Auflagen erfüllen und Mühen auf sich nehmen wie wir mancherorts, wenn wir eine Landesgrenze überschreiten wollen. Dementsprechend wird solch eine trennende Fläche zwischen Luft und Wasser (aber auch zwischen anderen Stoffen) Grenzfläche genannt.

Das Bollwerk, das die zusammenhaltenden Wassermoleküle an der Wasseroberfläche bilden zeigt sich uns als “Oberflächenspannung”: Es ist so fest, dass kleine Tiere wie Wasserläufer darauf laufen können!

Wenn man Seife (Tenside) ins Wasser gibt, sortieren die sich in der bequemsten Ausrichtung – an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser, sodass die hydrophilen Köpfe ins Wasser und die lipophilen Schwänze in die Luft weisen! Damit stören sie den Zusammenhalt der Wassermoleküle an der Oberfläche so empfindlich, dass jeder Wasserläufer auf Seifenwasser umgehend untergehen würde.

Streichholzmodell: Tenside an einer Grenzfläche

Das könnt ihr ganz einfach ausprobieren – aber bitte nicht mit Tieren! Als Ersatz für einen Wasserläufer schwimmt auch eine eiserne Büroklammer (seiner Dichte wegen sollte Eisen sofort sinken!) auf Wasser, wenn man sie vorsichtig darauf legt. Sobald man jedoch Seife in eine Schale Wasser gibt, auf welchem eine Büroklammer schwimmt, wird diese umgehend untergehen.

Die Oberfläche des Wassers in einem Behälter hat jedoch eine begrenzte Grösse. Wenn man genügend Seife hineingibt, wird sie irgendwann gänzlich von Tensiden besetzt sein, sodass die Übrigen keinen Platz mehr finden werden. Diesen ausgegrenzten Molekülen bleibt nichts anderes übrig, als Zuflucht in “Selbsthilfegruppen” zu suchen: Sie lagern ihre Schwänze so zu einer Kugel zusammen, dass alle Schwanzenden auf deren Zentrum weisen. Damit befinden sich alle Köpfe aussen – dem Wasser zugewandt – sodass sich diese Tensid-Kugeln wunderbar mit dem Wasser mischen können, während ihr lipophiler Anteil in ihrem Inneren verborgen bleibt. Solche Kugeln oder ähnlich abgeschlossenen Tensid-Gebilde werden von Chemikern auch Mizellen genannt.

Streichholzmodell: Tenside bilden eine Mizelle

 

Das Geheimnis der Superwaschkraft

Die Fähigkeit zur Bildung von Mizellen ist auch das Geheimnis der Waschkraft von Seife. Jeder, der schon einmal versucht hat, eine fettige Pfanne bloss mit Wasser zu reinigen, wird festgestellt haben, dass das Fett sich von Wasser reichlich wenig beeindruckt zeigt und kaum von der Stelle weicht. Taucht man die Pfanne samt Fett jedoch in seifenhaltiges Wasser, eröffnen sich für die Tenside darin ganz neue Möglichkeiten:

Jetzt können sich die lipophilen Schäfte nämlich an die Oberfläche der Fettpartikel anlagern und diese dicht an dicht besetzen. So verschaffen die Tenside den Fetten eine mit Wasser mischbare Oberfläche aus “Streichholzköpfen”. Das Ganze geht sogar so weit, dass die Tenside sich regelrecht zwischen Fettpartikel und Pfannenoberfläche drängen, sodass die Partikel bald abgelöst werden und als vollständig geschlossene “Mizellen mit was drin” durch das Wasser treiben und weggespült werden können!

Streichholzmodell : Die Super - Fettlösekraft der Tenside

 

Tenside als Spielzeug

Nicht nur für die Waschkraft von Seife zeichnen Tenside verantwortlich, sondern auch für ein seit Generationen beliebtes Spielzeug: Seifenblasen. Wenn man die kauft, erhält man meist einen handlichen Kunststoffzylinder mit einer Seifenlösung und einem kleinen Ring am Stab zum Hineintauchen. Wenn man den Ring aus der Lösung nimmt, spannt sich darin ein dünner Film aus Seife, der sich, sobald man sanft hineinbläst, zu einer Blase ausdehnt, abschnürt und in schillernden Regenbogenfarben langsam durch die Luft davontreibt.

Aber woraus bestehen die ätherischen, fast gewichtslos wirkenden Seifenblasen eigentlich?

Hauptsächlich aus Tensiden, die eine besonders trickreiche Anordnung einnehmen! Ausserhalb und innerhalb einer Seifenblase befindet sich nämlich Luft, sodass es sich anbietet, an der Innen- und Aussenfläche einer Seifenblase Schwänze zu haben. Tatsächlich ordnen sich die Tenside dicht an dicht zu einer doppelten Schicht, wobei alle Schäfte der inneren Schicht nach innen und jene der äusseren Schicht nach aussen weisen. Folglich weisen alle Streichholzköpfe in die Mitte zwischen den Schichten. Und da bietet es sich an, gleich noch eine sehr dünne Schicht Wassermoleküle zwischendrin einzuschliessen, damit es zwischen einzelnen Ladungen der gegenüberliegenden Köpfe nicht zu Abstossung kommt.

Streichholzmodell: Tenside formen eine Seifenblase

Seifenblase, dargestellt als Streichholzmodell (Nach: “Schaumbläschen” by Roland.chem [CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons)

 

Die Anziehung zwischen den geordneten Tensiden ist damit so gross, dass sie selbst in bewegter Luft zu einem hauchdünnen, aber sichtbaren Film zusammenhalten und die eingeschlossene Wasser-Schicht tragen können….fast zumindest. Denn wer Seifenblasen genau beobachtet, wird feststellen, dass sie in der Regel zerplatzen bevor sie ganz zu Boden gleiten oder auf ein Hindernis treffen. Und wer besonders grosse Seifenblasen macht und noch genauer hinschaut (oder eine Zeitlupenkamera sein Eigen nennt), mag bemerken, dass die Blasen zuerst oben aufreissen, ehe sie ganz zerfallen.

Das zeigt uns, dass die Schwerkraft am Ende doch gewinnt. Früher oder später werden die Wassermoleküle der Zwischenschicht nämlich doch zu schwer und in der Seifenblassen-Hülle nach unten gezogen. Dort sammeln sie sich an, während die Blase im oberen Bereich zunehmend trocken fällt – bis sich die Tensid-Köpfe schliesslich berühren und abstossen. So gerät die geniale Streichholz-Doppelschicht gänzlich aus den Fugen und reisst auseinander. Die einstmals schillernde Blase wird wieder zu einem schlichten, ungeordneten Tropfen Seifenlösung, der eben dort landet, wo die Seifenblase ihr kurzes Dasein beendet hat.

 

Tenside als Bausteine des Lebens

Auch in und um Lebewesen gibt es zahlreiche mehr oder minder überwindbare Grenzflächen wie jener zwischen Luft und Wasser. So atmen Landsäugetiere wie wir Menschen Sauerstoff-Moleküle, indem wir ihnen ermöglichen, in unseren Lungenbläschen aus der Luft hinaus und in unsere wasserhaltige Blutbahn einzutreten. Wasserlebewesen bewerkstelligen das Gleiche in ihren Kiemen, die dafür geschaffen sind, im Wasser gelösten Sauerstoff in den Körper hinein zu lassen.

Um mit solchen und vielen anderen Grenzflächen umzugehen, hat sogar das Leben seine ganz eigenen Tenside geschaffen! Diese Moleküle unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von Seife, können jedoch ebenfalls in einen hydrophilen Kopf und einen lipophilen Schwanz gegliedert werden. Aus solchen Tensiden besteht zum Beispiel die Aussenhülle von Körperzellen: Dabei handelt es sich um eine doppelte Schicht aus dicht gepackten “Streichhölzern”, deren Schäfte allesamt nach innen und die Köpfe nach aussen weisen – also quasi um eine umgekehrte Seifenblase.  Das ist praktisch, weil sowohl das Innere der Zelle mit Wasser (und vielem anderen) gefüllt ist, als auch Wasser die Zellen im Körper umgibt. Da die Hülle der Zellen jedoch innendrin lipophil sind (dort befinden sich die Tensid-Schäfte!), können sich das Wasser draussen und das Wasser drinnen nicht einfach vermischen! Was hydrophil ist und in die Zelle hinein- oder aus ihr hinaus soll, muss durch speziell dafür vorgesehene “Fenster-” oder “Tunnel-“Moleküle hindurch.

 

Wann Tenside zum Problem werden

Der Umstand, dass viele Lebewesen sich hervorragend mit den Grenzflächen zwischen ihnen selbst und ihrem Lebensraum “draussen” arrangiert und allerlei Tricks entwickelt haben, um ihrer Umgebung Nahrung und Sauerstoff zu entnehmen, führt dazu, dass viele Tenside, die wir erfunden haben um ebensolche Grenzflächen zu zerstören (um zum Beispiel Fettreste mit Wasser lösen zu können), für solche Lebewesen giftig sind. Das gilt besonders für Wasserlebewesen, welche die dichten Grenzflächen ihres Lebensraums in vielerlei Hinsicht zum Leben brauchen.

Deshalb müssen die Seifen und anderen Tenside, die wir tagtäglich verwenden, erst abgebaut werden, bevor sie in die Umwelt gelangen dürfen! Das besorgt zum Beispiel ein Klärwerk, in dem Bakterien für genau diesen Job “angeheuert” werden. Diese Bakterien, die sich im Klärbecken über Tenside hermachen, haben zum Beispiel die zwei folgenden Möglichkeiten, die “Streichholz”-Moleküle unschädlich zu machen:

  1. Sie trennen den Streichholzkopf vom Schaft. Damit bleiben zwei Teilmoleküle, eines wasser- eines fettliebend, die jedes für sich ihre Lieblingsumgebung suchen und keinen Schaden mehr anrichten können.
  2. Sie verpassen dem Schaftende einen zweiten Kopf. So entsteht ein zweiköpfiges “Streichholz”, das nach beiden Enden wasserliebend ist und somit für das Zusammenspiel der Tenside nicht mehr brauchbar ist.

Wer also ein nützliches Tensid “erfinden” möchte, tut gut daran, nicht nur über die mögliche Giftigkeit des Tensids nachzudenken. Wenn nämlich dessen Abbauprodukte, welche die Bakterien im Klärwerk daraus herstellen, für sich aus irgendeinem Grund ebenso giftig sind, würde die Entsorgung der Tenside damit ihres Sinnes beraubt.

So sind die Seifen unseres täglichen Gebrauchs wohl für viele Wasserlebewesen gefährlich, aber auch für den Abbau im Klärwerk geschaffen. Aus diesem Grund gehört Seifenwasser unbedingt in einen Haushaltsabfluss entsorgt, der an ein Abwassersystem und damit möglichst direkt an eine Kläranlage angeschlossen ist.

Innerhalb eines Gebäudes ist das hierzulande kein Problem. Ein Auto passt jedoch in den seltensten Fällen ins Haus, und das Seifenwasser samt Öl- und anderen Resten beim Autowaschen einfach in die Gegend laufen zu lassen erachten viele wichtige Lebewesen in Wasser und Boden als ganz schlechte Idee (und ist je nach Art des vorhandenen Entwässerungssystems sogar verboten!). Deshalb verdient jedes Auto, das nach einer Wäsche mit Seife verlangt, eine Fahrt durch eine Autowaschanlage, die eine umweltschonende Entsorgung ihrer Abwässer übernimmt.

Richtig problematisch wird es damit erst, wenn Tenside zum Einsatz kommen, um Unmischbares zu mischen, das dazu bestimmt ist, in der Landschaft verteilt zu werden. So stecken in Pflanzenschutzmitteln, die (nicht nur) den berüchtigten Wirkstoff Glyphosat enthalten, in der Regel auch Tenside. Und die gelangen beim Spritzen von Pflanzen auf Äckern und in Gärten ungehindert in die Umwelt, was, wie Sebastian auf Nullius in Verba schreibt der Abschnitt über die Tenside findet sich am Schluss des Beitrags) , die Problematik des eigentlichen Glyphosats, letztlich in den Schatten stellt!

 

Fazit

Tenside gehöhren in Form von Seife zu den am längsten von Menschen genutzten Chemikalien der Welt. Ihre Fähigkeit auf zweierlei Weise mit ihrer Umgebung zu wechselwirken und Grenzflächen durchlässig zu machen macht sie zu starken und vielseitigen Helfern im Alltag. Wo Grenzflächen allerdings lebensnotwendig sind, werden Tenside schnell zur Gefahr. So nützlich ihre Superwasch- und mischkraft auch ist, setzt Seife und andere Tenside mit Bedacht ein und geniesst ihren Nutzen ohne bitteren Beigeschmack!

Und wo begegnen euch Tenside in eurem Alltag?

Feuerwerk - Tradition oder Umweltsünde?

Der Legende nach gründeten Vertreter der drei Ur-Kantone Schwyz, Uri und Unterwalden am 1. August 1291 die Eidgenossenschaft, aus welcher sich die heutige Schweiz entwickelt hat. Deshalb wird der “Geburtstag der Schweiz” jedes Jahr mit einem Nationalfeiertag voller Bräuche und Traditionen begangen.

Eine dieser Traditionen scheidet jedoch selbst in der Schweiz, ebenso wie an Silvester in Deutschland, Österreich und anderen Ländern, die Geister: Das Feuerwerk. Ähnlich wie zum Jahreswechsel in den Nachbarländern (aber auch in der Schweiz selbst), brennen die Schweizer am Abend ihres Nationalfeiertags traditionell im privaten Rahmen Feuerwerk ab. Im Unterschied zu Silvester jedoch nicht vornehmlich innerhalb von 15 bis 30 Minuten nach Mitternacht, sondern über den ganzen Abend verteilt.

Umso mehr Zündstoff liefert dieses Geburtstagsfeuerwerk auch Tierbesitzern, Lärmempfindlichen oder Atemwegserkrankten, für welche Tage wie diese nicht selten zur Belastung werden. Um den Bedürfnissen sowohl der Anhänger der Tradition als auch der Belasteten gerecht zu werden, hat das Schweizer Bundesamt für Umwelt (BAFU) reichlich Zahlen und Studien rund um Feuerwerk und seine Auswirkungen auf die Umwelt gesammelt, die auch Grundlage für diese Geschichte um die Chemie in Feuerwerkskörpern und ihre Bedeutung für die Umwelt sind.

 

Eine Schweizer Tradition: Zahlen zum Feuerwerk – nicht nur am Nationalfeiertag

Das BAFU schätzt, dass in der Schweiz in jüngeren Jahren (2009 bis 2013) jährlich rund 2000 Tonnen Feuerwerkskörper zum Einsatz kommen – der Löwenanteil davon am 1. August und an Silvester. Dabei besteht solch ein Feuerwerkskörper jedoch zu rund 75% aus Hüllenmaterial, also Pappe, Papier, Ton oder Kunststoff, sodass tatsächlich “nur” 500 Tonnen eigentliches Feuerwerksmaterial (pyrotechnische Sätze) abgebrannt werden.

Die Hälfte davon, also rund 250 Tonnen, machen Treibladungen aus Schwarzpulver aus, die andere Hälfte sogenannte Effekt-Ladungen, welche unter anderem verschiedene Metalle zur Erzeugung farbenfroher Leuchterscheinungen enthalten.

 

Wie funktioniert ein Feuerwerkskörper/eine Rakete?

Feuerwerks-Rakete

Die klassische zylindrische Feuerwerks-Rakete ist “zweistufig” aufgebaut: Die untere Stufe enthält Schwarzpulver als Treibladung sowie die Anzündung (“Lunte”).

Schwarzpulver ist ein Gemisch, in der Regel aus 75% Kaliumnitrat (KNO3), 15% Holzkohlepulver (Kohlenstoff) und 10% Schwefel. Bei Zündung zersetzt sich das Kaliumnitrat und liefert in der von der Aussenluft abgeschlossenen Treiberhülse reichlich Sauerstoff für die Verbrennung der übrigen Komponenten. Dabei entstehen rasch grosse Mengen verschiedener Gase, die durch die Düse gebündelt nach unten austreten und die Rakete mittels Rückstoss in die Luft befördern. Der Leitstab sorgt dabei für eine ruhige Flugbahn der Rakete.

Schwarzpulver in “natürlicher” Umgebung enthält immer etwas Feuchtigkeit (Wasser, H2O). Beim Entzünden des Gemischs entstehen aus einer kleinen, kompakten Menge von Feststoffen eine grosse Menge von Gasteilchen (Stickstoff – N2, Kohlenstoffdioxid – CO2, Kohlenstoffmonoxid – CO – reagiert mit Sauerstoff weiter zu CO2, Methan – CH4, Schwefelwasserstoff – H2S, Wasserstoff – H2 – reagiert mit Sauerstoff weiter zu Wasserdampf, H2O), die von Natur aus Platz einnehmend und mit hoher Bewegungsenergie (entspricht Wärme!) auseinanderstreben.

Der wesentlich kleinere Anteil der Reaktionsprodukte sind feste Salze (Kaliumcarbonat – K2CO3, Kaliumsulfat – K2SO4, Kaliumsulfit – K2SO3, Kaliumsulfid – K2S, Kaliumthiocyanat oder -rhodanid – KSCN (im Übrigen wie alle anderen genannten Feststoffe ungefährlich), Ammoniumcarbonat – (NH4)2CO3, und Reste von Kohle – 〈C〉 und Schwefel – 〈S〉, die zur Entstehung von Rauch beitragen.

Die schnelle Freisetzung von Gasen verleiht Sprengstoffen wie dem Schwarzpulver ihre Sprengkraft. Triebkraft des Ganzen ist jedoch das Streben der beteiligten Stoffe nach Redox-Reaktionen, also dem Austausch von Elektronen: Bestandteile des Schwarzpulvers wie Kohlenstoff und Schwefel werden oxidiert – sie geben Elektronen an Sauerstoff ab, welcher mit der Aufnahme dieser Elektronen reduziert wird. Vergleichbares geschieht beim Rosten von Eisen und ist in der Geschichte zur Rostparade genauer beschrieben – nur um vieles gemächlicher als bei einer Sprengstoff-Explosion.

 

Während des Flugs verhindert die Trennladung eine vorzeitige Zündung der zweiten Stufe durch das verbrennende Schwarzpulver. Erst die Überzündung im oberen Teil der Treiberhülse ermöglicht nach dem Ausbrennen der Treibladung die Zündung der Zerlegerladung, welche die zweite Stufe der Rakete – die Effekthülle samt Effektladung – auseinander sprengt. Die dabei gezündete Effektladung leuchtet, während sie auseinandergerissen wird, farbig auf und erscheint uns für wenige Sekunden als bunte Sternenkaskade am Himmel.

Damit das funktioniert, enthält die Effektladung ihrerseits sauerstoffliefernde Stoffe, also Nitrate (wie Kaliumnitrat – KNO3) oder/und Perchlorate (wie Kaliumperchlorat – KClO4), und Metalle, die sehr hell und sehr heiss verbrennen – also Magnesium oder Aluminium, oder beide als Legierung “Magnalium”.

Die Verbrennung dieser Metalle geht mit Temperaturen bis 2000°C (!) einher. In einem solchen Inferno können chlorhaltige organische Verbindungen, wie der bekannte Kunststoff Polyvinylchlorid (PVC), Chlor-Atome abgeben, die mit den farbgebenden Metallen neue Verbindungen bilden, welche angeregt von der in den explosionsartigen Reaktionen freigesetzten Energie farbig  am Himmel leuchten (wie das Leuchten vor sich geht, erzählt die Geschichte um Farben, Licht und Glanz).

Dabei gibt zum Beispiel Barium grünes Licht, Strontium rotes, Kupfer blaues und Natrium orangegelbes Licht. Und ebenso entstehen im Feuer der Raketen-Explosion zahlreiche Nebenprodukte.

 

Welche Gefahren gehen von Feuerwerkskörpern aus?

Für Menschen:

Unfall-/Verbrennungsgefahr

Feuerwerkskörper brennen sehr, sehr heiss (wie bereits erwähnt mit bis zu 2000°C – während selbst ein guter Pizzaofen gerade einmal etwa 400°C zustande bringt): Das ist notwendig, um die gewünschten Leuchteffekte zu erzeugen. Deshalb gibt es zu Feuerwerkskörpern, die den Vorgaben der EU entsprechen, stets eine Bedienungsanleitung, die ausweist, wie sie zu handhaben sind, damit man sich verbrennt oder schlimmere Verletzungen erleidet. Deshalb gehören Feuerwerkskörper, vor allem solche mit Leuchteffekt, ebenso wenig in die Hände von (unbeaufsichtigten) Kindern wie in vollbesetzte Fussballstadien – denn auch die als “Pyros” berüchtigten bengalischen Feuer erreichen derart hohe Temperaturen, bei denen nahezu alles zerstört wird, was man in einem Station finden kann: Menschen, Kleidung, Kunststoffe und vieles mehr. So stellen  Feuerwerkskörper gerade im dichten Gedränge eine erhebliche Verletzungsgefahr dar!

Gehörschädigungen

Feuerwerkskörper sollen laut sein – die Bedienungsanleitung gibt an, wie sie zu verwenden sind, damit sie nicht zu laut werden (Abstand einhalten!): Trotzdem können schnell Grenzwerte überschritten werden – wie Messungen zeigen auch bei Grossfeuerwerken von professionellen Feuerwerkern. Gehörschutz ist daher für Feuerwerker – professionelle wie private dringend, für ihre Zuschauer aber ebenfalls empfohlen. Ich selbst trage bei Grossfeuerwerken, die ich im Freien beobachte, auch wenn sie scheinbar weit entfernt auf Booten auf dem Zürichsee gezündet werden, stets Ohrstöpsel.

Belastung durch Chemikalien: Feinstaub!

Die aus der Sicht des BAFU einzig beachtenswerte Belastung mit Chemikalien aus Feuerwerkskörpern ist die kurzfristige Erzeugung von Feinstaub beim Abbrennen: Aus den 500 Tonnen jährlich verfeuerter pyrotechnischer Sätze werden schätzungsweise rund 360 Tonnen der Sorte Feinstaub, die in unsere Lungen gelangen kann (PM10 genannt) , freigesetzt (bis in unsere Lungenbläschen gelangt davon wiederum ein Bruchteil). Das klingt nach viel, erscheint aber weitaus nebensächlicher, wenn man die Menge dieses Feinstaubs dagegen stellt, die während eines Jahres insgesamt in der Schweiz durch Strassenverkehr und andere Quellen erzeugt wird: 19’000 Tonnen! Der eher kleine feuerwerksbedingte Anteil daran wird jedoch vornehmlich in zwei Nächten freigesetzt: Am Abend des 1. Augusts und in der Silvesternacht. So wird es nicht verwundern, dass in den 24 Stunden rund um ebendiese Nächte in besiedelten Gebieten die vorgeschriebenen Grenzwerte für den Feinstaubgehalt der Luft überschritten werden. Das wiederum kommt allerdings auch an anderen Tagen ziemlich häufig vor – in allen Gebieten der Schweiz bis auf das sehr dünn besiedelte Hochgebirge mindestens 5, in städtischen Gebieten bis zu 30 mal im Jahr.

So stellt der Feuerwerks-Feinstaub denn auch für gesunde Menschen keine nachweisbare Belastung der Atemwege dar. Anders sieht das bei Menschen mit bereits bestehenden Atemwegs- (zum Beispiel Asthma!) oder auch Herz-Kreislauf-Erkrankungen aus: Unter solchen wurden in und unmittelbar nach Feuerwerksnächten (zusätzliche) Beeinträchtigungen der Lungenfunktion nachgewiesen und Fälle von akuten Beschwerden nach Umgang mit Feuerwerkskörpern registriert. Das BAFU empfiehlt daher Menschen mit solchen Erkrankungen, die direkte Begegnung mit Feuerwerksrauch zu vermeiden.

 

Was die Vielzahl von chemischen Verbindungen betrifft, die bei einem Feuerwerk freigesetzt werden (dazu zählen neben den Salzen verschiedener Schwermetalle diverse Verbrennungsgase sowie organische Verbindungen – die bedenklichen unter diesen werden von Umweltchemikern gern als “VOC”, “volatile organic compounds” zusammengefasst):

Die allermeisten dieser Stoffe gelangen aus anderen Quellen in unserer technisierten Welt in wesentlich grösserem Umfang als durch Feuerwerk in unsere Umgebung, sodass eine Feuerwerksnacht in Sachen Belastung damit kaum ins Gewicht fällt. Überdies dürfen die hier verwendeten Feuerwerkskörper besonders giftige Schwermetalle – Blei, Arsen, Quecksilber, aber auch Cadmium – gar nicht enthalten (man findet sie darin auch nur in Spuren, wenn überhaupt, die als Verunreinigungen geduldet werden). Dementsprechend sind Quellen für die Belastung von Menschen mit Schwermetallen und anderen Stoffen wohl anderswo zu  suchen als im Feuerwerk.

 

Für Tiere:

Ein Feuerwerk hat jedoch nicht nur Auswirkungen auf Menschen – die Tiere in seiner Umgebung sind mindestens ebenso davon betroffen:

Gehörschädigungen

Die meisten Wirbeltiere haben einen Hörsinn, das heisst Ohren, wie wir Menschen, auch wenn man diese – wie bei Vögeln – nicht immer sieht. Und dieser Hörsinn kann ebenso Schaden nehmen wie der unsere. Zudem ist der Hörsinn vieler Tiere – auch unserer Haustiere – um Vieles empfindlicher als menschliche Ohren.

Folgen von Schreckreaktionen

So können unsere Tiere nicht nur ebenso wie wir Hörschäden in Form von Ohrgeräuschen oder Taubheit erleiden, sondern auch durch die knallenden Geräusche eines Feuerwerks erschrecken oder gar in Panik geraten und blindlinks flüchten – im schlimmsten Fall direkt vor ein fahrendes Auto oder in einen Abgrund. Haustierbesitzern wird daher empfohlen, ihre Tiere vor und während Feuerwerks-Nächten im Haus zu behalten und ihnen eine schallgeschützte Zuflucht zu bieten.

Wildtiere, zum Beispiel Wasservögel, die keine menschliche Behausung als Zuflucht haben, werden nicht selten von Feuerwerk vertrieben und lassen sich erst Wochen nach dem Ereignis wieder an ihren angestammten Plätzen blicken. Daher empfiehlt das BAFU, bei der Planung von Feuerwerk im Rahmen von Veranstaltungen stets auch einen Tierschutz-Experten mit einzubeziehen.

 

Welche Feuerwerkskörper sind in der Schweiz (bzw. in der EU) zugelassen?

  • Das Schweizerische Sprengstoffgesetz und die Sprengstoffverordnung, welche Anweisungen zur Umsetzung dieses Gesetzes enthält, sind der EU-Richtlinie 2007/23/EG angepasst, sodass in den EU-Staaten, unter anderem Deutschland und Österreich, vergleichbare Regeln gelten werden: Feuerwerkskörper dürfen in Verkehr gebracht werden, wenn sie den Sicherheitsvorgaben der EU-Richtlinie entsprechen, einer der 4 Kategorien zugeordnet werden können und den Regeln entsprechend gekennzeichnet sind (Bedienungsanleitung!).
  • Die hochgiftigen Schwermetalle Blei, Arsen und Quecksilber und ihre Verbindungen sowie der organische Chlorlieferant Hexachlorbenzol (HCB) sind als Inhaltsstoffe verboten. Ausserdem dürfen Feuerwerkskörper keine Stoffe enthalten, die gemäss dem Chemikaliengesetz verboten sind.
  • Knallkörper am Boden sind verboten (ausgenommen ist Kleinfeuerwerk der Kategorie 1).
  • Die Kantone können weitere Bedingungen stellen und den Verkauf bzw. Gebrauch von Feuerwerk auf bestimmte Anlässe/Tage limitieren
  • Die 4 Kategorien sind:
    • 1: Feuerwerkskörper, die eine sehr geringe Gefahr darstellen und vernachlässigbar laut sind: z.B. Knallteufel, “Frauenfürze” (Ladycrackers), Tischfeuerwerk. Die Abgabe ist an Personen ab 12 Jahren erlaubt.
    • 2: Feuerwerkskörper, die eine geringe Gefahr darstellen, wenig laut sind und in eingegrenzten Bereichen draussen abzubrennen sind: Vulkane bis 250g Nettoexplosivmasse (NEM), Raketen bis 75g NEM, Römische Fackeln bis 50g NEM. Die Abgabe ist an Personen ab 16 Jahren erlaubt.
    • 3: Feuerwerkskörper, die eine mittlere Gefahr darstellen, draussen im Freien abgebrannt werden müssen, und deren Lärm bei sachgemässer Verwendung nicht gefährlich ist:  Raketen bis 500g NEM, Batterien bis 1000g NEM, Vulkane bis 750g NEM. Die Abgabe ist an Personen ab 18 Jahren erlaubt.
    • 4: Feuerwerkskörper, die eine grosse Gefahr darstellen und daher nur von Inhabern eines Verwendungsausweises ab 18 Jahren – also Profi-Feuerwerkern – verwendet werden dürfen. Solche Feuerwerkskörper sind nicht im freien Handel erhältlich und können nur von Inhabern eines Erwerbsscheins oder einer Abbrandbewilligung bezogen werden: Darunter fällt alles, was die Beschränkungen für Kategorie 3 übersteigt.

(Quelle: Kantonspolizei St.Gallen)

 

Fazit:

Feuerwerkskörper enthalten eine wahrhaft explosive Mischung der verschiedensten Stoffe, die gemeinsam zu wunderschönem – aber geräuschvollem Farbenspiel am Himmel und am Boden führen können. Wie bei vielen unserer technisierten Vergnügungen scheiden sich auch beim Feuerwerk die Geister: Tradition und bestaunenswerter Lichterzauber stehen gegenüber Belästigung oder gar Belastung durch Lärm, Rauch und Chemikalien.

Ich persönlich liebe das Spiel von Licht und Farben am Himmel, kann jedoch auf die Knallerei gut und gern verzichten. So kann ich die Argumente von Traditionsanhängern und Lärmemfindlichen oder Tierbesitzern gleichermassen nachvollziehen. Definierte Abbrandzeiten (bei Grossfeuerwerken und an Silvester weitgehend gegeben) und eine rechtzeitige Vorbereitung (Haustiere einsperren, Gehörschutz zur Hand haben) sollten in meinen Augen einen für beide Seiten vertretbaren Kompromiss ermöglichen.

Jene Kommentare von Tierbesitzern und -freunden auf sozialen Medien oder im Schnellzug, die ich unmittelbar nach dem eben erst begangenen 1.August 2016 zu lesen und zu hören bekam, lassen jedoch vermuten, dass die mir eigentlich sympathische und kompromissförderliche Gesetzgebung der Schweiz in Sachen Feuerwerk leider reichlich Beugung oder gar Umgehung erfährt.

Dabei gefährden jene, die Feuerwerkskörper unsachgemäss verwenden oder gar illegale, ungeprüfte “Polen-Böller” aus Osteuropa oder anderen Quellen abbrennen, nicht nur ihre Umgebung, sondern vor allem sich selbst. Denn die Energiemengen, die bei der Explosion von Feuerwerkskörpern in Form von Hitze und Schall freigesetzt werden, sind enorm. Und enorme Energiemengen können enormen, nicht wieder gut zu machenden Schaden anrichten.

Was die Chemikalien betrifft, die in Feuerwerk Verwendung finden oder beim Abbrennen entstehen, weckt nicht das Feuerwerk als solches meine Bedenken, sondern der Umstand, dass einige jener Inhaltsstoffe und Produkte des Feuerwerks, die wir nicht gern in unserer Umwelt wissen, so reichlich aus anderen menschlichen Quellen eben da hineingetragen werden, dass der Beitrag durch privates Feuerwerk dazu in den meisten Fällen nicht mehr sonderlich ins Gewicht fällt.

Alles in allem plädiere ich für Kompromissbereitschaft und gegenseitige Rücksichtnahme, ob am 1. August oder in der Silvesternacht – denn nur so können wir alle einen entspannten Feiertag verbringen.

Und wie steht ihr zum Feuerwerk? Brennt ihr selbst welches ab? Beobachtet ihr lieber, oder seid ihr mit euren Tieren beschäftigt? Habt ihr auch das Gefühl, dass das Feuerwerk sich hin zur Knallerei verändert? Ich freue mich über eure Kommentare!

Der Mai und Juni waren verregnet wie schon lange nicht mehr. Und das, nachdem viele von uns ihr liebstes Sommer-Fortbewegungsmittel längst aus dem Winterquartier geholt haben. Damit herrschen ideale Bedingungen für den grössten Feind von Autos, Fahrrädern, und was sonst noch so aus Eisen: Rost.

Bei anderen wiederum liegt Rost im Trend: Als schmucke Patina für Nützliches und Kunst in Haus- und Gartenbau. Und bei Frau Tonari und ihren Mitstreitern, die Ende jedes Monats eifrig Rostiges zur Rost-Parade zusammentragen. Und da bin ich dieses Mal auch dabei.

Rost im Garten

Rostig aber filigran: Dekoratives im Garten (Parque de Monserrate, Sintra, Portugal) CC-BY-SA 4.0 by Keinsteins Kiste

 

Aber wie es sich für eine Geschichte auf Keinsteins Kiste gehört, ist meine Geschichte vom Rost nicht nur ein Auszug unserer rostigen Entdeckungen der letzten Jahre, sondern auch ein Einblick in die Chemie dahinter: Was ist Rost eigentlich? Warum kann nur Eisen rosten? Warum gibt es so viel Rost an Schiffen? Wie kann man das eigene Eisen (in Form von Auto, Fahrrad, Gartentor und vielem mehr) vor Rost schützen? Und wie wird man ihn – wenn es dazu zu spät ist – wieder los?

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Bestimmt mit Absicht rostig: Wer kennt den “Ritter Rost”? Das hier ist vielleicht sein Ross “Feuerstuhl”! (entlaufen in den Norden des Bundesstaats Oregon, USA) CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

 

Was ist Rost?

Rost mit einer chemischen Formel zu beschreiben ist längst nicht so einfach wie bei vielen anderen Stoffen. Das liegt daran, dass Rost nicht einfach “ein Stoff” ist, sondern sich gleich aus mehreren zusammensetzt.

Eine chemische Formel für Rost, die dieses Stoffgemisch zu beschreiben sucht, lautet:

In Worten: Rost ist ein wasserhaltiges Gemisch aus verschiedenen Eisenoxiden. Bei den Eisenoxiden handelt es sich um Salze, also Stoffe, die aus Ionen bestehen. Diese verschieden geladenen Ionen werden von der elektrostatischen Anziehung in Kristallgittern zusammengehalten, die wir als atemberaubend regelmässige Kristalle sehen und in der Hand halten können. Beim Rost herrscht jedoch Uneinigkeit, was den Aufbau dieses Gitters angeht: Die Gitter von FeO und Fe2O3 sowie weiteren Sauerstoff-Verbindungen des Eisens sind sich so ähnlich, dass sie sich kreuz und quer durcheinander aufbauen und je nach äusseren Umständen ineinander übergehen. Und zu alledem sind auch noch Wassermoleküle in diesem Gitter eingeschlossen.

Diesen Umstand beschreiben die “*”-Zeichen in der Formel: Wenn die erste Formel einen Kristall beschreibt, beschreibt die Formel hinter dem “*” ein Teilchen – meist ein Molekül – das auch noch in das Kristallgitter eingebaut ist. Wenn es sich dabei um Wasser handelt, nennen die Chemiker diese eingebauten Wassermoleküle “Kristallwasser”.

Tatsächlich beschreibt aber auch diese Formel “nur” den Endpunkt verschiedener aufeinander folgender Entwicklungsstufen, die in echtem Rost alle nebeneinander vorliegen. Wie das vor sich geht?

Auf Lanzarote in einer sichtlich feuchten Höhle entdeckt: Eisenoxide einmal kosmisch CC-BY-SA 4.0 by Keinsteins Kiste

 

Wie entsteht Rost?

Die Entstehung von Rost ist ein besonderer Fall eines Vorgangs, der Korrosion genannt wird. Korrosion – das sind Reaktionen von elementaren Metallen (also ungeladenen Metall-Atomen) mit Stoffen in ihrer Umgebung.

Säurekorrosion

Die vielleicht simpelste dieser Reaktionen mag vielen aus der Schule wohlbekannt sein: Kommt ein Metall wie Eisen mit Säure in Berührung, werden Atome aus der Metalloberfläche gelöst und gehen als Ionen in die Flüssigkeit über. Dabei entsteht Wasserstoff, der in kleinen Gasblasen aufsteigt und beim Entzünden geräuschvoll verpufft.

Übrig bleiben nach dieser “Säure-Korrosion” die Metallionen und die Anionen der ursprünglichen Säure (hier Chlorid-Ionen als Anionen der Salzsäure). Und wenn aus vormals ungeladenen Teilchen Ionen entstehen, sind zwangsweise Elektronen ausgetauscht worden (denn ein Austausch von Kernladung in Form von Protonen fiele – sofern möglich – in den Bereich der Kernphysik):

Die Metall-Atome geben Elektronen ab, die von der Säure stammenden H+-Ionen nehmen diese Elektronen auf. Chemiker nennen die Abgabe von Elektronen “Oxidation” und die Aufnahme von Elektronen “Reduktion”. Das Metall wird also oxidiert, die H+-Ionen reduziert. Und dabei entstehen ungeladene Wasserstoffatome, die zu je zweien ein Wasserstoffmolekül bilden.

Sauerstoffkorrosion

Bei der Entstehung von Rost ist allerdings keine Säure im Spiel (zumindest keine stärkere als Wasser selbst). Anstelle von H+-Ionen sind dabei nämlich Sauerstoff-Moleküle für die Aufnahme von Elektronen zuständig, die in Folge ihrer Reduktion Oxid-Anionen bilden. Und Sauerstoff gibt es reichlich in der Luft. Da allerdings sowohl die entstehenden Eisen-Ionen als auch die Oxid-Ionen irgendwo hin müssen (und Luft kommt dafür nicht in Frage), funktioniert dieser Elektronenaustausch nur in Wasser, in welchem die verschiedenen Ionen in Lösung gehen können:

Wenn ein Wassertropfen eine Eisenoberfläche benetzt, können Eisenatome im Innern des Tropfens zwei Elektronen abgeben und sich als Fe2+-Ionen im Wasser von der Oberfläche fort bewegen. Die beiden abgegebenen Elektronen bleiben dabei zunächst in der Metalloberfläche zurück – welche sich somit negativ auflädt.

Auch Sauerstoffmoleküle können sich in Wasser lösen und so in einen Wassertropfen eindringen (Chemiker sagen “hinein diffundieren”), und zwar direkt aus der Luft durch dessen Aussenhaut. Wenn sie so am Rand des Tropfens in die Nähe der Eisen-Oberfläche gelangen, können sie dort überschüssige Elektronen aus dem Eisen aufnehmen.

Da Oxid-Anionen (O2-) aber nicht einfach so in Wasser existieren können, läuft die tatsächliche Reaktion etwas anders:

Das Hydroxid-Anion (OH) ist im Prinzip nichts anderes als ein “unfertiges” Oxid-Anion, das entsteht, wenn ein Sauerstoff-Atom neben zwei Elektronen auch noch ein H+-Ion aufnimmt (dieses H+-Ion wird jeweils von einem Wassermolekül abgegeben, wobei ebenfalls OH entsteht. So bleibt für jedes Sauerstoff-Atom (anfangs je eins in beiden Wassermolekülen und zwei im Sauerstoffmolekül) am Ende ein Wasserstoff-Atom.

Und Hydroxid-Ionen können problemlos in Wasser existieren (tatsächlich sind sie sogar unverzichtbare Bestandteile von Wasser, aber das ist eine andere Geschichte).

Es entsteht also eine Lösung des Salzes Eisen(II)hydroxid. Die römische II, auch Oxidationszahl genannt, gibt dabei an, wie viele Elektronen das Eisen abgegeben hat.

Eisen(II)hydroxid ist weisslich und nicht sehr beständig, denn Fe2+-Ionen geben leicht ein weiteres Elektron an Sauerstoff ab:

Das so entstehende Eisen(III)hydroxid ist schliesslich rostbraun. Dabei sind beide Eisenhydroxide wasserlöslich, sodass sich alle Ionen voneinander getrennt im Wasser bewegen können. Erst wenn das Eisen(III)hydroxid Wasser abgibt

bildet sich schwerlösliches Eisen(III)oxid-hydroxid, das sich als fester Rost auf der Eisenoberfläche absetzt: Es entsteht ein Ionenkristall, in dessen Gitter die abgegebenen Wassermoleküle eingebaut werden, wie es die Formulierung mit dem “Mal” andeutet. Folglich bleibt das “abgegebene” Wasser dem Rost zunächst erhalten.

Aber auch das Eisen(II)hydroxid sowie das Eisen(III)oxid-hydroxid können Wasser abgeben:

Während die letzten drei Reaktionen untrennbar miteinander ablaufen, bilden sich  zunehmend feste, aber stets spröde, sich abschuppende Beläge auf der Eisenoberfläche – allerdings nicht unbedingt dort, wo sich die Fe2+-Ionen von der Eisenoberfläche lösen!  So ist der entstehende Rost dem Austausch von Ladungen, welcher für Redox-Reaktionen Voraussetzung ist, weder räumlich direkt im Weg, noch kann er eine luft-und wasserdichte Barriere bilden. Die Folge dessen: Ein Eisenstück, das ungeschützt Luft und Wasser ausgesetzt ist, rostet früher oder später durch.

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Rost ist nicht sehr beständig und rinnt ungeniert auch über weisse Buchstaben (Valley of Fire State Park, Nevada, USA CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

 

Können Steine rosten?

Wer sich in der Natur aufmerksam umsieht, findet häufig Steine oder ganze Gesteinsschichten mit rostroten Verfärbungen. Und in manchen Gegenden sind sogar ganze Gesteinsmassive strahlend rot – wie zum Beispiel auf dem Colorado-Plateau im “wilden Westen” Nordamerikas.

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Balanced Rock: Rostige Steine im Arches Nationalpark, Utah, USA CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

 

Und tatsächlich können auch Steine rosten – nämlich dann, wenn sie Eisen enthalten. Dieses Eisen kann nämlich – meist im Zuge der Entstehung des jeweiligen Gesteins – zu verschiedenen Eisenoxiden reagieren, die als Bestandteile des Gesteins für die rote Farbe sorgen. Unter diesen Eisenoxiden kommt das Mineral Lepidokrokit dem “echten” Rost am nächsten. Es wird mit der Formel γ-FeO(OH) beschrieben (das γ dient der Unterscheidung von anderen Kristall-Varianten mit der gleichen Verhältnisformel) und enthält im Unterschied zum “echten” Rost kein zusätzliches Kristallwasser, was das Mineral relativ beständig macht.

Anstatt in sichtbaren Kristallen können Mineralien wie dieses auch feinkörnig in Gesteinen enthalten sein und die verschiedensten Steine rot färben – wie den Sandstein auf dem Colorado-Plateau oder Lava (eigentlich grau oder schwarz) an den Hängen der Vulkankegel auf Lanzarote.

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Rostrote Lava-Schlacke im Timanfaya Nationalpark, Lanzarote CC-BY-SA 4.0 by Keinsteins Kiste

 

Was bewegt all diese Salze zum Umbau ihrer Kristalle?

Die gezeigten Reaktionen sind ausgewählte Vorgänge in einem System, in welchem sich ein chemisches Gleichgewicht einzustellen versucht. Das heisst, sie sind umkehrbar, und sobald sich das Gleichgewicht tatsächlich eingestellt hat, laufen die Reaktionen in entgegengesetzte Richtungen gleich schnell ab. Monsieur Le Châtelier erklärt auf dem Flughafen gern die Einzelheiten dazu.

Kurzum: Ein System im Gleichgewicht hat die Eigenheit, dass die Zugabe oder Entnahme eines daran beteiligten Stoffs zu einer Verschiebung des Stoffmengenverhältnisses im Gleichgewicht führt – und zwar derart, dass es dem Effekt durch die Zugabe oder Entnahme des Reaktionspartners ausweicht (das entspricht dem Prinzip von Le Châtelier, das auch Prinzip des kleinsten Zwanges genannt wird).

Mit anderen Worten: Wenn die rostige Eisenoberfläche langsam abtrocknet, das Wasser am Ort der Rostentstehung also verdunstet, werden Wassermoleküle, wie sie in den letzten drei Reaktionen entstehen, dem System entzogen. Dem Prinzip von Le Châtelier folgend sind diese drei Teilsysteme entsprechend geneigt, neue Wassermoleküle nach zu liefern (und so auch die ihnen vorangehenden Teilreaktionen, welche die dazu nötigen Ausgangsstoffe liefern, zu befeuern).

So entsteht eine ganze Kette von einander beeinflussenden Reaktionen, welche im Idealfall mit dem Gemenge kristallwasserhaltiger Eisenoxide endet, das die Formel x FeO • y Fe2O3 • z H2O vom Anfang zu beschreiben sucht.

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Dampfmaschinenzug im Death Valley Nationalpark – Der Rost zeigt: Auch hier gibt es Wasser. Manchmal. CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

 

“Rosten” auch andere Metalle?

Tatsächlich rosten kann natürlich nur Eisen – denn nur Eisen kann zu den rostroten Eisenoxiden reagieren. Korrodieren können hingegen auch viele andere Metalle. Einige haben dabei jedoch das Glück, dass ihre Hydroxide oder andere entstehende Salze nicht oder kaum wasserlöslich sind. So bilden sie sich direkt an der Metalloberfläche und bedecken diese bald lückenlos, sodass sie das darunter liegende Metall vor dem Einfluss von Wind und Wetter schützen. Zu den Metallen, die auf diese Weise gegenüber Wasser “passiv”, also unreaktiv werden, zählen Zink, Magnesium und Aluminium. Besonders Zink findet man häufig draussen, als Oberfläche von Leitplanken, Schildermasten und manchem mehr. Die hauchdünne Oxidschicht auf den Metalloberflächen lässt das ursprünglich glänzende Metall stumpf aussehen – aber dafür korrodiert es nicht!

In gewisser Weise rosten kann das Metall Mangan, das im Periodensystem gleich links vom Eisen zu finden ist. Mangan bildet eine ganze Reihe meist wasserhaltiger Oxide und Hydroxide, die in der Gruppe der “Braunsteine” zusammengefasst werden. Die Braunsteine kommen in der Natur als Mineralien vor – darunter Manganit MnO(OH) und der im Endzustand wasserfreie Pyrolusit (MnO2 – richtig, Mangan kann auch 4 Elektronen abgeben!).

Für farbenfrohe Korrosionserscheinungen ist jedoch das Metall Kupfer sehr viel bekannter: Die vielerorts sichtbare grüne Patina auf Kupferdächern und Bronzeskulpturen (Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und anderen Metallen (ausser Zink)) besteht jedoch nicht aus Kupferoxiden (die wären schwarz bzw. rot), sondern aus einem Gemisch verschiedenster Kupfersalze. Darunter können Kupfercarbonate (aus Reaktionen mit Kohlenstoffdioxid, CO2), -sulfate (aus Reaktionen mit Schwefeldioxid, SO2), vornehmlich am Meer Kupferchlorid (die Chloridionen liefert das Kochsalz im Meer, NaCl), Hydroxide (aus Reaktionen mit Sauerstoff und Wasser) und verschiedene Salze organischer Säuren sein.

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Bronzener Kapitän auf rostigem Schiff: Kupfer bildet eine grüne Passiv-Schicht aus verschiedenen Salzen, Eisen rostet rötlich. (Cascais, Portugal)  CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

 

Die häufig gehörte Bezeichnung “Grünspan” für die grüne Schicht auf Kupfer und Bronze ist daher nicht ganz richtig. Denn Grünspan ist eigentlich der landläufige Name nur eines ganz bestimmten Salzes, nämlich des Kupfer(II)acetats, eines Salzes der Essigsäure.

 

Welche Metalle können an Luft und Wasser korrodieren? Gibt es da eine Regel?

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Eine wahrhaft amerikanische Idee: Diese Versuchsreaktoren wurden geschaffen um Flugzeugturbinen anzutreiben. Atomgetriebene Flugzeuge? Hat nicht funktioniert – und jetzt rosten sie (EBR-1, Idaho State, USA) CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

 

Theoretisch kann jede Atom- oder Ionensorte Elektronen aufnehmen, doch ihr Bestreben danach ist sehr unterschiedlich stark. Grundsätzlich gilt dabei jedoch: Wenn unterschiedliche Atom- bzw. Ionensorten zusammenkommen, können die Atome oder Ionen, welche lieber Elektronen aufnehmen als ihre Reaktionspartner, Elektronen der anderen Atomsorte übernehmen: Der Partner, der stärker bestrebt ist Elektronen aufzunehmen, wird reduziert, der andere Partner wird oxidiert.

Das “Bestreben Elektronen aufzunehmen” nennen Chemiker das Redox-Potential eines Teilchens – dargestellt als Paar von Teilchen vor und nach der Elektronen-Aufnahme. Das Redox-Potential kann wie eine elektrische Spannung gemessen werden und hat deshalb auch deren Einheit: Volt.

Je positiver das Redox-Potential ist eines solchen Teilchenpaares ist, desto lieber wandelt sich der elektronenärmere Partner durch Elektronen-Aufnahme zum elektronenreicheren Partner (d.h. je positiver das Redox-Potential ist, desto lieber wird der elektronenärmere Partner reduziert.

(Das Redox-Potential für die Paarung Fe/Fe2+ ist negativ: Fe2+ wird nur schwerlich reduziert – Fe dafür um so leichter oxidiert).

Das Redox-Potential eines Teilchenpaares lässt sich auch mit guten Kenntnissen des Aufbaus der Atome allenfalls abschätzen. Genaue Werte müssen hingegen gemessen werden. Unglücklicherweise kann man einzelne Redox-Potentiale, also das Streben einer einzelnen Teilchensorte nach Elektronenaufnahme, nicht messen, sondern nur das Bestreben, Elektronen von einem bestimmten Reaktionspartner zu übernehmen.

Aber Chemiker wären nicht Chemiker, wenn sie da nicht einen Ausweg gefunden hätten: Sie haben einfach ein Teilchenpaar bestimmt, dessen Redox-Potential gleich Null sei, nämlich die Paarung von H+-Ionen und Wasserstoffatomen (in Wasserstoffmolekülen, H2, die durch Aufnahme je eines Elektrons pro Atom aus den H+-Ionen entstehen) unter ganz bestimmten Rahmenbedingungen. Dieses Paar kann man in Wirklichkeit nebeneinander stellen, indem man eine reaktionsträge Platin-Elektrode in eine Lösung mit 1 mol/l H+-Ionen taucht und sie mit Wasserstoff-Gas (bei einem Druck von 1 bar) umspült. Eine solche Konstruktion wird Normal-Wasserstoffelektrode genannt.

Und wenn man die mit einer Wirklichkeit gewordenen Paarung anderer Teilchen (zum Beispiel einer Eisenelektrode in einer Lösung von Eisen-Ionen) verbindet und ein Voltmeter dazwischen schaltet, zeigt dieses die Differenz zwischen dem Redox-Potential des Eisen-Paares und jenem der Normal-Wasserstoffelektrode – also die Abweichung des Redox-Potentials des Eisen-Paares von Null.

So lange die Chemiker sich also einig sind, wie eine Normal-Wasserstoffelektrode auszusehen hat und welche Rahmenbedingungen einzuhalten sind (Temperatur, Druck, Konzentration der Ionenlösung..), gilt der gemessene Wert als Redox-Potential des Eisenpaares.

So unter stets gleichen Bedingungen gemessene Werte für verschiedene Teilchenpaare kann man in einer Liste ordnen, die als Spannungs- oder Redox-Reihe bekannt ist.

Spannungsreihe

Spannungsreihe: Einige Teilchen-Paare und ihre Redox- (hier: Standard-)potentiale

 

In dieser Liste kann man nun ablesen, dass Sauerstoff in Gegenwart von Wasser viel stärker danach strebt Elektronen aufzunehmen und zu OH zu reagieren, als Fe2+-Ionen zu Eisen-Atomen zu reagieren streben. Die Folge: Eisen rostet bei Wind und Wetter ohne viel Federlesen.

Gold-Ionen (Au3+) würden wiederum sehr viel lieber Elektronen aufnehmen und zu Gold-Atomen reagieren, als Sauerstoff in Gegenwart von Wasser. Die Folge: Gold “rostet” selbst in Jahrtausenden in feuchter Erde nicht. Das starke Streben nach Elektronenaufnahme überdies dazu, dass Gold-Atome ihre Elektronen auch in Gegenwart der meisten Säuren erst gar nicht an Wasserstoff abgeben. Damit ist Gold auch weitgehend sicher vor Säurekorrosion (so lange man nicht im Labor zu richtig “brutalen” Mitteln greift)

Ihre Beständigkeit gegenüber Säure- und Sauerstoffkorrosion hat Gold und anderen Metallen, die auch bei Wind und Wetter ihren Glanz auf wundersame Weise mehr oder weniger lange behalten, die Bezeichnung “Edelmetalle” eingetragen. Metalle, die leicht korrodieren, werden hingegen auch “unedel” genannt.

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Einst wurde hier begehrtes Edelmetall geschürft – jetzt rostet es vor sich hin: Verlassene Goldmine bei Cripple Creek, Colorado, USA  CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

 

Warum rostet Eisen am Meer besonders stark?

Auf der Kanaren-Insel Lanzarote hat uns eine Erkundungstour einmal in einen (zukünftigen) Ortsteil in Küstennähe geführt, in welchem die Strassen samt Strassenlaternen, Papierkörben und mehr vor dem Bau der Häuser (mit dem man noch nicht einmal begonnen hatte!) angelegt worden waren. Zu unserem Erstaunen fanden wir die Laternen auf den einsam da liegenden Strassen hochgradig verrostet vor (und haben leider keine Bilder gemacht). Konnte sich der Bau der Häuser tatsächlich schon so lange verzögert haben? Eigentlich wirkten die Strassen selbst doch ziemlich neu…da musste das Eisen irgendwie schneller als gewöhnlich gerostet sein – und zwar aus folgendem Grund:

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Nicht auf Lanzarote, dafür auf Teneriffa zeigt diese Sonnenuhr trotz Rost die Zeit CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

 

Die beiden Teilreaktionen zum Austausch von Elektronen zwischen Eisen und Sauerstoff finden während der Rost-Entstehung an verschiedenen Orten statt. Beide Reaktionen können daher nur dann dauerhaft ablaufen, wenn genügend Ladungen zwischen diesen Orten hin- und her geschafft werden können. Und für einen reibungslosen Ladungstransport wird ein möglichst guter elektrischer Leiter benötigt.

Bei der Rost-Entstehung bildet der Wassertropfen diesen Leiter (ein flüssiger elektrischer Leiter wird auch Elektrolyt genannt): Reines Wasser enthält immer auch einige wenige H3O+– und OH-Ionen, die zwecks Ladungstransport bewegt werden können. Sind im Wasser aber zusätzliche Ionen enthalten – zum Beispiel weil Meersalz darin gelöst ist (), dann leitet es den Strom um ein Vielfaches besser, sodass der Elektronenaustausch bei der Rost-Entstehung viel schneller bewerkstelligt werden kann!

Deshalb ist nicht nur die Anlage von Geister-Strassen an der Küste und ohne besonderen Rostschutz unklug. Auch wer mit eisernen Schiffen zur See fährt, sollte sich regelmässig und gründlich um Rostschutz bemühen, möchte er nicht irgendwann mit Mann und Maus untergehen.

Bohrinseln

Ausgemustert oder zwecks (Rost-)Reparatur auf dem Trockendock? Bohrplattformen im Hafen von Santa Cruz de Tenerife CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

Aber wie kann man Eisen vor dem Rosten schützen?

Wie man ein Metall vor dem Angriff durch Sauerstoff und Wasser schützt? Indem man diesen beiden Übeltätern etwas in den Weg stellt! Das lässt sich beim Eisen auf mehreren Wegen erreichen:

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Stop Korrosion! Rost-Polizei an der Route 66, Arizona, USA CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

1. Man verarbeitet das Eisen zu “rostfreiem” Stahl – einer Legierung (ein Mischmetall aus verschiedenen Metallatomen) von Eisen mit mindestens 10,5% Chrom und weiteren Bestandteilen in kleinen Mengen. Das Chrom bildet eine luft- und wasserdichte “Passivschicht” aus Chromoxid an seiner Oberfläche und schützt damit auch die Eisenatome in seiner Nachbarschaft. Der Nachteil: Solche Stähle sind zäher als Eisen, was das Bohren darin erschwert und dazu führt, dass Gewinde von Schrauben sich schneller festfressen.

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Kein Chromstahl: Rostender Stahlträger aus dem alten World Trade Center vor dem Neubau – 9/11-Denkmal auf Staten Island, New York City, USA CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

2. Man streicht Eisenteile mit möglichst witterungsbeständigen Farben oder Lacken. Da kommen Wasser und Sauerstoff im Idealfall nicht durch. Allerdings gibt praktisch jede Farbschicht dem Trommelfeuer von Sonnenstrahlung, Wind und Nässe früher oder später nach und blättert ab. Und wenn man dann nicht sofort nachstreicht, rostet das Eisen eben doch.

Rostiges Schild

Dem Wilden Westen ist kein Lack gewachsen (gefunden auf Antelope Island im Great Salt Lake, Utah, USA) CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

Wesentlich beständiger als ein Anstrich mit Lack und Farbe ist eine Beschichtung des Eisens mit einem anderen Metall. Bewerkstelligen lässt sich das, indem man das Metall mittels Elektrolyse auf dem Eisen abscheidet, oder indem man das Eisen komplett in das geschmolzene Metall eintaucht. Die beiden Metallschichten “verzahnen” sich dabei an ihrem Übergang praktisch Atom für Atom, was sie nahezu untrennbar miteinander verbindet.

3. Auf den ersten Blick scheinen für eine solche Beschichtung “edlere”, also korrosionsbeständige Metalle Wunschkandidaten zu sein. Das dachten sich auch die Hersteller von Dosen aus Weissblech, also aus mit einer Zinn-Schicht versehenem Eisen.
Die Korrosionsbeständigkeit kann jedoch ebenso gut zum Problem werden, beruht sie doch darauf, dass “edlere” Metalle noch lieber Elektronen aufnehmen als Eisen. Sobald die Zinn-Schicht einer Weissblech-Dose nämlich beschädigt wird, sodass das Eisen Fe2+-Ionen an Wasser in seiner Umgebung abgeben kann, sorgt das verbleibende Zinn in der Nachbarschaft des Schadens dafür, dass die zurückbleibenden Elektronen sich gar nicht erst im Eisen ansammeln können, sondern umgehend zur Reduktion weitergeleitet werden. So rostet beschädigtes Weissblech letztlich noch schneller als ungeschütztes Eisen.

Desoto

Auch Chrom ist edler als Eisen: Wo die Chromschicht leckt, rostet es besonders schnell (an der Route 66, Arizona, USA) CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

4. Das Problem mit den edleren Metallen kann man sich jedoch ebenso gut zunutze machen – indem man nämlich das Eisen mit einem unedleren Metall beschichtet, zum Beispiel mit dem sehr beliebten Zink. Wind und Wetter ausgesetzt bildet Zink an seiner Oberfläche rasch eine passive Schicht, die es zunächst vor der weiteren Korrosion bewahrt. Kommt aber ein verzinktes Eisenwerkstück zu Schaden, übernimmt das freigelegte Eisen die Rolle des edleren Metalls: Es begünstigt die Korrosion des Zinks ohne selbst Schaden zu nehmen. Das verschafft Verantwortlichen Zeit um den Schaden zu beheben ehe Rost entstehen kann.

5. Eine noch extremere Variante von Methode Nummer 4 kommt zum Beispiel bei unterirdischen Eisen-Tanks zum Einsatz: Dort wird ein Block aus einem sehr unedlen Metall über eine Leitung mit dem Tank verbunden und…schlichtweg der Korrosion überlassen. Denn während eine solche “Opferanode”, beispielsweise aus Magnesium, langsam oxidiert wird, liefert sie Elektronen, die an der Eisenoberfläche zur Reduktion eingesetzt werden können – ohne dass Eisenionen ins Spiel kommen und somit Rost entsteht. Es empfiehlt sich daher, solche Opferanoden regelmässig zu ersetzen, ehe sie gänzlich oxidiert sind. Oder man schliesst den Eisentank an den (physikalischen) Minuspol einer Gleichstromquelle (Batterie) an, deren Pluspol mit einer Graphitelektrode verbunden ist. So lange die Batterie hält, liefert dann sie anstelle des Eisens die Elektronen für die Reduktion.

 

Und was tun, wenn schon Rost entstanden ist?

Dächer in Bodie

Rost liebevoll kultiviert: Dächer in der Geisterstadt Bodie (wird als Freilichtmuseum gefplegt) in der Sierra Nevada, Californien, USA  CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

 

Da Rost in der Regel durchlässig daher kommt und nicht wenig Wasser enthält, solltest du entstandenen Rost in jedem Fall entfernen, ehe du zu weiteren Rostschutzmassnahmen schreitest. Am einfachsten schleifst du ihn schlichtweg ab – mit einer passenden Schleifmaschine oder einem Sandstrahler.

Wenn das allerdings zu mühsam ist, oder eine bestehende Schutzschicht dadurch weiter beschädigt werden könnte, kannst du kleineren Roststellen stattdessen mit einem “Rostumwandler” zu Leibe rücken, zum Beispiel mit verdünnter Phosphorsäure (H3PO4). Die reagiert nämlich mit den Sauerstoff-Verbindungen von Fe3+-Ionen im Rost zu Eisen(III)phosphat, FePO4, welches anders als Rost fest und undurchlässig ist und überdies mit seiner stumpfgrauen Farbe nicht so auffällt.

Phosphorsäure ist übrigens auch nicht zu knapp in Cola anzutreffen, weshalb das Getränk unter Liebhabern älterer Fahrzeuge auch schonmal als Rostumwandler zweckentfremdet wird. Phosphorsäurelösung in etwas höherer Konzentration ist im Zweifelsfall jedoch merklich wirksamer.

Beiden Methoden gemeinsam ist allerdings der Haken: Das einmal zu Rost reagierte Eisen ist unrettbar verloren. Beim Abschleifen wird es einfach vom Werkstück entfernt, während es durch Rostumwandler in eine andere Verbindung eingebaut wird, die zwar beständiger als Rost, aber ebenfalls ein Salz ist, das gänzlich andere Eigenschaften hat als ein Metall.

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Definitiv zu spät für Rostschutzmassnahmen: Echte Rostlaube (das Auto, nicht ich!) in der Geisterstadt Bodie, Californien, USA CC-BY-SA 4.0 by Reto Lippuner

 

Ich empfehle in Sache Rost also Vorsorge statt Nachsorge : Gönne deinem Eisen einen guten Rostschutz, bevor sich Rost bilden kann – und wenn doch etwas rostet, sorge rasch dafür, dass dem Einhalt geboten wird. Es sei denn, du möchtest auch an der Rostparade teilnehmen, die am Ende jedes Monats von Frau Tonari ausgerufen wird, und benötigst dazu noch ein Fotomotiv!

Und was ist Rost für dich? Lästiger Übeltäter oder farbige Oberflächenverschönerung?

Tigerschnegel : Bekämpfung unnötig - ich bin ein Verbündeter!

Endlich grünt und blüht es überall, und immer wieder scheint die Sonne, lockt uns hinaus ins Freie, in den Garten und auf den Balkon. Lange genug haben unzählige fleissige Hobbygärtner darauf gewartet, ihrem Lieblingshobby wieder frönen und zu Schaufel und Hacke greifen zu können, um bald ihrem mit Liebe herangezogenen Grün beim Wachsen zusehen zu können.

Zu den Hobbygärtnern zählen gewiss auch meine “Schwiegereltern”, die im Garten ihres Wochenendhäuschens Erdbeeren, Kartoffeln und manches mehr anzubauen pflegen. Doch obgleich Haus und Garten gute 30 Kilometer vom Standort der Kiste entfernt liegen, glaube ich die Flüche der Schwiegermutter schon wieder hören zu können: “Oh, diese Schnecken!! Ich werfe sie schon eimerweise über den Gartenzaun (keine Sorge um die Nachbarschaft: dahinter befindet sich eine wilde Wiese), aber ich glaube, die kommen immer wieder zurück!”

Wie es scheint, leiden die Schwiegereltern – oder besser ihr Garten – jahrein, jahraus unter einer gehörigen Schneckenplage. “Und wenn wir sie nicht absammeln und hinaus befördern, fressen uns die Biester alles kahl!”

Da muss es doch Abhilfe geben, denke ich, und fange an mich schlau zu lesen. Dabei stosse ich auf einen für manchen womöglich überraschenden Aspekt des Schneckenproblems: Den Weg über den Gartenzaun finden womöglich genau die falschen Schnecken. Nämlich jene, die ihr Eigenheim auf dem Rücken mit sich herumtragen und sich daran schleimfrei anfassen und aufheben lassen. Diese Arten ernähren sich nämlich vornehmlich von welken Pflanzenresten oder Algen.

Schneckenarten

Gehäuseschnecken wie die Bänderschnecken (links oben, CC BY-SA by Reto Lippuner) und die Weinbergschnecke (links unten, CC BY 3.0 DE by C.Löser) sind für Kahlschlag im Garten nicht verantwortlich. Die eigentlichen Feinde unserer Pflanzen sind Nacktschnecken, darunter die gefürchtete spanische Wegschnecke (rechts oben, CC BY-SA 3.0 by Aiwok), die rote (rechts unten, CC BY-SA 3.0 by Guillaume Brocker) und schwarze Wegschnecke, aber auch die kleinere, nicht minder gefürchtete genetzte Ackerschnecke (s. Artikelbild,).

 

Unsere eigentlichen Widersacher sind hingegen obdachlos: Nacktschnecken, wie die Spanische Wegschnecke, tun sich eifrig an frischen Blättern gütlich und hinterlassen unschöne Löcher oder gleich kahle Pflanzentriebe. Und Nacktschnecken anzufassen oder gar aufzusammeln kostet manchen Menschen schon einiges an Überwindung.

Aber der Mensch hat doch längst etwas erfunden, um im Krieg gegen die immer hungrigen Schleimer die Oberhand zu behalten… dieser Gedanke führt mich ins Gartencenter, in dem Bestreben, die Schwiegereltern von dieser einen Sorge zu befreien.

 

In der Verkaufshalle des Gartencenters erstreckt sich ein wahres Chemiker-Paradies meterlang und überkopfhoch vor mir: Düngemittel und Giftstoffe aller Art, gegen nahezu alles was da kreucht und fleucht und unserem geliebten Grünzeug über Gebühr auf die Pelle rücken könnte… und ein ganzer Regalboden bietet eine breite Auswahl dessen, was ich suche: Schneckenkörner. Doch warum gleich ein ganzes Regalfach? Was ist Schneckenkorn eigentlich, und worin unterscheiden sich die verschiedenen Sorten?

Schneckenkorn ist ein Granulat aus einem porösen Trägermaterial, das mit einem oder mehreren Wirkstoffen getränkt ist. Die wirklich effektiven Schneckengifte unter diesen Wirkstoffen haben die “Nebenwirkung”, dass sie Schnecken wie magisch anziehen und im besten Fall dazu verleiten, die Körner sogar zu fressen.

Schneckenkorn: Grosse Auswahl zu nur einem Zweck

Eines haben alle Schneckenkörner gemeinsam: Sie sorgen dafür, dass jede Schnecke, die diese vermeintlichen Leckerbissen frisst, alsbald das Zeitliche segnet. Und zwar alle Schnecken, gleich ob mit oder ohne Haus. Und ein schönes Ende haben sie gewiss nicht – das verrät eine nähere Recherche der verschiedenen Giftstoffe.

Schneckenkorn : Der Warnfarbstoff markiert das Gift für Menschen deutlich.

Ausgestreute Schneckenkörner, hier mit blauem Warn-Farbstoff: Achtung, giftig!

Methiocarb

Das wohl fieseste der Molluskizide – so werden Schneckengifte von Fachleuten genannt – werde ich in meinem Gartencenter in der Schweiz nicht finden: Es ist hierzulande gar nicht als Schneckenkiller zugelassen. In Deutschland auch nicht – dort ist es allerdings erst seit September 2014 verboten, sodass nur die deutschen Gärtner wissen mögen, ob und wieviel davon noch in ihren Schuppen und Kellern auf Vorrat lagert. In Österreich ist es hingegen durchaus möglich, Methiocarb in Schneckenkörnern anzutreffen. Deswegen soll es hier Erwähnung finden.

Methiocarb ist seines Zeichens ein sogenannter Acetylcholin-esterase-Hemmstoff.

Acetylcholin ist ein Neutrotransmitter – ein Molekül, dessen Aufgabe es ist, Nervensignale über den synaptischen Spalt, den Abgrund zwischen einer Nervenzelle und der nächsten zu “transportieren”: Wenn Acetylcholin die nächste Zelle erreicht, wird das Nervensignal innerhalb dieser auf elektrischem Wege weitergeleitet. Sobald das Acetylcholin diesen Job erledigt hat, kommt das Enzym Acetylcholinesterase zum Einsatz und zerlegt die Acetylcholin-Moleküle fachgerecht in wiederverwendbare Bruchstücke.

Unglücklicherweise (nicht nur) für die Schnecken finden Methiocarb-Moleküle und Acetylcholinesterase einander sehr anziehend und reagieren unwiederruflich miteinander. Allerdings kann das Enzym Methiocarb nicht zerlegen. Wenn die Acetylcholinesterase und Methiocarb zusammen finden, wirkt letzteres wie Sand im Getriebe: Nichts geht mehr, das Enzym-Molekül ist ausser Gefecht. Da hilft nur noch, das ganze Molekül zu verschrotten und neu zu bauen. Und das kann dauern – schliesslich ist solch ein Enzym ein ziemlich grosses und komplexes Protein.

Biochemiker sprechen von einer nicht-kompetitiven Inhibition der Cholinesterase. Dazu in der Lage sind z.B. auch das berühmte Insektizid Parathion “E 605” und Kampfstoffe wie Sarin oder Tabun. Andere Stoffe, die die Cholinesterase kompetitiv hemmen, d.h. durch ausreichend Acetylcholin wieder verdrängt werden können, werden hingegen als Medikamente gegen verschiedene Krankheiten eingesetzt (z.B. “ACE-Hemmer” gegen hohen Blutdruck).

 

Kommt schliesslich ein neues Nervensignal an den synaptischen Spalt, während die vorrätige Cholinesterase ausser Gefecht gesetzt ist, wird das ausgeschüttete Acetylcholin nach Erledigung seiner Aufgabe nicht abgebaut und sendet fröhlich weiter sein Signal, ungeachtet dessen, dass die nachfolgende Zelle unter dem Dauerfeuer völlig verrückt spielt.

Acetylcholin kommt an verschiedenen Übergängen zwischen Nerven- und anderen Zellen zum Einsatz, nicht zuletzt am Übergang von Nerven- zu Muskelzellen. Schnecken, die Methiocarb verspeisen, werden in Folge dessen geradezu rasend, sprich hyperaktiv, ehe die Muskelfunktion durch das synaptische Chaos gänzlich zum Erliegen kommt, sodass die Schnecken an Ort und Stelle verenden.

Das allein ist schon kein schönes Ende – hinzu kommt, dass man nach geschlagener Schlacht die herumliegenden Schneckenleichen noch beseitigen muss.

Der eigentliche Haken an der Sache kommt aber noch: Denn Acetylcholin findet nicht nur in Schnecken, sondern auch in den Körpern zahlreicher weiterer Tiere – Wasserlebewesen, Insekten, Vögel (die finden es jedoch alles andere als schmackhaft), Säugetiere, Menschen – als Neurotransmitter Verwendung. Wenn andere Gartenbewohner, Haustiere oder unbedarfte Exemplare unserer eigenen Spezies (Kinder!) die Schneckenkörner aufnehmen oder die verendeten Schnecken als Festmahl erachten, haben sie alsbald ebenfalls mit synaptischem Chaos zu tun: Erbrechen, Speichelfluss, Schwitzen, Durchfall, Atemnot und ein Lungenödem gehören zu den möglichen Symptomen einer Methiocarb-Vergiftung. Und besonders letzteres kann mitunter tödlich enden.

Da es einige Zeit dauert, bis Methiocarb im Boden abgebaut wird und es nur eine geringe Tendenz zum Versickern zeigt, können herumliegende oder gar fortgeschwemmte Methiocarb-Schneckenkörner oder verendete Schnecken schnell zur Gefahr für andere Lebewesen werden – und im schlimmsten Fall ganze Gewässer, in welche sie geraten, vergiften.

All das sind in meinen Augen wahrlich gute Gründe dafür, dass Methiocarb vielerorts nicht (mehr) gegen Schnecken eingesetzt werden darf.

Metaldehyd

Auch in der Schweiz erhältlich ist hingegen Schneckenkorn mit Metaldehyd. Dessen Molekül, das aufgrund seiner Symmetrie einer gewissen Schönheit nicht entbehrt, kann in vier Moleküle Acetaldehyd zerlegt werden, von welchem die eigentliche Giftwirkung ausgeht. Wer über den biochemischen  Katzenjammer gelesen hat, erinnert sich vielleicht, dass eben dieser Stoff, der auch beim Abbau von Alkohol im menschlichen Körper entsteht, einen guten Anteil an dessen Giftwirkung hat.

Acetaldehyd wirkt bei Schnecken vor allem auf jene Zellen in der Haut, die den glitschigen Schleim produzieren, welcher der Schnecke eigentlich unter anderem als Schutz gegen Austrocknung dient. Unter Acetaldehyd-Einfluss geraten diese Zellen jedoch völlig ausser Kontrolle und fabrizieren Schleim, Schleim und noch mehr Schleim, ohne Rücksicht darauf, dass die Schnecken bei all der Schleimerei früher oder später – eher früher – regelrecht dehydrieren und an Ort und Stelle an Wassermangel eingehen. Grössere Nacktschnecken erleiden auf diese Weise zuweilen jedoch “nur” einen gewaltigen Kater und gehen k.o., bis der nächste Regenguss sie wieder auf die Beine – halt: auf die Unterseite – bringt. Deshalb sollten sie, einmal ausgeknockt, unbedingt eingesammelt und fortgeschafft werden.

Wie bereits angedeutet hat Acetaldehyd auch auf Menschen und andere Säugetiere in entsprechender Dosis eine erhebliche Giftwirkung. Zwar schleimen weder diese Tiere noch wir uns tot, doch kann Metaldehyd bzw. Acetaldehyd zu Fieber und Krämpfen führen, die unbehandelt die gleiche Wirkung haben können. Bis es dazu kommt, müsste ein Mensch laut Velvart(1993)[1] jedoch eine ganze Menge Metaldehyd zu sich nehmen: Ein Kleinkind muss angeblich bei unter 100 Schneckenkörnern auf einmal nicht mit ernsteren Vergiftungen rechnen.

Andererseits ist gemäss dem “Praktischen Tierarzt“, da vor allem Hunde oft regelrecht von herumliegenden Schneckenkörnern verführt werden, jeder Haustierarzt gut beraten, über die Symptome einer Metaldehyd-Vergiftung im Bilde zu sein.

Metaldehyd ist im Boden relativ gut beständig. Wenn es aber doch einmal zu Acetaldehyd zersetzt wird, können zahlreiche Organismen es zu harmloser Essigsäure oxidieren und weiter zu Kohlendioxid und Wasser abbauen.

In der Schweiz scheinen sich Metaldehyd-Schneckenkörner übrigens trotz der grossen Schleimerei grösster Beliebtheit zu erfreuen: Im Regal für Metaldehyd-Schneckenkörner im hiesigen Gartencenter herrscht bei meinem Besuch gähnende Leere: Alles ausverkauft! Erst im Kram-Fach an der Kasse sind mir noch zwei Pakete in die Hände gefallen, sodass ich mich von ihrem fiesen Inhalt überzeugen konnte.

[1] Velvart J.: Toxikologie der Haushaltsprodukte. Verlag Hans Huber, Bern; Stuttgart; Toronto, 1993

 

Eisen(III)phosphat

Anders verhält es sich mit Eisen(III)phosphat. Mit diesem auch als Bio-Schneckenkiller zugelassenen Wirkstoff präparierte Schneckenkörner stapeln sich noch zentnerweise in den Regalen – sowohl in der herkömmlichen als auch in der Bio-Variante (mit etwas geringerer Wirkstoff-Konzentration).

Eisen(III)phosphat ist ein Salz – eine Verbindung (hier) aus zwei Ionensorten, Eisen3+ -Ionen und Phosphat(PO43-)-Ionen. Sowohl Eisen- als auch Phosphat-Ionen sind an sich natürliche Bestandteile unserer Umwelt und vieler Organismen, sodass Eisen(III)phosphat für die meisten Lebewesen ungefährlich ist. Schnecken, die dieses Salz aufnehmen, verlieren allerdings rasch ihren Appetit. In Folge dessen ziehen sie sich in ihre Schlupfwinkel zurück und verhungern langsam, da sie keinen Drang mehr empfinden, sich etwas zu Fressen zu suchen.

Der Haken an der Sache: Um die Appetitlosigkeit lange genug aufrecht zu erhalten, sodass die Schnecken auch wirklich den Hungertod erleiden, müssen je nach Anzahl und Grösse der “Ziele” erhebliche Mengen des Eisenphosphats ausgebracht werden. Die kosten natürlich Geld und wollen zu ihrem Bestimmungsort geschleppt werden. Ausserdem wird für grossflächigen Einsatz solcher Schneckenkörner, zum Beispiel im Ackerbau, die Phosphat-Belastung von Böden und Gewässern, wie man sie gemeinhin von Düngemitteln her kennt, diskutiert.

Schlussendlich habe ich alle Schneckenkörner im Regal gelassen. Nicht nur, dass mir jede der drei beschriebenen Todesarten nicht einmal schneckenwürdig erscheint – die möglichen Kollateralschäden bei dieser Art von Kriegsführung und die mangelnde Effektivität des Eisenphosphats lassen mich an der Zweckdienlichkeit der beschriebenen Mittel zweifeln.

 

Alternativen zu Schneckenkorn

Den Schwiegereltern kann ich nur empfehlen einfache Bretter im Garten auszulegen. Darunter verkriechen sich die Schnecken tagsüber mit Vorliebe, sodass man sie einfach absammeln und weiträumig “ausschaffen” kann (aber nur die Nacktschnecken!).

Des Weiteren können mechanische Barrieren errichtet werden: Schneckenzäune, Schneckenkragen für empfindliche Sprösslinge, trockenes und scharfkantiges bzw. spitzes Streugut, über welches Schnecken nicht gut kriechen können, und manches mehr. All das ist allerdings je nach Grösse des zu verteidigenden Areals relativ aufwändig in der Umsetzung.

Bier-Fallen gehören streng genommen ebenfalls zu den chemischen Keulen: Von Bier wie magnetisch angezogen können Schnecken in ein im Boden eingelassenes Gefäss stürzen und im Gerstensaft ertrinken. Leider funktioniert das nicht nur mit Nacktschnecken, sondern auch mit ihren haustragenden Verwandten und vielen anderen kleinen Nützlingen, wie Insekten und Mäusen, sodass auch hier mit beträchtlichen Kollateralschäden gerechnet werden muss.

Einige Pflanzen haben den gefrässigen Schnecken eigenständig den Kampf angesagt und produzieren Stoffe, die von ihren schleimigen Gegnern als höchst widerlich empfunden werden. Dazu zählen viele Gewürzpflanzen bzw. Kräuter, wie Salbei, Thymian, Rosmarin, Lavendel oder Knoblauch, die zwischen Schösslinge gepflanzt ihre Umgebung unattraktiv für Schnecken gestalten können. Das Abschreckungsmittel von bestimmten Moosen ist als Lebermoos-Extrakt sogar im Handel erhältlich und kann als wirksames, aber biologisches Spritzmittel die Schnecken von bespritzten Pflanzen fernhalten.

Der natürlichste Weg zur Schneckenbekämpfung ist wahrscheinlich, sich im Kampf gegen die Plagegeister mit deren Fressfeinden zu verbünden. Der Igel ist wohl der bekannteste Schneckenfeind, doch auch Kröten und einige Vögel zählen zu den potentiellen Verbündeten. Wer die Möglichkeit hat Geflügel zu halten, hat in Hühnern, Fasanen oder Indischen Laufenten (letztere kann man sogar für einen vorübergehenden “Kampfeinsatz” mieten!) schlagkräftige Kampfgefährten. Da viele dieser Tiere jedoch die – ursprünglich aus Südeuropa eingeschleppte – Spanische Wegschnecke als ungeniessbar erachten, gilt als einer der wichtigsten Fressfeinde dieser Art…

Tigerschnegel

Tigerschnegel: Dieser hübsche Geselle sollte ein willkommener Gast im Garten sein: Er ernährt sich unter anderem von anderen Nacktschnecken! (CC BY-SA 3.0 by G.U.Tolkiehn)

 

Eine Nacktschnecke: Der Tigerschnegel, eine bis zu 20 cm lange Nacktschnecke mit hübscher Leoparden-Zeichnung, ernährt sich neben welkem Pflanzenmaterial und Aas auch räuberisch von anderen Nacktschnecken – einschliesslich der Spanischen Wegschnecke. Wer diesen Gesellen in seinem Garten findet, muss sich nicht um seine Pflanzen sorgen, sondern kann sich über einen wertvollen Verbündeten im Kampf gegen die wirklichen Plagegeister freuen.

Mehr Spannendes zu den verschiedenen Schneckenarten gibt es übrigens in Robert Nordsiecks Seite “Die Lebende Welt der Schnecken“!

Fazit

Schneckenkörner sind wirksam, unterscheiden aber nicht zwischen Freund und Feind unter den Schnecken – und können auch für andere Lebewesen gefährlich werden. “Natürliche” Strategien im Kampf gegen Schnecken sind zwar oft aufwändiger, aber letztlich zielgenauer und richten weniger Kollateralschäden an.

Mein Lebenspartner und ich haben meinen Schwiegereltern übrigens ein Igel-Hotel geschenkt, das nun seinen angestammten Platz im Garten hat. Und verirrte Schnecken auf unserem heimischen Balkon im ersten Stock erhalten umgehend einen Freiflug ins Igel-Terrain im Erdgeschoss!

Und wie geht ihr mit Schnecken im Garten um?

Polylactid - Werkstoff mit Potential in Sachen Umweltschutz

Kürzlich haben Reto und ich im Urlaub eine spannende Entdeckung gemacht. An einem heissen Tag im den Denver Botanic Gardens im US-Bundesstaat Colorado trieb uns der Durst in die dortige Freilicht-Cafeteria. Wir erstanden dort handgebrauten Eistee in grossen, durchsichtigen Plastikbechern – und diese Becher waren das Spannende – besonders für Chemiker, Science-Begeisterte und Umweltfreunde. Sie trugen nämlich eine aufgedruckte grüne Banderole mit der grossen Aufschrift “100% compostable – please discard in marked containers” – also “100% kompostierbar – bitte in vorgesehene (beschriftete) Abfallbehälter entsorgen”.

Kompostierbarer Kunststoff als Mittel gegen Müllberg und Erdöl-Krise?

Ein kompostierbarer Plastikbecher? Der sich zudem noch wie ein ganz normaler Plastikbecher anfühlt und zu verhalten scheint? Meine wissenschaftliche Neugier war sofort geweckt. Als der Eistee seiner Bestimmung zugeführt worden war, entdeckte ich auf dem Boden des Bechers ein vertrautes Symbol: Ein Dreieck aus drei umlaufenden Pfeilen mit der Ziffer 7 in der Mitte. Und den drei Buchstaben “PLA”.

Das Pfeildreieck ist heutzutage auf praktisch allen Kunststoff-Verpackungen zu finden und gibt Auskunft über die Art des Kunststoffs, und in welchen Recyclingweg er einfliessen soll. Dafür wird den verbreitetsten Kunststoff-Typen je eine Ziffer zugeordnet. Die Ziffer 7 steht dabei für “sonstige Kunststoffe” – eben jene, die noch nicht so verbreitet sind. Die Buchstaben darunter geben die genaue Kunststoffsorte an. “PLA” steht für Polymilchsäure (engl. Poly Lactic Acid), oder auch Polylactid. Beide Namen stehen für den gleichen Stoff und beziehen sich auf zwei verschiedene Herstellungswege.

Bei Milchsäure klingeln bei Biochemikern und Medizinern, aber auch bei Molkereimitarbeitern die Glocken: Das (oder besser das Anion der Milchsäure, Lactat) ist ein Stoff, der im Stoffwechsel fast jedes Lebewesens produziert wird und dort häufig als “Abfall” anfällt. Und aus diesem Naturstoff hat jemand ein Polymer gemacht und Plastikbecher hergestellt, die sich wieder zu Naturstoffen kompostieren lassen? Lässt sich mit solch einem Biokunststoff etwa das immer rarer werdende Erdöl als Rohstoff für herkömmliche Kunststoffe ersetzen? Könnten damit unsere stetig wachsenden Müllberge bald der Vergangenheit angehören?

Aber fangen wir am Anfang an:

Was ist ein Polymer?

Die Vorsilbe “Poly” ist aus dem Altgriechischen abgeleitet und steht für “viel”. Und Polymere sind in der Tat Moleküle mit viel drin: nämlich mit vielen Atomen. Im Chemieunterricht in der Schule bekommt man es häufig mit sehr kleinen Molekülen mit zwei bis zehn Atomen zu tun. Für die organischen Chemiker sind diese Moleküle geradezu winzig. Sie bezeichnen nämlich auch noch Moleküle wie unsere Vitamine mit (ca. 50) Atomen als klein. Dahingegen sind Polymere wahre Riesenmoleküle mit tausenden von Atomen, die lange Ketten und manchmal richtige Netzwerke bilden.

Das Besondere dabei ist, dass diese Ketten aus sich immer wiederholenden Kettengliedern bestehen. Es gibt nämlich bestimmte sehr kleine Moleküle, die unter den richtigen Umständen miteinander reagieren und sich wie Glieder zu einer Kette verbinden können. Ein bekanntes Beispiel dafür ist das Gas Ethen – auch als Ethylen bekannt. Das kann man in Gasflaschen füllen und herumtransportieren und bei Bedarf verbrennen – es ist nämlich sehr reaktionsfreudig. Wenn man allerdings ein Ethylen-Molekül auf die richtige Weise reaktiv macht, d.h. “aktiviert”, kann es ein anderes Ethylen-Molekül angreifen, sich mit diesem verbinden und es wiederum aktivieren. So entsteht Glied für Glied ein lange Kettenmoleküle, aus denen ein fester, reaktionsträger Kunststoff hergestellt werden kann: Polyethylen.

Ein Polymer ist also Stoff, der aus kettenartigen Riesenmolekülen besteht, die wiederum aus miteinander verbundenen kleinen Molekülen aufgebaut sind. Diese kleinen Moleküle werden vor der Reaktion zur Kette Monomere genannt.

Und eine solche Polymerisationsreaktion, oder kurz Polymerisation kann man auch mit Milchsäure machen. Das Schöne daran ist: Milchsäure kann man billig in einem weit verbreiteten Verfahren herstellen. Oder besser, man lässt sie herstellen.

Milchsäureherstellung mittels Fermentierung

Fast jedes Lebewesen kann Glucose – Traubenzucker – zu Milchsäure (bzw. ihrem Anion Lactat) abbauen. Damit können diese Lebewesen Energie gewinnen. Im Zuge das Abbaus wird chemische Energie aus dem Zucker frei, welche in einem sehr vielseitigen Molekül, genannt ATP (Adenosintriphosphat), zwischengespeichert wird. ATP wiederum dient als “Kraftstoff” für vielerlei Reaktionen und Prozesse in einem Organismus, die Energie benötigen.

Milchsäuregärung


Schema für die Milchsäuregärung: Der Abbau von Glucose zu Pyruvat ist eine Redox-Reaktion. Das hierfür benötigte Oxidationsmittel NAD+ wird im Zuge der Weiterreaktion des Pyruvats zu Lactat (dem Anion der Milchsäure) zurückgewonnen.

Der Abbau von Glucose zu Lactat zwecks ATP-Erzeugung wird von verschiedenen Enzymen katalysiert. Der gesamte Prozess wird Fermentierung oder auch Milchsäure-Gärung genannt. Es gibt eine ganze Reihe von Bakterienstämmen, deren Lebensinhalt darin besteht Zucker zu Milchsäure (und nichts anderem) zu vergären. Diese Bakterien der Gattung Lactobacillus werden seit je her zur Herstellung von Milchprodukten wie Käse, Joghurt oder Kefir eingesetzt. So liegt nahe, dass diese Bakterien für den Menschen nicht gefährlich sind. Im Gegenteil: Bestimmte Lactobacillus-Arten besiedeln unsere Schleimhäute und sorgen dafür, dass Krankheitserreger dort keinen Platz finden um sich zu vermehren.

Und eben diese Bakterien werden genutzt, um Milchsäure als Rohstoff für Polylactid-Kunststoff zu gewinnen. Dazu muss man die Bakterien mit Glucose füttern. Und Glucose findet man reichlich in Pflanzen, zum Beispiel in Stärke (Stärke ist nämlich nichts anderes als ein Polymer aus Zuckermolekülen). Deshalb wird in den USA Mais angebaut um Bakterienfutter für die Milchsäuregärung zu gewinnen (andere Pflanzen tun es aber mindestens genauso, wie z.B. Zuckerrohr). Aktuell wird sogar daran geforscht, Pflanzenabfälle, die beim Ackerbau entstehen, als Bakterienfutter zu verwenden (Assoziation Ökologischer Lebensmittelhersteller (AÖL), 2014).

Von der Milchsäure zum Plastik

Die fertig gegorene Milchsäure kann auf zwei Wegen zu dem Polylactid genannten Kunststoff verarbeitet werden.

Zum einen kann Polymilchsäure (chemisch dasselbe wie Polylactid) durch eine Polykondensation von Milchsäure-Monomeren hergestellt werden. Wer die drei organischen Reaktionstypen an unserer Grillparty kennengelernt hat, weiss, dass bei der chemischen Reaktion namens Kondensation zwei Moleküle (bei der Polykondensation sind das die angefangene Kette und das jeweils nächste Monomer) zu einem grösseren Molekül reagieren und stets ein neues, kleines Molekül übrig bleibt. Bei der Polykondensation von Milchsäure ist dies ein Wassermolekül für jedes angehängte Monomer. Und all diese Wassermoleküle müssen irgendwo hin.

Polykondensation von Milchsäure


Polykondensation von Milchsäure: Der grüne Rahmen markiert ein Milchsäure-Kettenglied, die roten Rahmen markieren die Atome, die als Wassermolekül übrig bleiben. Anfang und Ende der Kette aus n Milchsäure-Molekülen entstehen aus einem weiteren (n + 1) Milchsäure-Molekül.

Deshalb muss die Polykondensation von Milchsäure in einem Lösungsmittel durchgeführt werden, in welchem sich das Wasser löst. Und dieses Lösungsmittel muss anschliessend vom Kunststoff getrennt und bestenfalls aufbereitet und wiederverwendet werden. Das ist im industriellen Massstab aufwändig und relativ teuer.

So geht man bevorzugt den zweiten Weg.

Polylactid kann nämlich zum anderen durch eine ringöffnende Polymerisation von Lactid-Monomeren gewonnen werden. Ein Lactid-Molekül besteht aus zwei Milchsäure-Molekülen, die miteinander zu einem Ring aus sechs Atomen verbunden sind. Solch ein Lactid-Ring kann eine Komplexreaktion mit bestimmten metallorganischen Verbindungen (also organischen Molekülen, die mindestens ein Metall-Atom enthalten) eingehen und im Zuge dessen geöffnet werden. Das so aktivierte Lactid kann einen weiteren Lactid-Ring öffnen und ihn zwischen sich und dem Metall-Atom einfügen (wie das genau vor sich geht ist noch nicht ganz geklärt). Dabei bleibt, anders als bei der Polykondensation, kein kleines Molekül übrig.

Ringöffnungspolymerisation zur Herstellung von Polylactid


Ringöffnungs-Polymerisation von Dilactid: Die metallorganische Verbindung XiM-OR (M steht für ein Metallatom, Xi für i weitere daran gebundene Atome, R für einen organischen Rest) bildet mit Dilactid einen Komplex. Anschliessend binden das Metall und der organische Rest in noch ungeklärter Weise an die markierten Atome und nehmen den geöffneten Ring in die Mitte. Das C-Atom rechts oben steht in der zweiten Zeile ganz links neben dem RO, und die Atome des Rings gegen den Urzeigersinn gelesen finden sich von links nach rechts in der unteren Zeile wieder. So werden n weitere Ringe (n LA) geöffnet und in die Kette eingefügt, ehe das Metall-Atom am Kettenende gegen ein Wasserstoff-Atom ausgetauscht wird.

So kann die ringöffnende Polymerisation ohne Lösungsmittel durchgeführt werden. Allerdings muss die metallorganische Verbindung in kleinen Mengen als Katalysator dazugegeben werden. Zudem neigen die Polylactid-Ketten dazu miteinander zu reagieren, sodass man weitere Stoffe (Radikalfänger) beimengt, um eben dies zu verhindern.

Alles in allem können zur industriellen Herstellung von Polylactid auf diesem Weg lange, schraubenartige Reaktoren, sogenannte Extruder, eingesetzt werden, an deren einem Ende die Monomere samt Katalysator und Zusätzen hineingegeben werden, während am anderen Ende das Polymer in Form von Kunststoff-Fäden oder -Folie hinauskommt. Die Polymerisation findet während des Durchlaufs durch die Maschine statt.

Wofür kann man PLA benutzen?

In der Medizintechnik ist Polylactid schon lange als Werkstoff beliebt. Da der menschliche Körper selbst Lactat erzeugt, werden Polylactid und seine Abbauprodukte (letztlich Lactat) vom Organismus nicht als Fremdstoffe wahrgenommen. Darüber hinaus kann Polylactid im menschlichen Körper abgebaut werden. So werden schon seit 1966 bei Operationen Nähfäden aus Polylactid verwendet, die nach ein paar Wochen im Körper zersetzt sind und somit nicht gezogen werden müssen. Eine andere Anwendung in dieser Richtung ist die Herstellung von Knochenprothesen, die aufgrund ihrer Abbaubarkeit mit der Zeit durch nachwachsendes Knochengewebe ersetzt werden können.

Im Botanischen Garten in Denver haben wir das Polylactid jedoch in einer viel alltäglicheren Anwendung kennengelernt: Als Einweggeschirr bzw. Verpackungsmaterial (denn nicht nur die Becher, auch Trinkhalme, Plastik-Teller und -besteck – eigentlich alles, was in der Cafeteria ausgegeben wurde, war mit dem Hinweis auf Kompostierbarkeit versehen).

Bei der Verwendung eines Kunststoffs ist man jedoch gut beraten, auf seine besonderen Eigenschaften zu achten. Reines Polylactid nämlich wird schon ab 50-60 °C sehr weich und verformt sich. Deshalb muss es mit Zusatzstoffen hitzebeständig gemacht werden, bevor man heisse Speisen und Getränke darin servieren kann.

Kunststoff auf dem Komposthaufen?

Die Aufschrift “100% compostable” verleitet in der Tat dazu anzunehmen, wir könnten unsere Becher nun einfach auf den Komposthaufen werfen und warten, bis sie von selbst verrotten. Mit bestimmten anderen Biokunststoffen klappt das wirklich, aber mit Polylactid ist das leider nicht ganz so einfach.

Um Polylactid zu kompostieren muss man es nämlich in industriellen Anlagen in 95% Luftfeuchtigkeit auf 60°C warm halten und passende Mikroorganismen dazugeben, die bei solch hohen Temperaturen leben können (AÖL, 2014). Kompostierung ist nämlich der von Enzymen katalysierte Abbau von organischem Material – idealerweise zu nährstoffreichem Humus. Und Enzyme werden von Lebewesen bereitgestellt und genutzt. Für den Abbau von Polylactid übernehmen das thermophile, also wärmeliebende Bakterien.

Es ist also keine gute Idee Polylactid-Verpackungen einfach in die Landschaft zu werfen. Dort werden sie nicht von selbst verrotten. Deshalb hatte der Betreiber des Botanischen Gartens rund um die Cafeteria Abfalleimer mit dem Hinweis “nur für kompostierbare Kunststoffabfälle” aufgestellt um das gebrauchte Geschirr zu sammeln und in seine eigene oder eine externe Kompostieranlage zu schaffen.

Wie umweltfreundlich ist das Ganze?

Wenn man bestimmen möchte, wie umweltfreundlich ein Kunststoff tatsächlich ist, gibt es eine ganze Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, die von der Erzeugung und Verwendung bis hin zur Entsorgung des Kunststoffs eine Rolle spielen. Wichtige solche Faktoren sind:

Landnutzung und Nahrungsmittelkonkurrenz

Zur Herstellung von Milchsäure, dem Ausgangstoff für die Erzeugung von Polylactid, müssen (zumindest heute) Pflanzen angebaut werden, um daraus Bakterienfutter zu gewinnen. Die dazu nötige Ackerfläche nimmt Platz ein, und der Mais oder andere Pflanzen, die als Bakterienfutter dienen, können nicht als Nahrungsmittel für Menschen genutzt werden.

Im Augenblick wird noch so wenig PLA produziert, dass der Platzbedarf verschwindend ist und der Ackerbau zwecks Erzeugung von Biogas und Biosprit eine vielfach grössere Konkurrenz zum Nahrungsmittelanbau darstellt. Für die Zukunft stehen für einen vollständigen Ersatz unserer Kunststoffe durch Biokunststoffe Schätzungen von 1 bis 12% der weltweit verfügbaren Ackerfläche für den dafür notwendigen Rohstoffanbau im Raum (AÖL, 2007).

Umweltverträglichkeit des Rohstoff-Anbaus

Bei jeder Art von Ackerbau ist kritisch abzuwägen, inwieweit Monokulturen und der Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmitteln sich schädlich auswirken und minimiert werden können. Zudem werfen gentechnisch veränderte Nutzpflanzen (der in den USA zur PLA-Herstellung angebaute Mais ist in der Regel gentechnisch verändert) immer wieder heftige Diskussionen auf.

Sozialverträglichkeit

Werden die Rohstoffe für die PLA-Herstellung unter “fairen” Bedingungen angebaut und verarbeitet? Wie bei allen Ackerbau- und anderen Produkten ist hier oft massgeblich, in welchen Ländern mit welcher Gesetzgebung die Rohstoffe angebaut werden.

Umweltverträglichkeit von Zusatzstoffen

Nicht nur der Katalysator, der zur Herstellung des Polylactids erforderlich ist, bleibt ein Teil des entstehenden Kunststoffs. Auch zur Vermeidung von unerwünschten Quervernetzungen, zur Erhöhung der Biegsamkeit (reines PLA ist relativ spröde) und der Wärmebeständigkeit werden Zusätze verwendet, deren Auswirkungen auf die Umwelt in die Bewertung des fertigen Kunststoffprodukts mit einfliessen. Denn wieviel nützt ein vollständig kompostierbares Polymer, wenn der Hitzeschutz-Stoff darin am Ende übrig bleibt und auch noch Schwierigkeiten bereitet?

Sicherheit

Neben der Sicherheit beziehungsweise der Schonung unserer Umwelt legen wir mindestens genauso viel Wert auf unsere eigene, gesundheitliche Sicherheit. Da PLA aus Milchsäure, einem in unserem Organismus allgegenwärtigen Stoff, aufgebaut ist, gilt es als gesundheitlich unbedenklich. Aber wie sieht das mit den Zusatzstoffen aus?

Recycling/Kompostierung

PLA lässt sich industriell herstellen und vielseitig anwenden…aber wohin damit, wenn man es nicht mehr braucht? Der Kunststoff ist kompostierbar, allerdings nur in speziellen industriellen Anlagen. Die müssen zuerst gebaut und dann unterhalten werden, zumal eine gemeinsame Entsorgung mit vergleichbaren herkömmlichen Kunststoffen wie PET nicht möglich ist. Denn die von PET abweichenden Eigenschaften des Polylactids würden in auf PET ausgerichteten Maschinen zu erheblichen technischen Problemen führen (AÖL, 2014).

Ökobilanz

Anbau und Transport von Rohstoffen, Herstellung und Entsorgung von Produkten gehen mit der Entstehung von teils umweltbelastenden Abfallstoffen einher. Da Pflanzen ihre Glucose und andere Kohlenstoffverbindungen letztlich mittels Fotosynthese aus Kohlendioxid (CO2) gewinnen, welches sie der Atmosphäre entnehmen, kann bei der Entsorgung (Kompostierung, Verbrennung,…) von Pflanzen und reinen Pflanzenprodukten nicht mehr CO2 entstehen, als sie zuvor aufgenommen haben.

Das deutsche Bundesumweltamt äussert in einer Broschüre aus dem Jahr 2009, dass durch die Nutzung von Biokunststoffen wie PLA anstelle von herkömmlichen Kunststoffen, die aus Erdöl hergestellt werden, fossile Rohstoffvorkommen geschont werden, da diese durch nachwachsende Rohstoffe ersetzt werden. Darüber hinaus kann der CO2-Ausstoss dank der oben beschriebenen CO2-Bilanz verringert werden.

Die Gesamt-Umweltbelastung, die die Nutzung von PLA-Bechern wie unseren im Botanischen Garten mit sich bringt, entspreche jedoch jener, die PET-Becher mit sich bringen. Das bedeutet, Mehrweg-Becher seien in ökologischer Hinsicht auch kompostierbaren Kunststoffen deutlich überlegen.

Fazit

Polylactid, kurz PLA, zählt zu den Biokunststoffen und ist – unter industriell herstellbaren speziellen Bedingungen – biologisch abbaubar. Da PLA aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wird, trägt seine Verwendung zur Schonung begrenzter fossiler Rohstoffe wie Erdöl bei und mindert den CO2-Ausstoss.

Allerdings sind PLA laut dem Bundesumweltamt ganzheitlich (also unter Berücksichtigung aller genannter Faktoren) betrachtet (noch) nicht umweltfreundlicher als der gängige Kunststoff PET. Ein System mit Mehrweg-Getränkebehältern ist also immer noch um Längen schonender.

In einem Betrieb wie dem Botanischen Garten Denver, der seinen PLA-Abfall zentral sammelt und kompostiert oder recycelt, finde ich diesen und andere Biokunststoffe nichts desto trotz spannend. Zumal gerade ein Gartenbetrieb den anfallenden Kompost wiederum weiterverwenden kann. Und wenn die Forschung bezüglich der Vergärung von Pflanzenabfällen zu Ergebnissen führt, tut sich hier womöglich ein attraktiver Ersatz für unsere Kunststoffe aus Erdöl auf. Die Zukunft wird es zeigen.

Und wo hattet ihr schonmal mit kompostierbaren oder anderen Biokunststoffen zu tun?

Der Blogtour Fahrplan

07.09. pyramideneulehttp://welt.pyramideneule.de Thema: Wildvögel füttern
08.09. Kathi Keinsteinhttps://www.keinsteins-kiste.ch/ Thema: Kompostierbare Kunststoffe
09.09. MrAndroid http://www.mrmrs-android.de/ Thema: Jedes Jahr ein neues da – Wieso du dein Smartphone behalten solltest
10.09. Zaxumo – http://zaxumo.blogspot.de/ Thema: Umweltfreundliche Kosmetik

12.09. Lilyanahttp://www.buecherfunke.de/ Thema: Ebooks
13.09. Lebenslounge – http://www.lebenslounge.com/ Thema: Recycling im Haushalt

 

Auf der Grillparty mit Reto, Lilli, Andi und Dominik sind wir im ersten Teil dieses Artikel-Duos schon fünf chemischen Reaktionen begegnet, die in allen Bereichen der Chemie grundlegend und im Alltag häufig zu finden sind.

In der Organischen Chemie, der Chemie der Kohlenwasserstoff-Verbindungen, gibt es drei weitere wichtige Reaktionstypen. Diese finden sich im Alltag häufig dann wieder, wenn es um Biochemie geht. Denn die Biochemie, die Chemie des Lebens, dreht sich notgedrungen um Kohlenwasserstoff-Verbindungen, sind doch alle irdischen Lebewesen massgeblich daraus aufgebaut.

Drei grundlegende Reaktionen in der Organischen Chemie – und warum auf unserer Grillparty niemand vergiftet wird

Dass es auf unserer Grillparty sehr lebendig zugeht, steht ausser Frage. So wundert es nicht, dass sich auch folgende drei Reaktionstypen dort wiederfinden. Nunja, zum Glück finden nur zwei davon wirklich statt, denn die Reaktion des letzten Typs hätte ziemlich unangenehme Folgen.

1. Die Eliminierung: Warum Gegrilltes so lecker schmeckt – und Lilli trotzdem nörgelt

Steaks und Würstchen brutzeln auf dem Rost, werden braun und knusprig und es duftet verlockend nach Gebratenem. Neue Eigenschaften, neue Stoffe? Da ist eindeutig eine chemische Reaktion im Gange. Sogar eine ganze Menge chemischer Reaktionen. Eiweisse im Fleisch reagieren mit Fett und Zucker und was ein guter Koch sonst noch alles in seine Marinade packt.

In vielen Reaktionen, die teils aufeinander folgen, entstehen so neue Stoffe, die knusprig aussehen, lecker schmecken und gut duften. All diese Vorgänge miteinander werden von den Chemikern „Maillard-Reaktion“ genannt. Die zahllosen Wege der Maillard-Reaktion haben eines gemeinsam: Am Anfang werden stets zwei grössere Moleküle, z.B. Traubenzucker (Glucose) und die Aminosäure Asparagin, aneinander geheftet, wonach drei Atome nicht länger gebraucht werden und ein kleines Wassermolekül, H2O, bilden. Das Wassermolekül wird also im Zuge der Reaktion von den Ausgangsstoffen entfernt (eliminiert). Bei einer Eliminierung wird ein kleines Molekül aus dem Reaktionsgeschehen entfernt.

Maillard-Reaktion


Maillard-Reaktion: Im ersten Reaktionsschritt wird ein Wassermolekül eliminiert. Auch der zweite Schritt ist eine Eliminierung: Dabei bleibt statt Wasser ein Kohlendioxid-Molekül übrig. Acrylamid ist allerdings nur ein unerwünschtes unter vielen erwünschten Endprodukten.

Wenn man zu heiss brät (ab etwa 180°C), kann bei der Maillard-Reaktion übrigens das als krebserzeugend verschriene Acrylamid entstehen. Lilli gefällt diese Aussicht gar nicht, aber uns soll es den Appetit heute nicht verderben. Schliesslich bemühen wir uns ja darum, dass der Grill nicht gar zu heiss wird..

Und Appetit hat inzwischen sogar Reto, der sein Sodbrennen dank seiner Notfalltabletten gut im Griff hat. Schliesslich grillen wir ja nicht nur zum Spass, sondern haben auch einen Nutzen davon, Acrylamid hin oder her.

2. Die Addition: Die Verdauung unter die Lupe genommen

Grillfleisch ist nämlich nicht nur lecker, sondern auch nahrhaft. Es enthält reichlich Eiweisse (die Biochemiker sagen Proteine), die aus Aminosäuren aufgebaut sind. Und die verwendet unser Körper zum Aufbau eigener Eiweisse wieder.

Um an diese Aminosäuren heranzukommen müssen die Bindungen, welche sie im Eiweiss zusammenhalten, aufgehoben werden. Dies geschieht, indem ein Eiweiss-Molekül an den Bindungen zwischen den Aminosäuren (den „Peptidbindungen“) mit Wassermolekülen reagiert: Die Peptidbindung wird durchtrennt und die Atome des Wassermoleküls an die losen Enden angefügt. Bei einer Addition wird ein kleines Molekül an mindestens ein grösseres Molekül angefügt.

Peptid-Hydrolyse

Addtition von Wasser an eine Peptidbindung: Eiweisse (Proteine) bestehen aus langen Ketten von Aminosäuren, die durch Peptidbindungen zusammengehalten werden. Rest 1 und Rest 2 stehen für die Kettenabschnitte beiderseits der dargestellten Peptidbindung.

Und weil die Addition von Wasser an Peptidbindungen bei Körpertemperatur nicht recht in Gang kommt, gibt es im Magensaft das Verdauungsenzym Pepsin, das Eiweisse und Wassermoleküle auf den rechten Weg zur Reaktion bringt. Aber das ist eine andere Geschichte.

Übrigens, wenn du es schon vermutet hast: Die Addition ist tatsächlich die Umkehrreaktion der Eliminierung: Bei der Bildung von Peptid-Bindungen wird genau dort ein Wassermolekül eliminiert, wo es bei der Zerlegung der Eiweisse wieder addiert wird.

3. Die Substitution: Warum Dominik den Giftnotruf nicht wählen musste

Gut gesättigt und ein kühles Bier in der einen Hand surft Dominik mit dem Handy in der anderen Hand durchs Web. Plötzlich stutzt er und stellt erschrocken seine Bierflasche ab. Da wird in verschiedenen Foren behauptet, unser Trinkalkohol, den Chemikern als Ethanol (CH3CH2OH) bekannt, könne mit der Magensäure zu Chlorethan, einem hochentzündlichen Gas und Nervengift, reagieren!

Tatsächlich steht in meinem Lehrbuch für organische Chemie [1] eine Gruppe von Reaktionspaaren, zu der auch diese beiden gehören:

Substitution

Hat eine Säure dem Ethanol-Molekül erst ein Proton übergeben, kann das so entstandene „angehängte“ Wassermolekül gegen ein Chlorid-Ion ausgetauscht werden. Damit ist die zweite Reaktion eine Substitution. Bei einer Substitution wird eine Atomgruppe eines grösseren Moleküls gegen eine andere ausgetauscht.

Für die von Dominik entdeckte Substitution braucht es laut dem Lehrbuch einzig eine Säure im Reaktionsgemisch, die den Ethanol-Molekülen eine austauschbare Atomgruppe verschafft. Tatsächlich kann die Salzsäure im Magensaft den Ethanol protonieren (das entstehende CH3CH2OH2+ macht eifrigen Trinkern häufig Magenschmerzen), und stellt auch noch Chlorid-Ionen zur Verfügung…

Trotzdem kann ich Dominik beruhigen. Damit die Substitution (hier handelt es sich um eine sogenannte nukleophile Substitution) stattfinden kann, muss das Chlorid das Zielmolekül – bzw. den Atomkern, an den es binden soll – auch genügend mögen (es muss nukleophil = kernmögend sein). Und Chlorid-Ionen sind nicht eben allzu versessen auf protonierten Ethanol.

Das rührt zum Einen daher, dass das Ethanol-Molekül, mit oder ohne Extra-Proton, ziemlich unattraktiv für den Teilchen-Austausch ist. Zum anderen sind nukleophile Teilchen umso kernmögender, je schwächer sie basisch reagieren. Und der Rest (bzw. das Anion) einer starken Säure ist zwar stets eine schwache Base, doch ist die Salzsäure im Magensaft für Dominiks Reaktion nicht stark genug (und die Base Chlorid entsprechend nicht schwach genug).

Daher braucht es eine wesentlich stärkere Säure als Salzsäure, um aus protoniertem Alkohol durch eine Substitution Chlorethan zu machen. Im Labor kann man solch eine Säure herstellen, indem man reichlich Zinkchlorid in konzentrierte Salzsäure gibt:

Mit der so entstehenden Tetrachlorozinksäure kann man im Labor mit etwas Geschick Chlorethan aus Ethanol gewinnen. Aber nicht allein mit der verdünnten Salzsäure in unserem Magensaft.

Wir können das Handy also wegstecken, die Giftnotrufnummer (in der Schweiz lautet die übrigens 143) für heute vergessen und die Grillparty mitsamt dem kühlen Bier geniessen. Und da du nach der Lektüre von Teil 1 und Teil 2 nun die wichtigsten Typen der chemischen Reaktion sowohl für die allgemeine als auch für die organische Chemie kennst, kannst du etwas Ordnung in die Vielfalt der alltäglichen Reaktionen bringen.

Welche chemische Reaktion ist dir in deinem Alltag schon begegnet?

[1] Beyer, H., Walter, W. (1998). Lehrbuch der organischen Chemie (23. Auflage). Stuttgart; Leipzig: Hirzel

Chemische Reaktion : Gleich 5 davon lassen die Grilllparty gelingen

Was ist eine chemische Reaktion?

Woran erkennen wir, dass ein Vorgang in unserem Alltag eine chemische Reaktion ist (oder nicht ist)?

Wie viele und welche Reaktionstypen gibt es?

Ein Lehrbuch für Chemie am Gymnasium [1] sagt:

“Eine chemische Reaktion ist eine Stoffumwandlung. Aus den Ausgangstoffen (Edukte) bilden sich neue Stoffe (Produkte), die andere Eigenschaften haben als die Ausgangsstoffe.”

Das Erkennungsmerkmal schlechthin für eine chemische Reaktion ist also: Es entsteht dabei mindestens ein neuer Stoff. Und der hat eine ganz andere Erscheinung als der oder die Ausgangstoff/e: Er sieht anders aus, riecht anders, verhält sich anders.

Wie kommt das?

Alle Stoffe bestehen aus kleinen Teilchen. Das können Moleküle, Ionen oder Radikale sein – aber sie alle sind aus Atomen aufgebaut (genauer gesagt aus mindestens einem Atom: Elektrisch geladene Atome sind ebenso Ionen wie elektrisch geladene Moleküle).

Bei einer chemischen Reaktion treffen die Teilchen der Ausgangsstoffe aufeinander, und ihre Atome werden zu neuen Teilchen umgruppiert. Da die Eigenschaften eines Stoffes vom Aufbau seiner Teilchen bestimmt werden, hat der neue Stoff, der aus den neuen Teilchen besteht, neue Eigenschaften.

Atome können zu endlos vielen verschiedenen Teilchen gruppiert werden. Entsprechend gibt es nahezu endlos viele Arten von Reaktionen, die auf verschiedene Weise geordnet werden können. Die folgenden 8 Reaktionstypen sollte jedoch jeder kennen, der sich mit der Chemie unserer Welt beschäftigen möchte.

5 grundlegende Reaktionstypen auf einer Grillparty

Chemische Reaktionen begegnen uns im Leben ständig. Auf einer sommerlichen Grillparty bin ich kürzlich 7 der 8 wichtigsten Reaktionstypen begegnet. Nur eine fand, wie sich herausstellte, dort nicht statt. Zum Glück.

Zunächst aber zu den 5 Reaktionstypen, die in allen Bereichen der Chemie grundlegend sind.

1. Redox-Reaktion: Das Geheimnis des Grillfeuers

Holzkohle aufschütten, anzünden, geduldig warten. Für jede Grillparty braucht man einen heissen Grill. Nachdem wir lang genug gewartet haben, stellen wir fest: Der Kohlehaufen im Grill wird immer kleiner, die Kohlen werden weisslich und zerfallen. Indessen lamentiert Lilli, unser Umweltengel, eifrig über all die Treibhausgase, die wir da ausstossen.

Richtig: Hier findet eine chemische Reaktion statt. Die Holzkohlen, die grossteils aus dem Element Kohlenstoff, C , bestehen, reagieren mit dem Sauerstoff, O2 , in der Luft zu dem Gas Kohlenstoffdioxid (oder Kohlendioxid), CO2. Und das ist Lilli als Treibhausgas ein Dorn im Auge.

Dabei tauschen die Reaktionspartner zunächst Elektronen, die winzigen Bausteine der Atomhülle, aus. Eine Redox-Reaktion ist eine Elektronen-Austausch-Reaktion. Deshalb besteht eine Redox-Reaktion eigentlich aus zwei Reaktionen, die immer als Paar stattfinden:

Kohlenstoffatome geben Elektronen ab (Oxidation), Sauerstoffatome nehmen diese Elektronen auf (Reduktion). Schliesslich werden die Atome mitsamt den ausgetauschten Elektronen zu dem neuen Molekül CO2 umgruppiert. Dabei wird eine grosse Menge Energie, die zuvor in den Molekülen der Ausgangsstoffe steckte, freigesetzt. Diese Energie macht sich als Wärme bemerkbar und brät unsere Steaks und Würstchen. Praktisch.

 

2. Säure-Base-Reaktion: Linderung für den geplagten Magen

Die ersten Steaks liegen auf dem Rost und es duftet verführerisch. Uns allen läuft das Wasser im Munde zusammen. Einzig Reto verzieht das Gesicht. „Da bekomme ich ja schon Sodbrennen, wenn ich nur dran denke!“. Zu viel Magensäure? Zum Glück hat Reto seine Notfalltabletten dabei. Die enthalten vor allem Calciumcarbonat, CaCO3, welches mit der Salzsäure im Magensaft reagiert:

Die entstehende Kohlensäure, H2CO, ist, anders als Salzsäure, eine sehr schwache Säure und brennt nicht in Retos Speiseröhre. Diese praktische Reaktion heisst Neutralisation und ist nur eine von vielen Säure-Base-Reaktionen. Wie bei allen Säure-Base-Reaktionen werden bei der Neutralisation Protonen, also Wasserstoff-Atomkerne, ausgetauscht. Eine Säure-Base-Reaktion ist eine Protonen-Austauschreaktion.

 

3. Zerfalls-Reaktion: Nicht alles ist stabil

Kaum ist das erste Steak mitsamt Notfall-Tablette verdrückt, hat Reto schon Druck auf dem Magen. Mit einem kräftigen Rülpser macht er sich Luft und erntet die missbilligenden Blicke der anderen. Was ist denn nun schon wieder los?

Manche Atomgruppierungen halten einfach nicht gut zusammen. Das Kohlensäure-Molekül ist eine davon. Kaum hat es sich bei der Neutralisation in Retos Magen gebildet, fällt es auch schon auseinander. Einfach so.(*)

Dabei entstehen Wasser und das schon bekannte Gas Kohlendioxid. Und letzteres hat im Magen nichts zu suchen. Geschweige denn Platz. So muss Reto notgedrungen rülpsen, um das überflüssige Gas auf schnellstem Wege loszuwerden. Lilli ist begeistert: Noch mehr CO2-Ausstoss. Geht aber nicht anders, denn bei einer Zerfallsreaktion zerfällt ein grosses Molekül in zwei oder mehr kleinere Bruchstücke.
(*) Okay, nicht wirklich einfach so. Tatsächlich ist diese Reaktion Teil eines Systems im chemischen Gleichgewicht. Mehr dazu hat mir Monsieur Le Châtelier neulich auf dem Flughafen verraten.

 

4. Komplex-Reaktion: Bitte lächeln!

Während der zweite Gang auf dem Grillrost brutzelt beschliessen wir, dass es Zeit für ein Gruppenfoto ist. Alle stellen sich auf… und machen grosse Augen, als Andi eine wirklich altmodisch anmutende Kamera bereitmacht. Andi ist nämlich Hobby-Fotograf und entwickelt seine Schwarzweiss-Aufnahmen im hauseigenen Fotolabor mit Dunkelkammer.

In seinem Fotopapier sind Silberionen, Ag+, enthalten, die mit Licht zu Silberatomen reagieren, welche das Papier schwarz färben. Damit man die Fotos nachher jedoch bei Licht ansehen kann, ohne dass das ganze Bild schwarz wird, müssen die Silberionen, die nach dem Entwickeln nicht reagiert haben, noch in der Dunkelkammer ‘unschädlich’ gemacht werden. Andi nennt das ‚Fixieren‘.

Dazu nimmt er eine Lösung, die Thiosulfat-Ionen, S2O32-, enthält, welche mit den Silberionen zu einem neuen Teilchen reagieren:

Anders als Silberionen reagieren die neuen Teilchen nicht zu Silberatomen, sodass Andis Fotos damit nicht mehr schwarz werden.

Das Besondere an diesen Teilchen ist, dass die Thiosulfat-Ionen ganz allein mit ihren Elektronen für die Bindung an das Silber aufkommen. In gewöhnlichen Molekülen teilen die Atome den Einsatz von Elektronen für ihre Bindungen gerecht untereinander auf. Eine solche ungerechte Verbindung nennen die Chemiker „Komplex-Verbindung“ und schreiben die Formel in eckige Klammern. Eine Komplex-Reaktion ist eine Reaktion, an der mindestens eine Komplex-Verbindung beteiligt ist.

 

5. Fällungs-Reaktion: Trübe Aussichten

Lächeln macht durstig, und Grillparty feiern erst recht. Also greift Dominik in die Kühlbox und zaubert für jeden eine Flasche Bier hervor. Aber oh Schreck, was ist denn das? Das Bier ist ja ganz trüb!

Da sind wir wohl Opfer einer weiteren chemischen Reaktion geworden. Beim Bierbrauen gerät nämlich mit den Zutaten ein Stoff namens Oxalat ins Bier, welcher in grösseren Mengen der Gesundheit schadet und besonders von Leuten mit Hang zu Nierensteinen gefürchtet wird. Deshalb brauen Bierhersteller stets mit ausreichend hartem, also Calciumionen- (Ca2+) haltigem Wasser. Denn Calciumionen reagieren mit dem Oxalat (C2O42-) zu Calciumoxalat, welches sich nicht in Wasser löst:

Calciumoxalat ist ein Feststoff und entsteht zunächst als feiner Staub, der das Bier trübt. Wenn aber mehr davon entsteht, sinkt es irgendwann auf den Boden des Bier-Gefässes. Chemiker sagen „es fällt aus“. Bei einer Fällungsreaktion entsteht in einer Lösung ein Feststoff. Dieser Feststoff fällt aus der Lösung aus.

Deshalb giessen Bierbrauer ihr Bier nach dem Ausfällen des Calciumoxalats durch einen Filter, in dem der Feststoff hängenbleibt. Damit braucht sich kein Freund von klarem Bier Sorgen wegen Nierensteinen zu machen.

Und warum ist unser Bier dann trüb?

Ganz einfach: Die meisten Fällungsreaktionen laufen besser ab, je kälter die Lösung ist. In unserem Bier war wohl noch ein kleiner Rest Oxalat und Calcium, und als Dominik das Bier in die Kühlbox gepackt hat, ist dieser Rest in der Kälte nachträglich noch ausgefallen. Aber so ein wenig Oxalat schadet uns nicht. Wir können das Bier also beruhigt geniessen.

Auf unserer Grillparty gibt es aber noch mehr zu entdecken. Denn in der Organischen Chemie, die für viele Vorgänge in Lebewesen von grosser Bedeutung ist, gibt es drei weitere grundlegende Reaktionen. Und Lebewesen sind schliesslich unglaublich spannend. Deshalb erzähle ich in Teil 2, wo wir diese Reaktionen entdeckt haben – und warum wir alle einer Vergiftung entgangen sind.

[1] Stieger, M. (2010). Elemente – Grundlagen der Chemie für Schweizer Maturitätsschulen (1. Auflage). Zug: Klett und Balmer