Elektronen als Währung der Welt

Redoxreaktionen sind Elektronenübertragungsreaktionen. Sie finden dauernd statt und überall, ohne dass wir es bewusst wahrnehmen. Wenn das Fahrradschloss verrostet ist oder die Uhr nach dem Batteriewechsel wieder funktioniert.
Gehandelt wurde früher mit Sauerstoff, heutzutage tritt die Erweiterung des Redoxbegriffes auf und wir sprechen vom Austausch von Elektronen. Dabei sind bei einer Redoxreaktion zwei Teilprozesse - die Oxidation und die Reduktion - miteinander verknüpft.
Veraltet spricht man bei einer Oxidation von einer Sauerstoffaufnahme, heute ist es die Elektronenabgabe. Die Reduktion bezeichnet den umgekehrten Prozess: Die Sauerstoffabgabe bzw. Elektronenaufnahme.
Schauen wir uns die beteiligten Elemente an, sind nur die Elektronen auf der äußersten Schale (=Außenelektronen) wichtig. Sie sind am weitesten vom Kern entfernt und lassen sich deshalb auch mit einem geringeren Energieaufwand abgeben bzw. aufnehmen.  Dabei beeinflusst eine Regel das Verhalten der Atome hauptsächlich, nämlich die, die aussagt, dass alle Atome erst dann glücklich sind, wenn ihre äußere Schale voll besetzt ist. Dann sind sie stabil und glücklich. Da abgesehen vom ersten Energieniveau alle mit acht Elektronen befüllt werden können, heißt diese Oktettregel.
Von Natur aus sind die glücklichsten Elemente also die Edelgase aus der 8. Hauptgruppe, ihre äußere Schale ist schon so voll besetzt.
Die etwas unglücklichen Atome, also alle Elemente, die nicht in der achten Hauptgruppe des Periodensystems stehen, können sich ihren Weg zum Glück erkaufen. Elektronen sind die Währung bzw. Elektronen werden getauscht um den gewünschte Zustand zu erreichen. Dabei gilt es aber den richtigen Partner zu finden.
Vollen Erfolg brachte die Vermittlung Fluor und Natrium.
Theoretisch kann das Natrium auf zwei unterschiedliche Weisen eine voll besetzte äußere Schale erreichen: Mit seinem einen Außenelektron könnte Natrium dies entweder abgeben oder 7 weiter Elektronen aufnehmen. Die Atome machen es sich energetisch so einfach wie möglich und die Abgabe eines einzigen Elektrons bedeutet logischerweise weniger Aufwand als die Aufnahme von sieben Elektronen.
Dem Fluor geht es genau umgekehrt. Für das Element der 7. Hauptgruppe ist es mit weniger Aufwand verbunden, sich ein Elektron von einem anderen Atom zu klauen, als seine Gesamtheit von 7 Außenelektronen abzugeben. Daher sind Natrium und Fluor ein perfektes Paar, sie ergänzen sich und erreichen durch den Elektronaustausch beide ihren gewünschten (stabilen) Zustand, auch wenn das Natrium dafür dem Fluor ein Elektron überlassen muss.

Am Ende sind beide glücklich und das Paar heißt Natriumflourid NaF.
Bei diesen Paarungen können auch mehr als nur zwei Atome beteiligt sein. Würde Natrium zum Beispiel eine Verbindung mit Sauerstoff anstatt mit Fluor eingehen wollen, würde man zwei Natriumatome benötigen: Sauerstoff hat sechs Außenelektronen und bracht zwei, ein Natriumatom kann aber nur ein Elektron abgeben. Würde es mehr abgeben, würde es einen unstabilen Zustand erreichen, das möchte es aber nicht. Daher holen sie sich dann noch ein zweites Natriumatom und kommen so zu einer ausgeglichenen Beziehung, die man dann als Natriumoxid Na₂O bezeichnet.
Natürlich gibt es auch kompliziertere Moleküle, bei denen viel mehr Drama und Kampf um die Edelgaskonfiguration, wie der Zustand der komplette Schalenbelegung in Anlehnung an die letzte Hauptgruppe auch genannt wird, im Spiel ist. Und das macht die Chemie so spannend, zu verstehen, wie Moleküle sich verbinden und warum gerade solche Konstellationen entstehen. Aber eine der klassischen Regel der Chemie ist die Oktettregel - der Weg zum Glücklichsein, für kleine und einfache und für große und komplexe Moleküle.

Grenzprüfungen

Der letzte Teil meines chemischen Analytikpraktikums rückt näher. Dabei ist der erste Teil des dritten Teil nichts Neues, sondern eigentlich nur die Wiederholung der erste Station: Die Identitätsprüfung von Salzen. Von den höheren Semestern liebevoll "Ionenlotto" genannt, müssen die Salze analysiert werden und das Anion und Kation angegeben werden.
Der zweite Teil ist neu: Die Grenzprüfungen, oder auch Reinheitsprüfungen. Der Hintergrund ist einfach: Werden Arzneimittel ausgeliefeität werden, müssen sie erst einmal auf ihre Identität geprüft werden, d.h. ist in dem Braunglas mit Kaliumiodid wirklich Kaliumiodid? Vielleicht ist es ja auch Kaliumbromid. Immerhin sind beide Salze weiß und lassen sich vom äußeren Erscheinungsbild kaum unterscheiden. Dass die Abgabe falscher Stoffe katastrophale Folgen haben kann, versteht sich von selbst. Selbst wenn es sich nur um Natriumchlorid, allgemein auch als Kochsalz bekannt, handelt. Denn in hoher Konzentration ist selbst dies tödlich.
Danach muss die Reinheit geprüft werden. Für jeden Stoff gibt es Grenzwerte im Bezug auf Verunreinigungen. In den Monographien des Europäischen Arzneibuches sind diese für jeden Stoff angegeben und dort findet man auch die "Kochrezepte" für die Grenzprüfungen. Also eine Anleitung, der entnommen werden kann, wie eine Grenzprüfung durchgeführt werden muss.
Minimale Mengen an Verunreinigungen sind also erlaubt, wenn auch nicht erwünscht. Aus gesundheitlichen Gründen dürfen die Grenzwerte aber nicht überschritten werden.
Es freut mich, dass wir jetzt schon praxisrelevante Aufgaben haben und vom ersten Semester an notwendige praktische Fähigkeiten im Labor erlernen. Das habe ich gemerkt, als ich es meiner Mutter die Grenzprüfungen erklärt hat und sie mir von einem Medikament erzählt hat, das vom Markt genommen wurde, weil die Grenzwerte nicht eingehalten werden konnten.

Den Praxisbezug gibt es also im Praktikum (auch wenn mit ein Kommilitone, der bereits einen PTA Ausbildung hinter sich hat, berichtet hat, dass man das später im Alltag nicht mehr macht, da die Apotheken schon geprüfte Arzneimittel ordern), allerdings kommt man unserem noch sehr geringen Wissensstand entgegen und beschränkt die Verunreinigungen.
Insgesamt kann es fünf Verunreinigungen geben: Eisen-, Sultat-, Chlorid-, Calcium- und Schwermetallionen können unsere Salzlösungen verunreinigen und dabei kommt es dann noch mal auf das genaue Salz an, welche Grenzprüfungen durchgeführt werden müssen, denn logischer Weise muss eine Natriumchloridlösung nicht auf eine Verunreinigung von Chloridionen getestet werden (Spoiler: Ja, in solch einer Lösung sind Chloridionen enthaltet, wer hätte das gedacht?).
Ein einziges Salz in unserem Praktikum muss gar nicht auf Verunreinigungen getestet werden, nämlich Silbernitrat. Natürlich hatte ich kein Silbernitrat, aber meine Mitbewohnerin und Mitkommilitonin hatte es gleich zweimal und muss daher nur bei den restlichen vier Salzen Grenzprüfungen durchführen. Ich habe das Pech oder auch Glück, je nach dem wie man das sieht, für sechs Salze Grenzprüfungen durchzuführen, für Natriumacetat sogar alle fünf. (Für Natriummolybdat nur zwei!).

Dabei ist das Prinzip bei den Grenzprüfungen eigentlich immer gleich: Man hat eine Referenzlösung, mit der man eine niederschlaggebende Reaktion durchführt. Zum Beispiel fällt man Chloridionen mit Silbernitrat, d.h. die Referenzlösung wird trüb. Die Referenzlösung enthält dann den Grenzwert an Chloridionen, die Probe die Lösung, von der man nicht weiß, ob sie verunreinigt ist oder nicht. Auch der Probe gibt man Silbernitrat bei (und noch einige andere Zutaten, die z.B. den pH-Wert einstellen) und vergleicht dann den Grad der Trübung, oder z.B. bei der Grenzprüfung auf Eisenverunreinigung vergleicht man die Intensivität der Rotfärbung.

Positive Grenzprüfung auf Verunreinigung mit Chlorid mit einer Natriumacetat-Lösung, Probe links, Referenz rechts

Die Assistenten machen es uns im Praktikum zum Glück relativ leicht und verunreinigen unsere Lösungen wenn dann sehr stark. Bei den meisten Grenzprüfungen steht geschrieben, dass man 5 oder manchmal auch 15 Minuten warten soll, bevor man den Trübungsgrad vergleicht, allerdings ist das meistens gar nicht nötig, da die Trübung sofort und sehr stark eintritt, wenn es verunreinigt ist.
Wäre auch ein bisschen blöd wenn nicht, da meine Referenzlösungen manchmal einfach selbst nicht wirklich eine Trübung aufweisen, bzw. eine so schwache Trübung, dass es schlecht zu erkennen ist, gar nicht erst davon reden, diese mit einer anderen zu vergleichen. Klar ist einfach klar, da kann ich schlecht sagen, was trüber ist. Aber da in der Referenzlösung auf jeden Fall die Verunreinigung enthalten ist, macht es dann schon ein wenig stutzig.