Horst Bannwarth

Experimente planen, durchführen und dokumentieren

Experimente (vom lateinischen experiri = erfahren) sind gezielte Fragen an die Natur. Im praktisch arbeitenden naturwissenschaftlichen Umfeld erfordern sie im Allgemeinen den kompetenten Umgang mit speziellen technischen Hilfsmitteln wie Apparaturen, Chemikalien und Messinstrumenten, denn reine Gedankenexperimente sind in diesem Wissenschaftsbereich eher ungewohnlich. Erstaunlicherweise reicht die Tradition des heute weitgehend etablierten Experimentierens allenfalls bis zum Beginn der Neuzeit zuruck. Als einer der ersten Experimentatoren gilt Galileo Galilei (1564–1642), der sich von den schwankenden Lampen im Dom zu Pisa zu gezielten Pendelversuchen veranlasst sah und von konkreten Experimenten am beruhmten Schiefen Turm daselbst seine Fallgesetze ableitete. Aber schon geraume Zeit zuvor hatte der bemerkenswerte englische Naturforscher Roger Bacon (ca. 1214–1292) das Experimentieren als unverzichtbare Methodik und wesentliches Element zur empirisch‐kausalen Gewinnung objektiver Erkenntnis bezeichnet. Dieser Einschatzung kann man sich auch heute vorbehaltlos anschliesen.

Protokollieren und Dokumentieren

Stellen Sie sich folgendes Szenario vor: Der vermeintlich blanke Zufall, der in der einen oder anderen Variante auch im Labordasein eine nicht zu unterschatzende Rolle spielt, hat Ihnen ein vollig unerwartetes Versuchsergebnis beschert – eine uberaus beeindruckende Farbreaktion, eine fast punktgenau verlaufende Enzymkinetik oder die Synthese einer interessant duftenden Verbindung. Die Wiederholung des schonen Effektes, unter Fachleuten Ergebnisreproduktion genannt, scheitert indessen klaglich, weil die ursprunglichen Versuchsparameter nicht vollstandig und nachvollziehbar festgehalten wurden. Die blose Erinnerung an diese oder jene eingesetzte Substanzmenge ist meist ein schlechter Ratgeber. So wird man das schone, aber nicht wiederholbare Resultat eventuell ohne weitere Spuren bedauerlicherweise der Vergessenheit anheim fallen lassen mussen.

Dichte und Konzentration bestimmen

Materie mit einer Masse m nimmt immer einen gewissen Raum ein und ist insofern grundsatzlich mit einem bestimmten Volumen V verknupft. Je nach dem eingenommenen Volumen ist die Materie unterschiedlich dicht gepackt. Die nach dem griechischen Buchstaben ρ (rho) bezeichnete Dichte definiert man daher als ρ = m/V und gibt sie fur feste und flussige Korper in der SI-Einheit Kilogramm pro Kubikmeter (kg m−3) an, fallweise aber auch in Gramm pro Kubikzentimeter (g cm−3) oder Kilogramm pro Kubikdezimeter (kg dm−3). Bei Gasen druckt man sie in g L−1 aus. Gewohnlich nimmt die Dichte mit steigender Temperatur linear ab, da sich die Korper temperaturabhangig ausdehnen. Wasser weist in dieser Hinsicht jedoch eine bemerkenswerte Anomalie auf, denn seine maximale Dichte von 1 g cm−3 erreicht es bei 3,98 °C. Es dehnt sich auch bei Abkuhlung auf 0 °C aus und wird weniger dicht, weshalb Eis auf Wasser schwimmt. Die Dichte eines Korpers entscheidet generell daruber, ob er in Wasser schwimmt.

Lösungen, Stoffmengen und Konzentrationen

Losungen sind homogene Mischungen reiner Stoffe, aber umgekehrt sind nicht alle homogenen Mischungen echte Losungen. Echte Losungen weisen nur zum Teil die Kennzeichen ihrer Bestandteile auf, zum anderen aber auch vollig neue, emergente Eigenschaften. Lost man zum Beispiel pulverfein gemahlenen Gips CaSO4 · 2 H2O in Wasser, dann geht die pulverformige Beschaffenheit und der feste Aggregatzustand des Gipses verloren. Auch erscheint er nicht mehr weis. Das Wasser als Losemittel erhalt ebenfalls neue Eigenschaften. Dichte, Wasserharte, Leitfahigkeit, Siede- und Gefrierpunkt sowie osmotischer Wert andern sich, und damit andert sich auch seine Vertraglichkeit fur Pflanzen.

Tabellen, Farbtafeln und Übersichten

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

Chromatographie und Elektrophorese

Die heute zu hohem technischem Standard ausgereiften chromatographischen Trennmethoden stammen ursprunglich aus der Farbstoffchemie. Auf der Grundlage der eher zufallig entdeckten Trennung pflanzlicher Pigmente an besonders saugfahigem Papier, seinerzeit Kapillaranalyse genannt, entwickelte man bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts leistungsfahige Verfahren zur Isolierung und Kennzeichnung der Komponenten gefarbter Naturstoffgemische.

Photo- und Spektrometrieren

Die Spektroskopie, auch Spektralphotometrie, Spektrophotometrie oder einfach nur Photometrie genannt, umfasst eine Anzahl experimenteller Messverfahren, die generell die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie nutzen. Diese quantifizierenden Verfahren haben eine uberragende Bedeutung nicht nur in der naturwissenschaftlichen Forschung, sondern auch in der taglichen Praxis von Kontrolllabors. Sie gestatten namlich einerseits die Identifizierung von Stoffen in einer Losung anhand von charakteristischen Absorptionsspektren, ermoglichen aber auch eine exakte Bestimmung der Konzentration eines gelosten Stoffes.

Temperatur und Temperieren

Der burgerliche Sprachgebrauch unterscheidet nach meist subjektivem Befund zwischen Frost, Kalte, Warme und Hitze. Physikalisch bzw. thermodynamisch lassen sich alle diese Eigenschaften von Festkorpern, Flussigkeiten oder Gasen unter den Warmebegriff fassen. Die makrophysikalisch wahrnehmbare Warme eines Korpers ist mikrophysikalisch nichts anderes als die Bewegungsenergie seiner Atome und Molekule. Je rascher sich diese Teilchen energetisch bedingt bewegen, umso warmer fuhlt sich der betreffende Korper an. Den aktuell vorliegenden und messbaren Warmezustand der Materie bezeichnet man als Temperatur. Wahrend die Warme demnach den Charakter einer Energieform aufweist, druckt die Temperatur jeweils deren Zustandsgrose aus. Umgangssprachlich werden diese beiden Begriffe nicht selten verwechselt. Die Einheit der Warmemenge ist das Joule (Einheitenzeichen J), fruher auch die Kalorie (Einheitenzeichen cal). Beide Einheiten lassen sich direkt ineinander umrechnen:

Werkstoffe, Geräte, Apparaturen

Das praktische Arbeiten im Labor hat neben der wissenschaftlich-explorativen Seite, die eine bestimmte Fragestellung an die Natur in ein konkret geplantes und durchgefuhrtes Experiment umsetzt, auch viele handwerklich-technische Facetten. Um Eigenschaften und Verhalten von Stoffen unter bestimmten Bedingungen zu analysieren, benotigt man auser Waage und Thermometer eine Vielzahl nutzlicher Hilfsmittel und spezieller Gerate, die in gewissem Mase standardisiert und so in vielen Labors weltweit im Einsatz sind. In diesem Kapitel stehen daher einige Basisinformationen zu den wichtigsten im Labor verwendeten Werkstoffen und den am haufigsten verwendeten Geratetypen im Vordergrund. Weitere Hinweise sind in den Kapiteln zu den Themenfeldern Masse, Volumen und Temperatur (Kap. 6, 7 und 8) enthalten.

Mit Gasen arbeiten

Bei vielen Laborversuchen, Analysen ebenso wie Synthesen, spielen neben Feststoffen und Flussigkeiten auch Gase eine bedeutende Rolle. Gase entstehen bei bestimmten Reaktionen oder werden als Reaktionspartner eingesetzt. Auserdem sind sie im Labor ublicherweise wichtige Primarenergietrager fur Brenner (vgl. Kapitel 8). Da viele Gase die Gesundheit schadigen, korrodierend wirken, die Umwelt belasten oder mit Luft(sauerstoff) explosive Gemische bilden und sich zudem im gesamten Raum ausbreiten, muss man sie mit geeigneten technischen Masnahmen unter Kontrolle halten. Auch auserhalb chemischer Labors sind Gase eventuell wichtige Hilfsmittel. Abgesehen von den Atemgasen fur den medizinischen Bedarf werden bestimmte Gase fur besondere experimentelle Zwecke eingesetzt, Methan beispielsweise beim Betrieb von Geiger-Muller-Zahlrohren spezieller Bauart, Stickstoff als Referenzgas fur O2-Bestimmungen mit Sauerstoffelektroden oder Kohlenstoffdioxid als Kaltemittel fur Gefriermikrotome.