Mikrokristalle aus Schmelzen von Stoffmischungen.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

viele chemische Substanzen bilden schöne Kristallformen aus Schmelzen heraus.

Manchmal ergeben sich überraschende Kristallformen, wenn man ein Stoffgemisch aufschmilzt. Auch wenn eine chemische Verbindung nicht thermostabil ist und nur unter Zersetzung schmilzt, kann es sinnvoll sein, sie gemeinsam mit einer anderen aufzuschmelzen um den Schmelzpunkt zu senken.

Fragen wir uns einmal was passiert, wenn man ein Zweistoffgemisch zum Schmelzen bringt und langsam wieder abkühlen läßt. Das folgende Phasendiagramm beschreibt diesen Vorgang. Es gilt für Zweistoffsysteme, bei denen beide Komponenten in der Schmelze vollkommen löslich und im festen Zustand vollkommen unlöslich sind. Letzteres bedeutet, daß sie keine Mischkristalle bilden können.

Phasendiagramm

Phasendiagramm

Stellen wir uns vor, wir haben eine Mischung aus 2 Komponenten, wir nennen sie A und B. Auf der waagerechten Achse des Phasendiagramms sind die prozentualen Anteile der Komponenten aufgetragen. Ganz links beginnt Stoff A mit 100% und endet ganz rechts mit 0%. Umgekehrt beginnt B ganz rechts mit 100% und endet ganz links mit 0%. An jeder Stelle der Achse addieren sich A+B zu 100%. Wir wollen annehmen, in unserer Mischung hat A den prozentualen Anteil A1.  Dann hat B den Anteil 100-A1.  A1 ist rot im Phasendiagramm eingezeichnet.

Auf der linken senkrechten Achse ist die Temperatur aufgetragen. Wir erwärmen unsere Mischung, bis sie vollkommen geschmolzen ist. Im Phasendiagramm befinden wir uns jetzt im oberen Bereich der Schmelze. Nun lassen wir die Schmelze langsam abkühlen. Wenn die Temperatur den Punkt T1 erreicht hat, stoßen wir auf die linke Liquiduslinie. Sobald diese Linie erreicht ist, beginnt die Kristallisation von Stoff A, meist in großen Kristallen. Bei weiterem Abkühlen erreichen wir die Temperatur Te und eine Linie, die Soliduslinie genannt wird. Ab dieser Temperatur kristallisiert der ganze Rest der Schmelze, der aus bis dahin noch nicht kristallisiertem Stoff A und dem gesamten Stoff B besteht. Die Kristalle des Gemenges aus A +B sind meist sehr feinkörnig, da die Kristallisation sehr schnell erfolgt. Auf der linken Liquiduslinie liegen somit die Temperaturen, bei denen, in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Stoffmischung, A aus der Schmelze zu kristallisieren beginnt. Das Gleiche gilt für Stoff B auf der rechten Liquiduslinie.

Wir sehen im Phasendiagramm, daß die zwei Liquiduslinien in einem Punkt (rot eingezeichnet) auf die Soliduslinie treffen. Zu diesem Punkt gehören die Konzentrationen Ae und Be. Dieser Punkt ist der  eutektische Punkt. Wählt man eine Mischung von A und B mit den Konzentrationen Ae und Be, so geht die gesamte Schmelze, wie man an dem Diagramm ablesen kann, bei der Temperatur Te schlagartig in ein feinkristallines Gemenge von A+B (Eutektikum genannt) über. Es kristallisiert vorher also keine der reinen Komponenten aus. Die Temperatur Te ist die niedrigste Erstarrungstemperatur die bei einem Gemisch von A und B möglich ist.

Wählt man in einer Mischung aus A und B die Konzentration von A größer Ae, bewegen wir uns auf der linken Liquiduslinie und es  wird aus der Schmelze immer zuerst A alleine auskristallisieren, und dann erst unterhalb Te der Rest von A mit dem gesamten B als feinkristallines Gemenge.

Wählt man das Mischungsverhältnis von A und B so, daß die Konzentration von A kleiner ist als Ae, bewegen wir uns auf der rechten Liquiduslinie, und es wird beim Abkühlen immer zuerst B auskristallisieren, auch wieder meist in großen Kristallen, bis auch hier die Temperatur  Te erreicht ist, dann kristallisieren A und der Rest von B als Gemenge in kleinen Kristallen.

Wo die linke Liquiduslinie auf die linke Temperaturachse trifft, liegt der Schmelzpunkt von A. Entsprechend liegt der Schmelzpunkt von B an dem Punkt, an dem die  rechte Liqiudusline auf die rechte Temperaturachse trifft.

Soweit die Theorie. Welche praktischen Schlüsse kann man für unsere Mikrokristalle ziehen? In aller Regel haben wir kein Phasendiagramm der Stoffe, die wir mischen wollen zur Hand. Aber wir wissen jetzt, daß bei einer Mischung, egal in welchem Verhältnis wir die Komponenten mischen, der Schmelzpunkt erniedrigt wird. Das kann hilfreich sein, wenn der Stoff von dem wir Kristalle aus der Schmelze erzeugen wollen, nicht thermostabil ist. Ferner sehen wir am Phasendiagramm, daß je nach Mischungsverhältnis, immer einer der Stoffe zuerst und in reiner Form  kristallisiert. Hier muß man mit den Mischungsverhältnissen etwas experimentieren wenn man will, daß ein bestimmter Stoff zuerst kristallisiert. Wichtig ist, daß man langsam abkühlt, weil sonst die Phasen zu schnell durchlaufen werden. Es wird meist auch besser sein, ein Mischungsverhältnis zu wählen, bei dem eine Komponente stark überwiegt.

Auf einem Objektträger wird man, langsames Abkühlen vorausgesetzt, bei Schmelzen aus 2 Komponenten neben meist schönen großen Kristallen feines Grieselzeug (Eutektikum) finden. Hier gleich ein Beispiel: Eine Mischung aus 20% Asparagin und 80% Harnstoff wurde auf einem Objektträger mit Deckglas aufgeschmolzen und langsam auf einer Herdplatte abgekühlt.

Schmelze aus 20% L-Asparagin und 80% Harnstoff

Schmelze aus 20% L-Asparagin und 80% Harnstoff

Ich möchte zwar nicht garantieren, daß die links sichtbaren feinkristallinen Anteile wirklich die Kristalle sind, die unterhalb der eutektischen Temperatur Te schlagartig kristallisiert sind, aber einiges spricht durchaus dafür.

Einen Nachteil hat das Arbeiten mit Mischungen. Reine Stoffe kristallisieren immer besser als verunreinigte. Der Kristallisationsvorgang wird durch Verunreinigungen immer gestört und das Mischen ist in diesem Sinne ja ein gezieltes „Verunreinigen“. Dennoch Experimentieren lohnt sich.

Hier zur Entspannung einige Aufnahmen, die alle aus einer Mischung von 20% L-Asparagin mit 80% Harnstoff entstanden sind. (Harnstoff ist nicht thermostabil und zersetzt sich beim Schmelzen).

 

20% L-Asparagin 80% Harnstaff

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

 

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

 

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

 

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

20% L-Asparagin 80% Harnstoff

Wer Freude an schönen Bildern von Mikrokristallen hat, sie aber selber nicht fotografieren will, dem empfehle ich meinen neuen Kalender für 2017, der seit dem ersten Juni im Handel ist.

catalog_577467

Titel: Surreale Farbwelten-Mikrokristalle

Autor: Dieter Schenckenberg

Hier die ISBN-Nummern:
Wandkalender 2017 DIN A4 quer ISBN 978-3-664-84126-4

Wandkalender 2017 DIN A3 quer ISBN 978-3-664-84127-1

Wandkalender 2017 DIN A2 quer ISBN 978-3-664-84128-8

Den Kalender gibt es bei

http://www.amazon.de

http://www.amazon.co.uk

http://www.amazon.fr

http://www.thalia.de

http://www.buchhandel.de

http://www.weltbild.de

http://www.buecher.de

http://www.ebook.de

http://www.calvendo.de

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

Manchmal wirken Mikrokristalle auch im polarisierten Licht farblich nicht sehr beeindruckend. Da kann eine Verzögerungsfolie wahre Wunder wirken. Das wird das Thema meines nächsten Blogbeitrags sein.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit und erfolgreiche Experimente mit Stoffmischungen.

 

H-D-S

 

 

 

 

 

 

Werbeanzeigen

L-Asparagin und L-Asparaginsäure: Spargelinhaltsstoffe für tolle Mikrokristalle

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

es ist Spargelzeit, eine gute Gelegenheit, sich dem L-Asparagin und der L-Asparaginsäure zu widmen. Beide Aminosäuren kommen, wie schon der Name sagt, im Spargel vor. Das L-Asparagin war die erste Aminosäure die entdeckt wurde. Es war, wie so oft, der Zufall im Spiel. Der französische Professor Louis-Nicolas Vauquelin fand zusammen mit seinem Studenten Pierre -Jean Robquet 1805 in einer eingedickten Lösung von Spargelsaft Kristalle, die sie Asparagin nannten. Hier die chemische Formel:

L-Asparagin

L-Asparagin

Das mit dem roten Stern gekennzeichnete Kohlenstoffatom ist, wie man sieht, asymmetrisch. Es gibt also zwei im räumlichen Aufbau unterschiedliche Formen des Asparagins, (Stereoisomere oder Enantiomere) die daher auch optisch aktiv sind. (Informationen zur optischen Aktivität und zu asymmetrischen Kohlenstoffatomen findet man in meinem Blogbeitrag zur Weinsäure. Hier gibt es auch Hinweise, wofür das „L“ steht). Ersetzt man beim Asparagin die Amidgruppe (-CONH2) durch eine Carboxylgruppe (-COOH), so erhält man die Asparaginsäure.

L-Asparaginsäure

L-Asparaginsäure

Auch sie besitzt ein asymmetrisches Kohlenstoffatom und ist somit auch optisch aktiv. Beide Aminosäuren wird uns ein freundlicher Apotheker verkaufen oder beschaffen können. Für die Mikrofotos habe ich jeweils die L-Aminosäuren verwendet. Dieses sind auch die in der Natur vorkommenden Formen. Alle Proteine (Eiweißstoffe) des Menschen sind aus nur 20 Aminosäuren aufgebaut, eine davon ist die L-Asparaginsäure.

Sowohl das L-Asparagin, als auch die L-Asparaginsäure  lösen sich gut in heißem Wasser. In Spiritus sind sie nur sehr wenig löslich. Aus Schmelzen kann man keine Kristalle auf dem Objektträger gewinnen, da beide Verbindungen erst bei sehr hoher Temperatur schmelzen und sich dabei zersetzen. Woran liegt das? Beide Stoffe sind Zwitter. Schaut man sich die Moleküle an, so sieht man, daß sie sowohl eine bzw. bei der L-Asparaginsäure 2 Carboxylgruppen und jeweils eine Aminogruppe besitzen. Sie sind also zugleich Säuren und Basen. Bringt man Säuren und Basen zusammen, so bilden sie Salze. Wenn ein Molekül sowohl  saure als auch basische Eigenschaften besitzt, kann es ein inneres Salz bilden. Das ist bei der L-Asparaginsäure und dem L-Asparagin der Fall. Das erklärt auch die schlechte Löslichkeit in Spiritus und anderen organischen Lösungsmitteln. Und als Salze besitzen beide Verbindungen auch einen hohen Schmelzpunkt.

Wir müssen uns also auf das Kristallisieren aus wässriger Lösung beschränken. Beide Verbindungen bilden aber sehr schöne farbige Kristalle. Bringt man in einem Becherglas 250 mg L-Asparagin oder L-Asparaginsäure in 15 ml dest. Wasser zum Sieden, erhält man eine klare Lösung, von der man sofort einen Tropfen auf einen Objektträger gibt und an einem staubfreien Ort ohne Deckglas eintrocknen läßt. Beide Säure beginnen schon nach einigen Minuten zu kristallisieren.

Wer kein hitzebeständiges Becherglas besitzt kann auch Wasser in einem Wassererhitzer zum Sieden bringen und eine gute Teelöffelspitze L-Asparagin oder L-Asparaginsäure in einer kleinen Tasse oder einem kleinen Plastikgefäß mit ca. 15 ml Wasser (1/2 Schnapsglas) übergießen und mit dem Stiel eines Teelöffels gut umrühren. Davon je einen Tropfen auf einen Objektträger geben. Erfolgt die Kristallisation zu schnell, muß man etwas mehr Wasser nehmen, oder auch den Objektträger vorher vorsichtig auf einer Herdplatte erwärmen. (Nicht mit der Hand anfassen sondern mit dem Teelöffel von der Herdplatte schieben!). Sehr schöne Resultate erhält man, wenn man mit 1/3 Spiritus und 2/3 dest. Wasser als Lösungsmittel arbeitet. Die Lösung verteilt sich besser auf dem Objektträger. (Achtung! Spiritus ist sehr feuergefährlich. Niemals mit offener Flamme arbeiten!). Beim Erhitzen von Wasser im Becherglas beständig umrühren und Schutzbrille tragen. Rührt man beim Erhitzen nicht beständig, kann es zu einem Siedeverzug kommen, und das Wasser spritzt explosionsartig aus dem Becherglas. Also, immer eine Schutzbrille tragen.

Jetzt ein paar Fotos, die wie beschrieben, bei 100x Vergrößerung entstanden sind:

 

Asparaginsäure_blog_01

L-Asparaginsäure fotografiert unter dem Mikroskop im polarisierten Licht. Vergrößerung 100x

 

Asparaginsäure_02

L-Asparaginsäure fotografiert unter dem Mikroskop im polarisierten Licht. Vergrößerung 100x

 

Asparagin_01

L-Asparagin fotografiert unter dem Mikroskop im polarisierten Licht. Vergrößerung 100x

 

Asparagin_02

L-Asparagin fotografiert unter dem Mikroskop im polarisierten Licht. Vergrößerung 100x

 

Asparagin_03

L-Asparagin fotografiert unter dem Mikroskop im polarisierten Licht. Vergrößerung 100x

Versucht man die Säuren auf dem Objektträger aufzuschmelzen, zersetzen sie sich, wie schon ausgeführt. Dabei entstehen Blasen von Kohlendioxid. Das kann auch interessante Fotos geben, wie das folgende Beispiel zeigt:

 

Asparaginsäure_zersetzt

CO2-Blasen von zersetzter L-Asparaginsäure.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

In meinem nächsten Blogbeitrag werde ich der Frage nachgehen, ob man die Schmelzpunkte des L-Asparagins und der L-Asparaginsäure durch bestimmte Maßnahmen herabsetzen kann, um die Zersetzung beim Aufschmelzen zu verhindern.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit und viel Spaß beim Experimentieren mit dem L-Asparagin und der L-Asparaginsäure.

H-D-S

 

 

Den Wirkstoff Naproxen aus einem Schmerzmittel isolieren.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

wir alle kennen das Problem: Wie beschaffen wir uns chemische Stoffe, die zur Züchtung vom Mikrokristallen geeignet sind. Das zu Recht sehr strenge Chemikaliengesetz, schränkt den freien Verkauf von Chemikalien für chemische Laien erheblich ein. Für unsere Zwecke benötigen wir zwar nur sehr geringe Mengen, sie liegen im Milligramm-Bereich, aber seriöse Händler verkaufen Chemikalien grundsätzlich nur unter ganz bestimmten Voraussetzungen. Was können wir tun? Es gibt eine Reihe rezeptfreier Medikamente, die Wirkstoffe enthalten, die für unsere Zwecke besonders gut geeignet sind, und die sich ohne großen Aufwand isolieren lassen.

Ein solches Medikament ist das „Dolormin für Frauen“, das den Wirkstoff  Naproxen enthält. Dieses pharmazeutische Produkt wird wohl den meisten von uns unbekannt sein, aber fast jeder kennt das Schmerzmittel Ibuprofen. Ibuprofen zählt zur Gruppe der optisch aktiven chemischen Verbindungen. In meinem Blogbeitrag „Optische Aktivität am Beispiel der Weinsäure“ , April 2015, habe ich das Phänomen der optischen Aktivität ausführlich beschrieben. Hier eine ganz kurze Zusammenfassung: Befinden sich in einer chemischen Verbindung an einem Kohlenstoffatom 4 verschiedene Liganden, so nennt man dieses Kohlenstoffatom asymmetrisch. Sind ein oder mehrere asymmetrische Kohlenstoffatome vorhanden, so ist die Verbindung optisch aktiv. Optisch aktive chemische Verbindungen drehen die Ebene des polarisierten Lichts. Je nach  Anordnung der Liganden sind sie links- oder rechtsdrehend. Es gibt bei optisch aktiven Verbindungen mit einem asymmetrischen Kohlenstoffatom also immer 2 Formen, eine linksdrehende und eine rechtsdrehende. In ihrem chemischen Verhalten unterscheiden sich beide Formen nicht. Daher entstehen bei der Synthese einer chemischen Verbindung mit einem asymmetrischen Kohlenstoffatom auch immer beide Formen genau zu gleichen Teilen, da es statistisch betrachtet, keine Bevorzugung der einen oder anderen Form gibt. Das ist auch der Fall beim Ibuprofen. Ibuprofen besitzt ein asymmetrisches Kohlenstoffatom. Auch hier entstehen bei der chemischen Synthese zu genau  gleichen Teilen die linksdrehende und die rechtsdrehende Form. Eine solche Mischung nennt man Racemat.

Obgleich die beiden Komponenten, man nennt sie optische Antipoden, sich in ihrem chemischen Verhalten nicht unterscheiden, wirkt nur eine von ihnen gegen Schmerzen. Diese Komponente ist das Naproxen. (Warum das so ist, wird in einer kleinen Exkursion in meinem nächsten Blogbeitrag betrachtet). Das Schmerzmittel Ibuprofen ist ein Racemat, es enthält also sowohl die linksdrehende als auch  die rechtsdrehende Form. Der wirksame Anteil, das Naproxen ist darin zu 50% enthalten. Die Trennung optischer Antipoden ist ein aufwendiger Prozess, vermutlich verzichtet man daher auf die Trennung beim Ibuprofen.

Für chemisch interessierten, hier die Formel des Naproxens:

Naproxen

Naproxen

Das Sternchen kennzeichnet das asymmetrische Kohlenstoffatom. In der räumlichen Darstellung erkennt man die 4 Liganden an diesem Atom besser, es ist durch den kleinen blauen Punkt markiert:

Naproxen

Naproxen

 

Wer den Wirkstoff aus einer Tablette isolieren möchte, sollte beachten, daß sich keine weiteren Wirkstoffe in dem Medikament befinden. Ein Medikament, das reines Naproxen enthält, ist das „Dolormin für Frauen“.

Dolormin

Dolormin

Bitte aufpassen, es gibt auch noch andere Zubereitungen die auch unter der Bezeichnung Dolormin verkauft werden, sie enthalten aber nicht das reine Naproxen!

Es ist einfach, Naproxen aus einer Tablette zu isolieren. Man benötigt 2 kleine 50 ml Bechergläser, Schnapsgläser tun es zur Not auch, einen kleinen Filtertrichter, einen Glasstab, der Stil eines Teelöffels geht auch, und ein Papierfilter. Als Filter kann man das Papier eines Kaffeefilters verwenden. Als Lösungsmittel verwenden wir Spiritus.
Aus dem Kaffeefilter schneidet man ein rundes Filter aus, Durchmesser ca. 8-10 cm.

Eine Tablette Dolormin wird zu einem Pulver fein zerkleinert. Wer hat, verwendet einen Mörser. Man kann die Tablette aber auch zwischen 2 Blatt Papier legen und mit einem Hammer vorsichtig zerkleinert. Das Pulver gibt man in ein 50 ml Becherglas. Wer kein Becherglas besitzt, kann auch ein anderes Glas, wie z.B. ein Schnapsglas verwenden. Man fügt ca. 10 ml Spiritus zu und rührt mit einem Glasstab ein paar Minuten. Das Naproxen ist löslich in Spiritus und trennt sich auf diese Weise von den in Spiritus unlöslichen übrigen Tabletten-Bestandteilen. Am Besten läßt man das Ganze eine Stunde stehen. Nun nimmt man das runde Filter, faltet es 2 mal, so daß eine kleine Filtertüte entsteht. Diese setzt man in den Trichter ein und befeuchtet das Filter mit etwas Spiritus. Dadurch liegt es glatt an der Wand des Trichters an. Nun filtriert man vorsichtig in das zweite Becherglas. Die Flüssigkeit an dem Glasstab entlang laufen lassen. Es entsteht ein leicht trübes, gelbliches Filtrat. Man läßt es ca. eine Stunde stehen und filtriert dann nochmals. Man erhält so ein fast klares Filtrat.

Von dem Filtrat kann man schon einmal einen Tropfen auf einen Objektträger geben. Das Naproxen kristallisiert sehr schnell. Meist sind die Kristalle nicht sonderlich schön, manchmal gelingen sie aber gut, hier 2 Beispiele, die so wie hier beschrieben entstanden sind:

Naproxen, kristallisiert aus einer Spiritus-Lösung.

Naproxen, kristallisiert aus einer Spiritus-Lösung.

 

Naproxen, kristallisiert aus einer Spiritus-Lösung.

Naproxen, kristallisiert aus einer Spiritus-Lösung.

 

Das Becherglas lässt man offen an einem staubfreien Ort stehen, damit der Spiritus verdampfen kann. Keinesfalls darf in der Nähe eine offene Flamme sein! Wir müssen ein paar Tage Geduld haben, bis der Spiritus verdampft ist.

In der Zwischenzeit kann man aber den Objektträger mit dem fein kristallisierten Naproxen auf einer Herdplatte erwärmen. Naproxen schmilzt bei 152 Grad Celsius. Man sollte auf der kleinsten Stufe der Herdplatte arbeiten und langsam aufschmelzen. Nach dem Schmelzen kristallisiert das Produkt in wenigen Minuten. Die Kristalle, fotografiert im polarisierten Licht sahen dann so aus:

 

Naproxen, kristallisiert aus der Schmelze.

Naproxen, kristallisiert aus der Schmelze.

 

Wenn ein Teil des Spiritus in dem Becherglas verdampft ist, beginnt das Naproxen auskristallisieren. Sobald fast kein Spiritus mehr vorhanden ist, werden die Kristalle auf ein Filterpapier aufgebracht. Saugfähiges Papier, wie Zeitungspapier darunterlegen, um den restlichen Spiritus aufzusaugen. Nach dem Trocknen der Kristalle, sie sind sehr weich, fast wie Watte, diese in einem kleinen Fläschchen aufbewahren. Gibt man einige dieser Kristalle auf einen Objektträger mit Deckglas und schmilzt sie vorsichtig auf, so erhält man atemberaubend schöne Bilder unter dem Mikroskop im polarisierten Licht. Hier einige Proben:

Naproxen, isoliert aus einer Tablette. Kristallisation aus der Schmelze.

Naproxen, isoliert aus einer Tablette.
Kristallisation aus der Schmelze.

 

Naproxen

Naproxen, isoliert aus einer Tablette.
Kristallisation aus der Schmelze.

 

Naproxen

Naproxen, isoliert aus einer Tablette.
Kristallisation aus der Schmelze.

 

Wer statt Naproxen Ibuprofen aus einer Tablette isolieren möchte, kann genau wie oben beschrieben vorgehen. Auch mit Ibuprofen erhält man großartige Mikrofotos. Ein kleiner Hinweis noch für chemische Laien: Spiritus ist chemisch gesprochen Äthylalkohol. Auf reinem Äthylalkohol liegt eine hohe Steuer, er ist daher sehr teuer. Um den preiswerten Spiritus untrinkbar zu machen, wird er mit einem Stoff vergällt, der extrem bitter schmeckt. Darum sollte man in der Küche mit Spiritus vorsichtig zu Werke gehen, und Spiritus nicht mit Lebensmitteln in Verbindung zu bringen. Glasgefäße die Naproxen enthalten kann man nicht mit Wasser reinigen, da Naproxen in Wasser praktisch unlöslich ist. Man muß dafür Spiritus verwenden.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. In meinem nächsten Blogbeitrag geht es um die Frage fotografieren im RAW oder JPG-Format. Ein spannendes Thema.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

 

 

 

 

 

 

Cumarin ein Duft- und Geschmacksstoff für Mikrokristalle der Extraklasse.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,
vor etwa zehn Jahren und auch immer mal wieder danach, geriet das Cumarin in den Focus der Presse. Was war der Grund?
Weihnachtsgebäck, und hier besonders Zimtsterne wiesen teilweise einen unzulässig hohen Gehalt an Cumarin auf. Woher kam dieser Stoff? Cumarin ist Bestandteil vieler Naturprodukte. Auch in der Rinde des Zimtbaums ist es enthalten. Im Handel werden 2 Sorten von Zimt angeboten, der Ceylon-Zimt und der viel preiswerteren Cassia-Zimt der u.a. aus China und Indonesien kommt. Letzterer besitzt einen sehr viel höheren Cumarin-Gehalt als Ceylon-Zimt. Die Sorten kann man als Stangen, wenn man sie im Querschnitt betrachtet, voneinander unterscheiden. Beim Ceylon-Zimt sieht man mehrere Röhrchen, die ineinander geschoben sind, wogegen der Cassia-Zimt aus einem einzigen dickeren Röhrchen besteht.

Cumarin kann in höheren Konzentrationen zu Lebererkrankungen führen. Manche Menschen besitzen dafür eine besondere Disposition. Es ist daher verboten, Cumarin als Reinsubstanz in Nahrungsmitteln einzusetzen. Über das Gewürz Zimt zugeführt, hat der Gesetzgeber verschiedene Grenzwerte, abhängig vom Nahrungsmittel festgelegt. (Man darf sich allerdings fragen, wie ein Bäckermeister den Cumarin-Gehalt in seinen Zimtsternen ermitteln will). In der kosmetischen Industrie ist Cumarin als Duftstoff ohne Begrenzung zugelassen, es gibt lediglich ab einer bestimmten Konzentration eine Deklarationspflicht.

Der typische Geruch des Zimts rührt nicht primär vom Cumarin, sondern vom Zimtaldehyd her. Auch im Waldmeister-Aroma spielt das Cumarin eine Rolle. Den ganz typischen Geruch vom Cumarin findet man im frischen Heu.

Hier die chemische Formel:

Cumarin

Cumarin

Mikrokristalle von Cumarin zeichnen sich durch eine sehr vielfältige Farbenpracht unter dem Mikroskop im polarisierten Licht aus. Das gilt besonders, wenn man die Kristalle aus der Schmelze gewinnt. Dabei sollte man aber etwas beachten: Kühlt die Schmelze zu schnell ab, werden die Kristalle sehr fein und sind ziemlich unansehnlich. Man kann zur Gewinnung schöner Kristalle folgendermaßen vorgehen:

Auf einen Objektträger wenige Kristalle geben und mit einem Deckgläschen abdecken. Auf z.B. einer Herdplatte bis zum Schmelzen erwärmen. Cumarin schmilzt schon bei ca. 69 Grad Celsius. Nach dem Abkühlen findet man unter dem Mikroskop meist einen wenig farbigen Kristallbrei. Jetzt mit einem Föhn den Objektträger von unten vorsichtig erwärmen, bis die Kristalle wieder weitgehend, aber keinesfalls vollständig geschmolzen sind. Es kristallisieren meist wunderschöne Kristalle, die von der Form her wie Eisblumen am Fenster aussehen, und die unter dem Mikroskop im polarisierten Licht sehr prächtige Farben zeigen. Man kann diesen Vorgang mehrmals wiederholen und erhält immer wieder andere Farben und Formen.

Und hier ein paar Bilder, die auf diese Weise entstanden sind:

 

Cumarin_01

Cumarin_01

 

Cumarin_02

Cumarin_02

 

Cumarin_03

Cumarin_03

 

Cumarin_05

Cumarin_05

Im Chemikalienhandel kann man Cumarin nur kaufen, wenn man selbständig ist und über einen Sachkundenachweis verfügt. Vielleicht hilft bei Kleinstmengen ein Apotheker, wenn man ihm sagt, was man damit vorhat. Aus Zimtpulver läßt sich Cumarin nur mit relativ großem Aufwand isolieren.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. In meinem nächsten Blogbeitrag geht es um die Köhlersche Beleuchtung.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

 

 

 

 

 

 

 

 

Anisotropie und Optische Aktivität.

 Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

in meinem letzten Blogbeitrag im November habe ich beschrieben, wie es zu den farbigen Bildern von Mikrokristallen im polarisierten Licht kommt. Es waren die anisotropen Eigenschaften vieler Kristalle, die für die prächtigen Interferenzfarben verantwortlich waren. Eine Rolle spielte dabei die Fähigkeit anisotroper Kristalle, linear polarisierte Lichtwellen aufzuspalten, Teilwellen abzulenken und dabei die Polarisationsebenen zu drehen.

Es gibt auch chemische Verbindungen, die in der Lage sind, die Ebene des polarisierten Lichts zu drehen. Wir nennen sie optisch aktiv. Mikrokristalle optisch aktiver Verbindungen ergeben häufig schöne Farbwirkungen unter dem Mikroskop im polarisierten Licht.

Vergleicht man Bilder optisch aktiver chemischer Verbindungen mit nicht optisch aktiven, sieht man aber keine Unterschiede in der Farbigkeit. Ich habe die optisch aktive D-Weinsäure mit der nicht optisch aktiven Zitronensäure verglichen.

D-Weinsäure besitzt 2 asymmetrische Kohlenstoffatome und ist somit optisch aktiv.

D-Weinsäure

D-Weinsäure
Sie besitzt 2 asymmetrische Kohlenstoffatome.

Zitronensäure verfügt über keine Asymmetriezentren und ist somit auch nicht optisch aktiv.

 

Zitronensäure

Zitronensäure
Verfügt über kein Asymmetriezentrum.

Die Mikrokristalle beider Säuren ergeben unter dem Mikroskop im polarisierten Licht sehr schöne farbige Kristalle.

Weinsäure_01

Mikrokristalle der D-Weinsäure unter dem Mikroskop.
Fotografiert im polarisierten Licht.

 

Weinsäure Nr. 08

Mikrokristalle der D-Weinsäure unter dem Mikroskop.
Fotografiert im polarisierten Licht.

 

Zitronensaure

Mikrokristalle der Zitronensäure.
Fotografiert unter dem Mikroskop im polarisierten Licht.

 

 

Cirtonensäure01_k

Mikrokristalle der Zitronensäure
Fotografiert unter dem Mikroskop im polarisierten Licht.

Anisotropie ist eine Eigenschaft die im Kristallbau begründet ist. Die optische Aktivität ergibt sich im Gegensatz dazu aus dem Molekülbau. Daher verschwinden anisotrope Eigenschaften auch mit dem Auflösen des Kristalls. Die optische Aktivität bleibt hingegen auch in Lösungen erhalten.

Das liebe Freunde der Mikrokristalle, sollte eine kleine Ergänzung zu meinem vorangegangenen Blogbeitrag sein, in dem es um die Frage ging, warum Mikrokristalle im polarisierten Licht unter dem Mikroskop so farbenprächtig sind.

In meinem nächsten Beitrag geht es um HDR-Aufnahmen (High Dynamic Range).

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

p.s. in früheren Blogbeiträgen habe ich Begriffe wie „polarisiertes Licht“, „optische Aktivität“ und „asymmetrische Kohlenstoffatome“ näher beschrieben, einfach mal bis April 2015 zurückgehen.

 

 

Warum ergeben Mikrokristalle im polarisierten Licht farbige Bilder?

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

in meinem letzten Blogbeitrag hatte ich die Glutaminsäure angekündigt.

Da es sich heute um meinen 30. Blogbeitrag handelt, habe ich mir aber ein besonderes Thema vorgenommen. Ich möchte am Beispiel der Glutaminsäure beschreiben, warum wir unter dem Mikroskop im polarisierten Licht so eindrucksvolle farbenfrohe Bilder sehen und fotografieren können. Dabei will ich  versuchen, das Thema ohne Mathematik und allzuviel Physik und Chemie zu behandeln. Aber es sei gesagt, ganz ohne geht es nicht, das Thema ist etwas sperrig.

Wir wissen: Ein Mikroskop mit Polarisationseinrichtung wird benötigt. Sie besteht aus 2 Polarisationsfiltern. Eines befindet sich unter dem Objekt, das andere darüber.

Mikroskop mit Polarisationseinrichtung.
Das folgende Foto zeigt ein Mikroskop mit solch einer Polarisationseinrichtung:

Polarisationsmikroskop

Mikroskop mit Polarisationseinrichtung.

Ein Polarisationsfilter, der Polarisator, befindet sich über der Beleuchtungseinrichtung. An dem kleinen Hebel kann man das Filter drehen. Oberhalb des Objektivrevolvers sieht man ein zweites Polarisationsfilter, den Analysator. Beide Polarisationsfilter sehen wir in der nächsten Abbildung etwas genauer:

Polfilter

Polarisator und Analysator.

Der Analysator wird in das Mikroskop eingeschoben. Solch eine Anordnung wird „Orientierende Polarisationseinrichtung“ genannt. Man kann damit im Gegensatz zu anspruchsvolleren Einrichtungen keine Polarisationswinkel messen.

Wir wissen also jetzt, ein normales Lichtmikroskop muß durch 2 Polarisationsfilter ergänzt werden, damit wir die schönen farbigen Bilder erhalten. Das hilft uns aber noch nicht viel weiter.

Um zu verstehen, warum die Mikrokristalle so schön farbig werden, wollen wir Schritt für Schritt den Weg des Lichts durch das Mikroskop verfolgen und einige Experimente dazu durchführen. Ich verspreche Euch eine interessante Reise.

Wir beginnen mit der Beleuchtung des Mikroskops und müssen uns zunächst fragen, welche Eigenschaften Licht eigentlich besitzt. Ich will hier kein Physikbuch schreiben und beschränke mich darum auf die für unsere Betrachtung notwendigen Eigenschaften:

1.Licht besitzt Wellencharakter.
Früher hat man angenommen, daß Licht Strahlencharakter besitzt. Viele optische Erscheinungen lassen sich aber nicht mit dem Strahlencharakter erklären. Die Wirkungsweise von Polarisationsfiltern z.B.  läßt sich sehr gut beschreiben, wenn man dem Licht Wellencharakter zuordnet, wie wir später sehen werden.

2. Farbloses Licht besitzt ein ausgeglichenes Wellenspektrum.
Das sichtbare Licht besitzt ein  Lichtwellenspektrum von ca. 380 nm bis ca. 780 nm. Wenn  eine Lichtquelle all diese Wellenlängen aussendet, empfinden wir das Licht als farblos. Auf Sonnenlicht z.B. trifft das zu. Entfernt man aus dem Lichtspektrum eine Wellenlänge, z.B. die der Farbe blau, so empfinden wir das Licht in der Komplementärfarbe gelb.

3. Lichtwellen schwingen in verschiedenen Ebenen.
Lichtwellen schwingen in verschiedenen Ebenen. Es gibt dabei keine bevorzugte Schwingungsebene, alle Ebenen sind vorhanden.Die folgende Skizze zeigt, als Ausschnitt aus dem gesamten Ebenenspektrum,  eine horizontal und eine vertikal schwingende Welle.

 

Skizze einer horizontal und einer vertikal schwingenden Welle Auch die Lampe in unserem Mikroskop liefert ein Licht, das in allen möglichen Ebenen schwingt und dessen Wellenspektrum ziemlich ausgeglichen ist.

Wir müssen für unsere weiteren Betrachtungen die beiden Aspekte, Schwingungsebenen, Wellenspektrum besonders im Auge behalten.

Starten wir unser erstes Experiment: Auf einem Objektträger habe ich Glutaminsäure-Kristalle gezüchtet. Wir legen sie ohne Polarisationsfilter unter das Mikroskop:

Glutaminsäure ohne Filter

Glutaminsäure-Kristall ohne Polarisationseinrichtung
Belichtungszeit 1/13 s

Der Glutaminsäure-Kristall wirkt völlig unspektakulär, Farben sind kaum sichtbar.

Jetzt legen wir den Polarisator auf die Lampe des Mikroskops und wiederholen die Aufnahme mit der gleichen Belichtungszeit von 1/13 s.

Glutaminsäure_mit_Polarisator

Glutaminsäure_Kristall mit Polarisator
Belichtungszeit 1/13 s

Auch hier sind kaum Farben erkennbar. Die Aufnahme ist stark unterbelichtet. Was ist passiert? Hier kommen wir zur Wirkungsweise von Polarisationsfiltern.

Polarisationsfilter.
Betrachten wir nochmal die obige Skizze mit den Wellen. Daneben sind 2 Gitter gezeichnet. Sie sollen das Prinzip von Polarisationsfiltern darstellen. Polarisationsfilter besitzen solche Gittereigenschaften. Bei dem einen Gitter verlaufen die Gitterlinien horizontal. Dieses Filter läßt nur Lichtwellen die in horizontaler Richtung schwingen passieren. Alle anderen Lichtwellen werden gesperrt. Dreht man das Filter um 90 Grad, haben wir vertikale  Gitterlinien. Entsprechend läßt das untere Filter nur vertikal schwingende Lichtwellen durch. Legt man 2 Polarisationsfilter übereinander, und zwar so, daß die Gitter gekreuzt sind, werden keine Lichtwellen mehr durchgelassen.

Wir schauen uns das auf den folgenden Bildern an:

Im ersten Bild sehen wir eine Polarisationsfilterfolie, auf der ein zweites Polarisationsfilter liegt. Die Gitter beider Filter sind gleich ausgerichtet. Somit kann Licht einer Schwingungsebene die Filter passieren.

 

zwei Polarisationsfilter mit gleicher Gitterorientierung.

Zwei Polarisationsfilter mit gleicher Gitterorientierung.

 

In der nächsten Aufnahme ist die untere Polarisationsfilterfolie um 90 Grad gedreht. Die Gitter sind jetzt gekreuzt und lassen  kein Licht mehr passieren. Verwendet man hochwertige Polarisationsfilter und kreuzt sie, werden über 90% der Lichtwellen zurückgehalten.

Unteres Polfilter um 90 Grad gedreht, es passiert kein Licht mehr die Filter

Unteres Polarisationsfilter um 90 Grad gedreht, die gekreuzten Filter lassen kein Licht mehr passieren.

Soweit der kleine Einschub zu Wirkungsweise von Polarisationsfiltern. Kommen wir zurück zu unserm Glutaminsäure-Kristall.

Jetzt ist auch klar, was bei der zweiten Kristall-Aufnahmen, die mit dem Polarisator über der Mikroskoplampe aufgenommen wurde, passiert ist. Der Polarisator hat nur Lichtwellen einer Schwingungsebene passieren lassen. Man sagt, das Licht wurde linear polarisiert. Da nur ein Teil des Lampenlichts durch das Gitter des Polarisators gegangen ist, wurde die Aufnahme bei gleicher Belichtungszeit wie ohne Filterung stark unterbelichtet.

Trotz Polarisator haben wir aber noch kein farbiges Bild erhalten. Polarisiertes Licht alleine schafft also noch nicht die wunderschönen farbigen Aufnahmen.

Schieben wir nun das zweite Polarisationsfilter, den Analysator in den Strahlengang und sorgen dafür, das die Gitter gekreuzt sind. Die folgende Aufnahme wurde mit den gekreuzten Filtern aufgenommen.

 

Glutaminsäure_mit_gekreuzten Polfiltern

Glutaminsäure-Kristall zwischen gekreuzten Poarisationsfiltern.

 

WOW, jetzt haben wir es. Sind also die beiden gekreuzten Polarisationsfilter entscheidend für das farbige Bild?

Merkwürdig, wir haben doch gerade festgestellt, das gekreuzte Polarisationsfilter Lichtwellen vollständig sperren. Warum sehen wir dann plötzlich den farbigen Kristall? Schauen wir das Bild genau an. Um den Kristall herum ist alles schwarz. Das war zu erwarten, denn die beiden Polarisationsfilter sind gekreuzt und sperren das Licht vollständig. Der Kristall ist aber sichtbar. Das ist nur möglich, wenn er die Ebene des polarisierten Lichtes gedreht hat. Soweit so gut, aber wenn er nur die Ebene des polarisierten Lichts gedreht hätte, warum ist er dann auch noch zusätzlich farbig? Fragen über Fragen.

Machen wir ein zweites Experiment: Ich habe Kochsalz Kristalle (NaCl) auf einem Objektträger gezüchtet. Sie sind nicht sehr schön, aber hier geht es ja mehr um die Funktion. Zunächst eine Aufnahme ohne Polarisationsfilter.

 

Kochsalz ohne Filter

Kochsalz (Natriumchlorid) ohne Polarisationsfilter.

Und jetzt die gleiche Aufnahme mit gekreuzten Polarisationsfiltern:

 

Kochsalz mit Polfiltern.

Kochsalz-Kristalle mit gekreuzten Polarisationsfiltern.

Dieses Ergebnis entspricht unseren Erwartungen. Bei gekreuzten Polarisationsfiltern wird der Lichtdurchgang vollständig gesperrt, wir sehen praktisch nichts. Im Gegensatz zur Glutaminsäure, ist auch kein Kristall zu sehen.

Was schließen wir aus den bisherigen Experimenten? Offensichtlich gibt es Kristalle, welche die Ebene des polarisierten Lichtes drehen können, und somit auch bei gekreuzten Filtern sichtbar werden. Darüber hinaus sind sie sogar  noch farbig. Andere Kristalle wiederum besitzen diese Eigenschaften nicht. Wir müssen uns also etwas näher mit den Eigenschaften von Kristallen befassen.

Ich möchte an dieser Stelle nicht tiefer in den chemisch/physikalischen Aufbau von Kristallen einsteigen, (vielleicht in einem späteren Blogbeitrag), nur soviel: Es gibt zwei prinzipielle Arten von Kristallen:

1.Isotrope Kristalle.
Natriumchlorid (Kochsalz) ist ein Beispiel eines isotropen Kristalls. Es kristallisiert in Form von Würfeln. Wenn man  elektrischen Strom durch den Würfel leitet um die Leitfähigkeit von Natriumchlorid zu messen, ist es egal, ob man  z.B. in horizontaler oder in vertikaler Richtung misst. Die elektrische Leitfähigkeit ist bei Natriumchlorid unabhängig von der Durchleitungsrichtung.

Bild1

Bei isotropen Kristallen verhalten sich Lichtwellen unabhgängig von der Durchleitungsrichtung.

Auch wenn linear polarisiertes Licht Natriumchlorid-Kristalle passiert, verhält es sich von der Durchgangsrichtung völlig unabhängig. Kristalle, deren Moleküle oder Ionen sehr regelmäßig angeordnet sind, zeigen diese Eigenschaft. Stoffe, die sich optisch in allen Richtungen gleich verhalten, nennt man isotrop.

2. Anisotrope Kristalle.
Die Kristalle der Glutaminsäure und sehr viele andere Kristalle zeigen ein anderes Verhalten. Bei ihnen ist es nicht egal, ob die Durchleitungsrichtung horizontal oder vertikal oder irgend eine andere Richtung ist. Die Ursache liegt im chemisch/physikalischen Aufbau der Kristalle begründet. Je nach Durchleitungsrichtung erhält man ein anderes Resultat. Kristalle deren optisches Verhalten richtunsabhängig ist, nennt man anisotrop.

Wenn linear polarisiertes Licht einen Glutaminsäure-Kristall passiert, wird es je nach Eintrittsrichtung aufgespalten. Ein Teil passiert den Kristall unverändert, bei dem anderen Teil wird die Schwingungsebene  um 90 Grad gedreht und auch die Durchgangsrichtung  wird geändert. Verfolgen wir den Weg einer Welle:

Anisotropes Medium

Aufspaltung und Drehung einer Lichtwelle im anisotropen Medium

Die schwarze Teilwelle passiert den Kristall unverändert, die rote Teilwelle ändert ihre Richtung und wird um 90 Grad gedreht. Durch die Richtungsänderung wird der Weg der roten Welle länger, es tritt ein Gangunterschied zwischen beiden Teilwellen ein, symbolisiert durch den kürzeren roten Strich.

Kehren wir an dieser Stelle zu unserem zweiten Foto, der unterbelichteten Aufnahme des Glutaminsäure-Kristalls zurück. Hier haben wir die Situation, wie gerade beschrieben. Beim Durchtritt durch den anisotropen Glutaminsäure-Kristall werden die Lichtwellen aufgespalten. Ein Teil der Wellen passieren den Kristall unverändert, bei dem anderen Teil wird die Schwingungsebene um 90 Grad gedreht und der Weg durch den Kristall wird länger. Es entsteht ein Gangunterschied.

Jetzt kommt das zweite Polarisationsfilter, der Analysator ins Spiel. Wir haben gesehen, das erst mit dem Zuschalten des Analysators das Bild bunt wird. Wie ist das zu erklären?

Es bleibt uns nicht erspart, liebe Freunde der Mikrokristalle, um eine Erklärung dafür zu finden, müssen wir noch ein weiteres Verhalten von Lichtwelle besprechen, die Interferenz.

Interferenz
Wenn wir an einem Teich mir ruhiger Wasseroberfläche stehen und werfen, sagen wir im Abstand von einem Meter, 2 Steine gleichzeitig ins Wasser, dann sehen wir, wie sich 2 Wellen ausbreiten und sich dann überlagern. Bei der Überlagerung von Wellen kommt es zu teilweiser Abschwächung, Auslöschung und Verstärkung. Um das zu verstehen,  kommen wir zurück auf die Skizze mit dem Gangunterschied und der Ebenendrehung von Wellen.

Wir haben gesehen, daß Lichtwellen bei dem Aufspalten ihre Richtung ändern, einen längeren Weg durch den Kristall zurücklegen müssen und daher auch zeitlich verzögert aus dem Kristall wieder austreten. Sie erleiden damit einen Gangunterschied. Der Gangunterschied ist dafür verantwortlich, daß sich Wellen beim Überlagern ausgelöscht werden können, wie die folgende Skizze verdeutlichen soll.

Totalauslöschung

Totalauslöschung zweier überlagerter Wellen.

 

Wir sehen zwei überlagerte Wellen. Hier beträgt der Gangunterschied der  roten Welle gegenüber der schwarzen eine halbe Wellenlänge. Wo die schwarze Welle ihe maximale Auslenkung erreicht, liegt das Minimum der roten Welle. Addiert löschen sie sich aus. Abhängig vom Gangunterschied können auch nur Abschwächungen oder auch Verstärkungen eintreten. Das ganze nennen wir Interferenz. Wellen können aber nur  interferieren, wenn sie etwa die gleiche Wellenlänge besitzen und  in einer Ebene schwingen.

Aufgabe des Analysators
Nachdem die Lichtwellen im anisotropen Glutaminsäurekristall aufgespalten wurden, Richtungsänderungen und Ebenendrehungen erfahren haben, treten sie nun durch das zweite Polarisationsfilter. Hier werden aber nur Lichtwellen gleicher Schwingungsebene durchgelassen. Es sind dies die Lichtwellen, die die gleiche Orientierung wie der Analysator besitzen. Und da sie nun alle in einer Ebene schwingen, Gangunterschiede besitzen, können sie auch interferieren.  Dabei werden manche Wellen vollkommen ausgelöscht, andere abgeschwächt oder verstärkt.  Das Lichtspektrum ist jetzt nicht mehr ausgeglichen, was ja die Voraussetzung für farbloses Licht ist, außerdem ist es um 90 Grad gedreht. Der Kristall wird sichtbar und wir sehen seine prächtigen Interferenz-Farben.

Es war ein ziemlich langer Weg bis hierhin, liebe Freunde der Mikrokristalle, darum kommen zur Entspannung jetzt noch zwei Fotos von Glutaminsäure-Kristallen. Ganz nebenbei, ich habe hier nicht die optische Aktivität erwähnt, denn Glutaminsäure ist eine optisch aktive Verbindung. Für unsere Betrachtung hätte die Einbeziehung der optischen Aktivität die Sache nur  unnütz verkompliziert.

 

Glutaminsäure

Glutaminsäure-Mikrokristall im polarisierten Licht.

 

Glutaminsäure

Glutaminsäure-Mikrokristall im polarisierten Licht.

 

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. Im nächsten Beitrag gibt es eine Vergleich einiger optisch aktiver Kristalle mit optisch inaktiven.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

 

 

 

 

 

Harnstoff: Ein Wegbereiter der Organischen Chemie.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

heute wenden wir uns, im Titel ist es schon angesprochen, einer sehr bedeutenden Substanz der Organischen Chemie zu, dem Harnstoff.

Was macht ihn so bedeutend?  1828 tritt der Harnstoff also Wegbereiter der Organischen Chemie in die Geschichte der Chemie ein. Bis dahin war man der Auffassung, dass chemische Substanzen, die in der belebten Welt, also im Pflanzen- und Tierreich vorkommen, nicht vom Menschen synthetisch hergestellt werden können. Man glaubte, eine besondere „Lebenskraft“ sein dazu erforderlich. Aber 1828 gelang es dem deutschen Chemiker Friedrich Wöhler, aus den rein anorganischen Ausgangsstoffen Kaliumcyanat und Ammoniumsulfat,  Harnstoff zu erzeugen. Damit war es erstmals gelungen, eine Substanz der belebten Natur im Labor aus anorganischen Stoffen herzustellen. Das war eine Sensation, zumindest aus heutiger Sicht, denn damals war sich Wöhler der ganzen Tragweite seiner Arbeit wohl gar nicht voll bewusst. Aber die Organische Chemie trat ihren Siegeszug um die Welt an. Bis heute sind etwa 40 Millionen organische Substanzen bekannt, mehre Millionen davon wurden künstlich in Laboratorien hergestellt.

Und alles begann mit dem Harnstoff. Darum gleich mal ein Foto von dieser tollen Substanz:

Harnstoff

Harnstoff-Kristalle unter dem Mikroskop im polarisierten Licht.

Chemisch betrachtet ist Harnstoff das Diamid der Kohlensäure. Für den Nichtchemiker: Im Mineralwasser kennen wir die sprudelnde Kohlensäure. Wenn diese unter bestimmten Bedingungen mit Ammoniak (Salmiakgeist) chemisch reagiert, (150 Grad Celsius 100 ATM. Druck), erhalten wir Harnstoff.

Im menschlichen und tierischen Körper entsteht Harnstoff als Abbauprodukt von Proteinen (Eiweiss). Wir scheiden täglich etwa 30 Gramm Harnstoff über den Urin aus, daher auch der Name.

Die chemische Formel von Harnstoff:

Harnstoff

Harnstoff

Und wenn die Formel auch sehr unspektakulär ist, Harnstoff bildet sehr schöne Mikrokristalle unter dem Mikroskop im polarisierten Licht:

Harnstoff

Harnstoff-Kristalle unter dem Mikroskop im polarisierten Licht.

Und nun wird es ganz aktuell und etwas heikel.

Wir wenden uns dem Dieselmotor und damit auch dem VW-Skandal zu. Die Verbrennung des Dieseltreibstoffs in Dieselmotoren erfordert sehr viel höhere Temperaturen und Drücke, als die Verbrennung von Benzin in Otto-Motoren. Die Verbrennungsluft enthält bekanntlich neben Sauerstoff auch Stickstoff. Unter den Temperatur- und Druckbedingungen im Dieselmotor, reagiert Luftsauerstoff mit Luftstickstoff zu Stickoxiden, besser bekannt unter der Bezeichnung NOx. Diese Bezeichnung wurde gewählt, weil es verschiedene Stickstoff/Sauerstoff- Verbindungen gibt: So ist N2O  das bekannte Lachgas, das in der Zahnmedizin also Narkosemittel verwendet wird. NO2 ist eine besonders giftige Verbindung, die sich in der Lunge mit Wasser zu Salpetersäure umsetzt. Diese Säure ist extrem giftig. Besonderes tückisch an den Stickoxiden ist, daß sie nicht einmal sehr ätzend riechen. Man hält beim Einatmen nicht sofort die Luft an.

Aus den Abgasen der Dieselautos werden die Stickoxide entfernt, und das mit Hilfe des Harnstoffs. Harnstoff reagiert chemisch mit ihnen und macht sie unschädlich. Dieser Prozess klingt sehr einfach, ist in der Praxis aber kompliziert. So muss die Harnstoffmenge sehr exakt dosiert werden, was einen erheblichen technischen Aufwand erforderlich macht. Einfacher ist es, den ganzen Mechanismus einfach abzuschalten, in der Hoffnung, daß es keiner merkt.

Hier gleich noch ein Foto des vielseitigen Harnstoffs:

Harnstoff

Harnstoff-Kristalle unter dem Mikroskop im polarisierten Licht.

Harnstoff bekommt man normalerweise ohne Probleme in der Apotheke, besonders wenn man dem Apotheker sagt, was man damit vorhat. Die Substanz ist sehr gut in Wasser und Spiritus löslich und kristallisiert aus beiden Lösungsmitteln sehr gut.

Einfach ein paar Kristalle auf einen sauberen Objektträger geben, einen Tropfen dest. Wasser oder Spiritus oder eine Mischung beider Lösungsmittel 1:1 hinzugeben. Die Kristalle lösen sich sofort. An einem staubfreien Ort ohne Deckglas eintrocknen lassen. Man kann die Proben später mit einem Deckglas abdecken und vorsichtig auf einer Herdplatte aufschmelzen. Harnstoff schmilzt bei 133 Grad Celsius unter Zersetzung. Darum schnell wieder von der Herdplatte nehmen, wenn die Kristalle geschmolzen sind. Unter dem Mikroskop, im polarisierten Licht finden wir farbenprächtige Kristalle.Die folgende Aufnahme ist so entstanden:

Harnstoff

Harnstoff, kristallisiert aus einer Schmelze unter dem Mikroskop im polarisierten Licht.

Es ist doch bemerkenswert: Bei Mensch und Tier verlassen die Abbauprodukte der Proteine den Körper in Form von Harnstoff über den Urin. In Dieselmotoren eliminiert  Harnstoff schädliches NOx und sorgt für saubere Abgase. Auch in Kraftwerken hilft Harnstoff die Rauchgase von NOx zu befreien, und nicht zu vergessen, wir können auch wunderschöne Mikrofotos davon machen.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

Im nächsten Blogbeitag wenden wir uns der Frage zu, ob man am Mikroskop beim fotografieren auch zoomen kann.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

 

 

Hydrochinon: Vom Fotoentwickler zum Shootingstar.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle.

Wer in der Zeit der analogen Fotografie seine Filme selber entwickelt hat kennt es: Das Hydrochinon. Die damals sehr häufig verwendete Entwicklersubstanz  bildet aber auch wunderschöne, farbige Mikrokristalle, richtige Shootingstars, besonders aus der Schmelze.

Ein Warnhinweis zu Beginn:

Hydrochinon ist giftig! Früher wurde die toxische Wirkung wohl sehr unterschätzt. Man verwendete Hydrochinon sogar in der Kosmetik zur Herstellung von Cremes, die der Hautaufhellung dienten. Das ist inzwischen verboten. Die Substanz kann man daher auch nicht ohne Weiteres im Handel kaufen, man findet sie aber als Fotochemikalie bei eBay. Es ist schwer zu beurteilen, ob der Verkauf zulässig ist. Für die Mikrokristallisation benötigt man nur wenige Milligramm. Vorsicht ist beim Umgang mit der Chemikalie geboten!

Hier die chemische Formel:

Hydrochinon

Hydrochinon

 

Hydrochinon ist gut löslich in Wasser, Spiritus, Isopropanol und Aceton, und es kristallisiert aus diesen Lösungsmitteln sehr leicht.

Es läßt sich aber, wie schon erwähnt, auch sehr schön aus der Schmelze kristallisieren. Man gibt wenige Kristalle auf einen Objektträger, bedeckt sie mit einem Deckglas und erwärmt, bis das Hydrochinon gerade zu schmelzen beginnt. Der Schmelzpunkt liegt bei 170 Grad C.

Falls man in der Küche arbeitet, unbedingt Dunstabzugshaube anstellen.

Hier einige Bilder die so entstanden sind:

Hydrochinon

Hydrochinon aus der Schmelze kristallisiert.

Hydrochinon

Hydrochinon aus der Schmelze kristallisiert.

Hydrochinon

Hydrochinon aus der Schmelze kristallisiert.

 

Die Aufnahmen wurden mit einem Mikroskop das mit einer orientierenden Polarisationseinrichtung ausgerüstet ist, im polarisierten Licht aufgenommen. Vergrösserung 100 x.

Hydrochinon kristallisiert in verschiedenen Modifikationen. Je nach Kristallisationsbedingungen existieren eine Alpha- Beta- und Gammaform. Die Alpha-Form ist die stabilste und liegt normalerweise beim Kauf der Substanz vor.

Man kann das Kristallwachstum und manchmal auch die Kristallumwandlung unter dem Mikroskop beobachten und natürlich auch fotografieren.

Das, liebe Freunde der Mikrokristalle, wird das Thema meines nächsten Blog-Beitrags sein.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

 

Paracetamol die pure Farbenpracht.

Hallo, liebe Freunde der Mikrokristalle.

Paracetamol ist heute unser Thema. Uns erwartet die pure Farbenpracht.

Wir kennen diesen Stoff als wirksame Komponente vieler Kopfschmerzmittel. Neben der Acetylsalicylsäure und dem Ibuprofen,  (beide wurden schon in früheren Blog-Beiträgen vorgestellt), gehört er zu den „Großen Drei“ der rezeptfreien Schmerzmittel. Der Name ist abgeleitet von der chemischen Bezeichnung „Para- Acetylaminophenol“. Hier die chemische Formel:

Paracetamol

Paracetamol

Aus einer Tablette kann der Wirkstoff sehr einfach isoliert werden. Wir nutzen dabei den Umstand aus, daß Paracetamol in Spiritus bei Raumtemperatur, im Gegensatz zu den übrigen Tabletteninhaltsstoffen, gut löslich ist.

Wir benötigen einen Hammer, 2 Blatt Papier ca. 10 x 10 cm, zwei kleine Bechergläser (oder Schnapsgläser), ein Rundfilter (Durchmesser ca. 5-6 cm), einen Trichter (Randdurchmesser ca. 4 cm), einen Glasstab (oder Teelöffel) und ca. 10 ml Spiritus. Das Rundfilter kann man sich aus einem Kaffeefilter zurechtschneiden.

In dem hier beschriebenen Beispiel wurde „Paracetamol -ratiopharm 500“  verwendet. Die 500 steht für 500 mg, die Tablette enthält also 1/2 Gramm Wirkstoff. Genug für unsere Mikrokristalle.

Eine Tablette zwischen 2 Blatt Papier legen. Vorsichtig mit einem Hammer zerklopfen, so dass ein feines Pulver entsteht. Das Pulver in einem Becherglas mit ca. 10 ml Spiritus übergießen und einige Minuten mit einem Glasstab oder dem Stiel eines Teelöffels umrühren, damit sich das Paracetamol auflösen kann.

Das Rundfilter 2 mal falten, so dass eine Filtertüte entsteht. Die Filtertüte in den Filtertrichter setzen und mit etwas Spiritus befeuchten, so dass das Filter gut anliegt. Den Trichter in das zweite Becherglas (oder Schnapsglas) stellen und vorsichtig den Inhalt des ersten Becherglases durch das Filter laufen lassen. Das funktioniert am Besten, wenn man die Flüssigkeit am Glasstab ablaufen läßt. ( Bechergläser funktionieren bei dieser Prozedur sehr viel besser, weil sie einen Auslauf besitzen).

Von der klaren Flüssigkeit einen Tropfen auf einen sauberen Objektträger ohne Deckglas geben, und an einem staubfreien Ort trocknen lassen. Die Kristallisation setzt schon nach wenigen Minuten ein und ist nach wenigen Stunden abgeschlossen.

Und so sieht das Ergebnis dann aus:

Paracetamol

Paracetamol

 

 

Paracetamol

Paracetamol

 

Paracetamol

Paracetamol

Paracetamol

Paracetamol

Paracetamol

Paracetamol

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

Wer früher seine Filme selber entwickelt hat, kennt die Entwicklersubstanz Hydrochinon. Dieser Stoff liefert aber auch interessante Mikrokristalle, er wird daher das Thema des nächsten Blog-Beitrags sein.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

Mit Schwefel fantastische Mikrokristalle erzeugen

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

nach den vielen Zuckern, die teilweise doch etwas schwer zu kristallisieren waren, hier ein echter Hingucker, der auch noch völlig problemlos Mikrokristalle bildet, und leicht zu beschaffen ist, der Schwefel. Man kann ihn in Apotheken oder z.B. über Amazon kaufen.

Schwefel ist eines der 98 natürlichen Elemente. Er ist in keinem der uns zugänglichen Lösungsmitteln löslich. Aus Schwefelkohlenstoff kristallisiert er in rhombischen Kristallen. Da dieses Lösungsmittel aber sehr leicht entzündlich ist, furchtbar schlecht riecht und sehr giftig ist, kommt es für unsere Arbeiten absolut nicht in Frage. Das ist aber überhaupt kein Problem, da Schwefel auch sehr schön aus der Schmelze kristallisiert. Da Schwefel ein Element ist, kann er sich beim Erhitzen auch nicht zersetzen. Schwefel organisiert sich in der Schmelze, abhängig von der Temperatur, zu sehr unterschiedlichen Strukturen. Dadurch erhält man beim Abkühlen auch die verschiedensten Kristallbilder. Hier ist also breiter Raum für Experimente gegeben.

Vorbemerkungen für Experimente in der Küche: Auch in kleinen Mengen erhitzt, riecht Schwefel etwas unangenehm, also Dunstabzugshaube anstellen. Den Schwefeldampf der beim Erhitzen entsteht, nicht einatmen. Daher auch nicht zuviel Schwefel auf die Objektträger geben.

Um variantenreiche Kristallbilder zu erhalten, kann man folgendermaßen vorgehen:

Auf 3 Objekträger je eine kleine Messerspitze Schwefel geben und mit einem Deckglas bedecken. Die 3 Proben auf einer Heizplatte erwärmen. Ab ca. 120 Grad Celsius beginnen die Proben zu schmelzen. Eine Probe sofort von der Platte nehmen. Sie beginnt meist schnell beim Abkühlen zu kristallisieren.

Die anderen Proben weiter erhitzen. Man erkennt eine Farbveränderung von gelblich nach rötlich. Nach einiger Zeit, bei stärkerer Hitze, werden die Proben wieder fest und bei weiterem Erhitzen schmelzen sie wieder. Hitze abstellen und eine Probe sofort von der Heizplatte nehmen, die andere auf der abgestellten Heizplatte langsam abkühlen lassen.

Zum Kristallisieren unter Umständen über Nacht stehen lassen, meist erfolgt die Kristallisation aber schnell.

Unter dem Mikroskop im polarisierten Licht erhält man sehr interessante Kristallbilder:

Schwefel

Schwefel, nach dem Schmelzen schnell abgekühlt.

Schwefel

Schwefel, stark erhitzt und danach schnell abgekühlt.

Schwefel

Schwefel stark erhitzt, danach langsam abkühlen lassen.

Man kann hier nach Herzenslust experimentieren, und man wird immer wieder aufs Neue erfreut und überrascht sein, welch vielfältiger Farben- und Formenreichtum durch Variation von Temperatur, Abkühlzeit und Schwefelmege auf dem Objektträger erzielt werden kann.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

Im nächsten Blogbeitrag wird über Erfahrungen mit einem trinokularen Mikroskop berichtet, das im unteren Preissegment angesiedelt ist.

Bis dahin wünsche ich erfolgreiche Experimene mit dem Schwefel.

H-D-S