lemmi
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Der folgende Versuch ist inspiriert von einer Anekdote über Robert Williams Wood (1868 - 1955). Ich zitiere aus Römpp/Raaf "chemische Experimente mit einfachen Mitteln" (dtv junior, 8. Auflage 1981):
...Wie man die Flammenfärbung im praktischen Leben anwenden kann, zeigte der Chemiker R.W. Wood. Er pflegte sein Essen in einer kleinen Pariser Pension einzunehmen. Als es Geflügel gab, bestreute er zum Staunen seiner Tischnachbarn die Knochenreste auf den Tellern mit einem weißen Pulver. Am nächsten Tag hatte er einen kleinen Spiritusbrenner mitgebracht und tropfte etwas von der Suppe in die Flamme. Als sie sich rot färbte, nickte er befriedigt mit dem Kopf. "Das dachte ich mir", erläuterte er den verwunderten Pensionsgästen, "ich wollte nur wissen, ob die Knochen nochmals zur Suppe kommen. Deshalb habe ich sie gestern mit Lithiumchlorid bestreut...
Eine schöne Geschichte, etwas zu schön um wahr zu sein. Abgesehen von biographischen Unstimmigkeiten (R.W.Wood war ein amerikanischer Physiker und hat, soweit mir bekannt, nie in Paris gelebt) wäre es ziemlich ungeschickt von einem Chemiker, eine wässrige Flüssigkeit auf den Docht eines Spiritusbrenners zu tropfen. Ausserdem ist fraglich wieviel Lithium in der Suppe sein muss, um es neben dem dort ja reichlich vorhandenen Natrium an der Flammenfärbung erkennen zu können. Lithium gilt zwar nicht als direkt giftig, es hat aber durchaus unangenehme Nebenwirkungen (es wird in der Medizin gegen Psychosen verwendet). Vielleicht wäre es möglich, Lithiumchlorid als tracer "im praktischen Leben anzuwenden" wenn man ein Spektroskop zu Hilfe nimmt?
Geräte:
Gasbrenner
Magnesiastäbchen
Spektroskop/Spektrometer
Stativ mit 2 Klemmen
Trichter mit Filter
großes Becherglas (600ml)
Kolben 100 ml
mehrere kleine Bechergläser oder andere Gefäße von ca 50 ml Inhalt
Meßzylinder 50 ml und 10 ml
Messpipette 1 ml
Chemikalien:
Instant-Brühe (aus der Küche)
Lithiumchlorid
demineralisiertes Wasser
Sicherheitshinweise:
Lithiumchlorid ist gesundheitsschädlich
Durchführung:
Zunächst benötigt man ein Spektroskop. Das hier gezeigte simple Gerät heißt "Project Star Spectrometer", ich habe es über e-bay erstanden.
Auf der Unterseite habe ich etwa am Schwerpunkt ein Klötzchen mit einer eingelassenen Mutter angeleimt. Dadurch kann man die große Schraube (rechts im Bild) am Spektroskop befestigen und es so in eine Stativklemme einspannen. Das Okular ist am schmalen Ende angebracht. Im Bild links (wenn man das Gerät richtigrum hält rechts) ist ein schmaler Spalt zum Eintritt des zu untersuchenden Lichtes. Daneben ist eine leicht gebogene Skala angebracht, auf die sich die Spektrallinien projizieren und die man zur Eichung des Geräts verschieben kann.
Zur Eichung richtet man das Spektriskop auf eine Leuchtstoffröhre und sieht dann folgendes Bild:
Neben dem kontinuierlichen Spektrum erkennt man die Spektrallinien des in der Röhre erhaltenen Quecksilbers (im Bild links die gelbe Gamma-Linie bei 579 nm, daneben bei 546 nm die grüne alpha-Linie und rechts die blaue beta-Linie bei 436 nm). Man verschiebt die Skala nun, bis die grüne Linie mit der kleinen Eichmarkierung bei 546 nm zusammenfällt.
Richtet man das Spektroksop auf den blauen Himmel (bloß nicht direkt auf die Sonne!), so sieht man ein kontinuierliches Spektrum:
in dem dunkle Linien - die Fraunhofer´schen Linien - zu erkennen sind ("life" viel besser und mehr Linien als auf diesem Foto). Diese entstehen durch die Absoprtion bestimmter Weöllenlängen durch Elemente in der äußeren Hülle der Sonne bzw. in der Erdatmosphäre. Hier zu erkennen: die C-Linie bei 589 nm (Natrium), die E-Linie bei 527 nm (Eisen), die b-Linien bei 516-518 nm (Magnesium, Eisen), die F-Linie bei 486 nm (beta-Linie des Wasserstoffes) und die G-Linie bei 430 nm (Eisen).
zum eigentlichen Versuch:
Der Versuchsaufbau ist recht simpel:
an einem Stativ werden das Spektroskop und eine Digitalkamera so befestigt, daß das Objektiv der Kamera direkt vor dem Okular des Spektroskops zu liegen kommt. Die Alufolie sorgt dafür, dass kein seitliches Licht in die Kamera einfällt. In der Verlängerung des Lichteintrittsspaltes des Spektroskops steht in 15 - 20 cm Entfernung der Gasbrenner. Die Pappe soll das vom Fenster kommende Tageslicht abschirmen, das die Skala von hinten beleuchtet.
Die Kamera habe ich so eingestellt, daß die Belichtung um 1,7 Stufen reduziert wird (bei Automatik) und die Bilder habe ich mit Zeitauslöser geschossen, damit keine Bewegungsartefakte auftreten.
Um dem Mythos gerecht zu werden, habe ich dann erstmal eine Suppe gekocht, indem ich 2 gehäufte Kaffeelöffel voll Instant-Brühe in 500 ml heißem demineralisiertem Wasser gelöst habe.
Anschließend habe ich in 100 ml der Suppe 1 g Lithiumchlorid gelöst.
Beim Abkühlen machte sich die Abscheidung von Fett und Suppengrün auf der Oberfläche störend (jedenfalls für Laborzwecke) bemerkbar, weshalb ich die Suppe filtriert habe.
Und nun die Demythologisierung des Mythos: taucht man ein Magnesiastäbchen in die LiCl-haltige Suppe (c = 10g/l) und bringt es anschließend in die Flamme des Brenners, so färbt sich diese gelb, vielleicht minimal mit einem Stich ins Orangefarbene, aber nicht rot.
Der Nachweis in der Flamme ist also selbst bei dieser hohern Konzentration - der Pensionsgast würde sich mit einem Teller Suppe, sagen wir mal 250 ml = 2,5 g Lithiumchlorid einverleiben! - nicht sicher zu führen.
Zum Vergleich: pures Lithiumchlorid sieht so aus (in der Realität noch etwas kräftiger rot):
Betrachtet man die Flamme der "Lithiumsuppe" aber im Spektroskop, so erkennt man neben der sehr hellen Natriumlinie bei 589 nm (eigentlich eine Doppellinie, die das einfache Gerät aber nicht aufzulösen vermag) eine prachtvoll rubinrote Spektrallinie bei 668 nm - die alpha-Linie des Lithiums.
Jetzt wird es spannend: die Lithiumsuppe - die man mit der genannten Konzentration wie gesagt nicht geniessen sollte - habe ich schrittweise verdünnt, indem ich fallende Mengen in kleinen Gefäßen vorgelegt und mit Lithium-freier Brühe aufgefüllt habe.
konkret:
Stammlösung -------20 ml -----10 ml ------4 ml -----2 ml -----1 ml ------0,4 ml
Brühe ----------------20 ml -----30 ml -----36 ml ---38 ml ----39 ml -----39,6 ml
Endkonz. (g/l LiCl) ----5 ---------2,5 --------1 -------0,5 -------0,25 -------0,1
Nacheinander, und immer mit einem frisch abgebrochenen Magnesiastäbchen, bringt man dann etwas der Verdünnung in die Gasflamme und beobachtet die Spektrallinien. Die Natriumlinie bleibt natürlich so hell und dominierend wie zuvor. Die Lithiumlinie wird immer dünner und ist am Ende nur noch in einem kurzen Aufflackern zu erkennen. Ich habe mit dieser einfachen Anordnung Lithium in der Suppe bis zu einer Verdünnung von 0,25 g/l nachweisen können. Da ein Tropfen rund 0,05 ml sind, entspricht dies einer erkennbaren Menge von 12,5 µg (Mikrogramm) Lithiumchlorid oder 2 µg Lithium.
Auch bei 0,1 g/l geht es noch, wenn man einen Trick anwendet: man taucht das Magnesistäbchen mehrfach in die Suppe und lässt jedesmal den hängengebliebenen Tropfen im heißen Luftstrom über dem Brenner eintrocknen - dadurch wird mehr Substanz am Kopf des Stäbchens angesammelt.
Angenommen, das Lokal bereitet 4 Liter Suppe zu, so würde 1 g Lithiumchlorid auf den Resten des Menüs von Vortag ausreichen, um die Küche sofort ihrer zweifelhaften Praktiken zu überführen. Dabei handelt es sich um toxikologisch durchaus vertretbare Mengen. Der Gast würde durch den Genuss eines Tellers Suppe nur knapp 70 mg LiCl (etwa 12 mg Lithium) aufnehmen. Wie die Pensionsgäste wohl aus der Wäsche schauen, wenn ich das nächste Mal einen Gasbrenner und ein Spektroskop mit zum Essen nehme....
Erklärung:
Durch das Erhitzen in der Flamme wird den Lithium- und Natriumatomen Energie zugeführt, wodurch einzelne Elektronen vorübergehend auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. Von dort kehren sie wieder auf ihr ursprüngliches Niveau zurück und die Differenz wird als Licht einer definierten Wellenlänge abgestrahlt. Bei stärkerer Energiezufuhr werden noch andere Niveaus erreicht. So zeigt das Lithium neben der hier beobachteten alpha-Linie noch eine weitere Linie bei 610 nm (beta-Linie). Elemente mit höherem Atomgewicht zeigen mehr Linien (siehe oben das Quecksilber, das noch mehrere weitere Spektrallinien aufweist, die z.T. im ultravioletten Bereich jenseits von 400 nm liegen) oder auch "Banden", hervorgerufen durch zahlreiche, eng nebeneinanderliegende Linien (z.B. Barium, Strontium und Calcium).
Die Spektralanalyse ist, wie der Versuch zeigt, sehr empfindlich. Die Erfassungsgrenze liegt meiner (schon etwas älteren) Literatur zufolge für Natrium bei 0,07 ng (Nanogramm) und ist mit heutigen Geräten sicher noch niedriger anzusetzen. "Flammenspektrometer" wurden früher zur quantitativen Bestimmung von Natrium und Kalium z.B. im Blut verwendet. Dabei wurden die Geräte durch gleichzeitiges Einbringen einer Lithiumlösung bekannten Gehaltes in die Flamme geeicht.
Fazit:
An jedem Mythos ist was wahres dran und die Realität ist sogar oft noch spannender!
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Lege, lege, lege,
ora, ora, ora,
relege, labora et inveniens!
Zuletzt bearbeitet von lemmi am 25/2/2011, 21:19, insgesamt 5-mal bearbeitet |
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