Mai 23, 2019

Chemie in den Medien und im CDU-Spot

Heute Morgen lag ich noch kurz vor dem eigentlichen Aufstehen im Bett, habe durch Twitter gescrollt und habe einen Werbespot der CDU gesehen, der einen auf wissenschaftlich und Chemielabor macht, der mich schockiert hat und vermutlich stärker geweckt hat als eine kalte Dusche am Morgen. Die Rede ist von einem Video des EU-Abgeordneten Elmar Brok, der offenbar für seinen Wiedereinzug ins Europaparlament kämpft und dabei ein Video gemacht hat, das offenbar einen wissenschaftlichen Eindruck erwecken soll. Der Spaß ist hier zu finden, Achtung, der Link führt zu Twitter, für alle, die darauf nicht zugreifen möchten. Ich möchte an dieser Stelle erklären, was genau an diesem Video falsch ist und mir dabei direkt ins Gesicht springt. Wenn ich tatsächlich alles aufzählen würde, würde das hier sehr, sehr lang werden.
Eigentlich geht es mir hauptsächlich um das Bild von Chemie in den Medien, ein grandios schlechtes Beispiel ist dieser Werbespot.

Schon in den ersten paar Sekunden passiert etwas, was... beunruhigend ist.

Überlaufende Erlenmeyerkolben

Ich hatte bisher einmal eine Situation, in der mir etwas so sehr übergelaufen ist. Es war mein Schwermetallabfall, nachdem ich irgendwas da rein gekippt habe, ich glaube, es war was mit Wasserstoffperoxid. Es hat geschäumt und ist übergelaufen. In dieser Situation tat ich alles andere, als beruhigt irgendwelche Zahlen zu sagen. Es ist beunruhigend, wenn ein Kolben überläuft und in den meisten Fällen nicht erwünscht. Abgesehen davon ist das nur eines von vielen Gläsern, Erlenmeyerkolben, Messbechern, die irgendeine blubbernde oder rauchende, bunte Flüssigkeit beherbergen, die gerade überläuft. Zunächst einmal ist es problematisch, wenn irgendwelche Flüssigkeiten überlaufen. Noch bedenklicher ist es, wenn die einfach so unter Normalbedingungen, also grob gesagt Labortemperatur und Labordruck, vor sich hin rauchen und blubbern. Normalerweise stehen die dann unter einem Abzug, der dafür da ist, dass die Gase und Dämpfe nicht in der menschlichen Atemluft landen. Abgesehen davon ist nicht alles, was in einem Labor steht und flüssig ist, bunt. Es ist sogar ziemlich selten irgendwas so knallig bunt, außer vielleicht für Photometrie, ein Messverfahren, das auf Farbintensität beruht, sehr vereinfacht ausgedrückt. Oder in der Komplexchemie, aber da ist auch wieder sehr vieles giftig.

Fliegender Erlenmeyerkolben

Etwas später gibt es auch noch diesen sehr schönen Kolben zu sehen, der im ersten Moment so aussieht als würde er fliegen. Auch im späteren Verlauf des Videos fliegt der Kolben immer noch.

Fliegender Erlenmeyerkolben

Tatsächlich sind solche Kolben immer sehr gut gesichert, mindestens eine Klammer um den Hals, in der Regel auch noch irgendwas, worauf der Kolben steht. Wenn wir da nämlich irgendwas rein laufen lassen, dann wollen wir das nicht verlieren.
Sehr ungünstig finde ich auch die Schläuche. Normalerweise ist ein Schlauch transparent oder orange, was durchaus eine Bedeutung hat. Orange waren bei mir bisher immer Flüssigkeiten, transparent Gase. Diese Schläuche zu verbinden ist mindestens ungünstig bis einfach falsch. Zudem sind die auch nicht separat durch Schlauchklemmen gesichert.

Offenes Braunglas

In diesem ganzen Rauch, Nebel und überlaufenden Flüssigkeiten haben wir auch noch ein offenes Vorratsgefäß, klein aber bemerkbar. Braunglas wird gerne als Vorratsgefäß eingesetzt, wenn irgendwas lichtempfindlich ist. Es offen irgendwo stehen zu lassen, ist da nicht so wirklich hilfreich, zumal die ganzen Dämpfe drum herum natürlich in dieses Braunglas rein gehen und mit der dortigen Substanz reagieren, was ich mich noch zu einem anderen Punkt bringt. Das Braunglas ist nicht beschriftet, es ist unklar, was drin ist, was im besten Fall einfach nur zu Verwirrung führt, im schlimmsten Fall aber irgendein gefährliches Produkt erzeugt. Und selbst, wenn es nicht reagiert, die Substanz in dem Braunglas ist damit verschmutzt.

NH\(_2\)

Hier sehen wir verschwommen die chemische Summenformel NH\(_2\). Überraschung, sie ist im Grunde genommen für sich alleine stehend falsch. Dabei handelt es sich um eine Aminogruppe, die an einem Molekül irgendwo dran hängen kann. Aber dann hat der Stickstoff der Aminogruppe genügend Bindungspartner und ist auch nicht alleine. Alleine könnte es als Ion vorkommen, ist hier aber keineswegs irgendwie verdeutlicht.

Wasserstoff?

Die Tafel ist generell... interessant. Hier sehen wir eine Schreibweise, die mir bisher noch nicht untergekommen ist und von der ich keine Ahnung habe, was sie mir sagen soll. Das H\(_2\) kann irgendwas mit Wasserstoff sein, aber was tut da das I und was tut der nächste Wasserstoff da? Was ist das?

Fünfbindiger Kohlenstoff

Am Ring haben wir einen Kohlenstoff mit einer Doppelbindung zu einem anderen Kohlenstoff, einer Doppelbindung zum Sauerstoff und eine Einfachbindung zu einem weiteren Kohlenstoff. Das ist einfach falsch. Kohlenstoff kann insgesamt vier Bindungen eingehen, hier haben wir fünfbindigen Kohlenstoff. Das funktionert einfach nicht.

Mathematische Ausdrücke der CDU

Dass diese Formel für sich genommen schon ziemlich schwachsinnig ist, muss ich hier glaube ich nicht noch einmal extra ausführen. Dass sie allerdings, selbst, wenn sie ernst genommen wird, nicht im Sinne der CDU ist, ist vor der Veröffentlichung offenbar nicht aufgefallen. Würden Wohlstand und Frieden vergrößert werden, würde sich deren Produkt auch vergrößern. Wird der Nenner allerdings größer, wird das Gesamtergebnis kleiner. Demnach würde mit steigendem Wohlstand und Frieden das Ergebnis der CDU sinken.

Atommodell der CDU

Auf der Tafel ist ein Atommodell zu sehen. Es ist schon ein wenig älter, was okay ist, weil es dennoch oft verwendet wird, auch, wenn es genau genommen falsch ist. Ignorieren wir das einfach mal und schauen uns die jeweiligen Schalen an. In der Ersten ist kein einziges Elektron, dafür sind in der Zweiten direkt zehn Elektronen. Das ist falsch. Wenn, dann müssten in der ersten Schale zwei Elektronen sein und in der zweiten acht, aber so passt es von dem Aufbau eines Atoms einfach nicht.

Abgeordneter Elmar Brok

Der verantwortliche Abgeordnete des Europaparlaments zeigt sich selbst noch, allerdings missachtet er noch mehr Sicherheitsvorschriften. In einem Labor sind Schutzkittel und Schutzbrille Pflicht. Da sollte niemand in einem Hemd und einer ganz normalen Brille stehen.

Am Ende wird noch die Zukunftsformel für Europa beworben, wobei es da vermutlich wissenschaftlich korrekter wäre, den Luftdruck im Europaparlament genau zu messen, dabei auf die Radonkonzentration im Trinkwasser eingehen und das mit der Wellenfunktion eines freien Teilchens zu multiplizieren, um dann irgendwas als Zukunftsformel zu deklarieren. Zumindest die Grundlagen wären nicht so falsch wie das, was die CDU hier abliefert. Es ist nicht wissenschaftlich, es ist chemisch inkorrekt, es ist so vieles falsch. Immerhin ist es die definitive Aussage, dass der CDU die Wissenschaft egal ist. Und das ist immerhin eine Grundlage, die CDU bei der Europawahl nicht zu wählen, falls die weiteren Gründe nicht ausreichen sind.

Update 0: In einer früheren Version habe ich Elmar Brok als Kandidaten für die Europawahl bezeichnet, was nicht der Fall ist. Er ist der bisher dienstälteste Parlamentarier im Europaparlament, gab aber bekannt, bei der Europawahl 2019 nicht mehr anzutreten. In jedem Fall ist er allerdings ein Repräsentant und Mitglied der CDU.

Apr 13, 2019

Wie sieht ein Atom aus?

Elektronen, die wie die Planeten im Sonnensystem auf ihrer Umlaufbahn in kosmischer Schönheit um den Atomkern kreisen, wobei der Atomkern selbst wie eine Sonne zu sein scheint, nur mit weniger Strahlung... Eine Anordnung in Schalen, auf denen die Elektronen liegen... Das sind Ideen, wie Menschen gerne versuchen, sich dieses kleine Teilchen, das im Namen schon gleich mit drin hat, dass es so winzig ist, dass es unteilbar ist (viele physiknahe Menschen fallen gerade beim "unteilbar" lachend vom Stuhl), vorzustellen. Nur sind diese Ideen dooferweise falsch. Das Modell dazu mag schön sein, aber es stimmt nicht wirklich mit der Realität überein. Aber beginnen wir doch erst einmal von vorne.

Atome sind sehr klein. Ein einzelnes Atom mit dem bloßen, menschlichen Auge zu sehen, ist unmöglich und auch sonst ist unsere Vorstellungskraft für die Größenordnung von \(10^{-11}\) bis \(10^{-10}\) Metern kaum ausgelegt. Dennoch ist es irgendwo verständlich, dass wir versuchen, eine Vorstellung von Atomen zu etablieren, weil es komisch ist, mit irgendwas zu arbeiten, ja wissenschaftlich zu denken, zu dem kein Bild existiert. Ich glaube, die allgemeine Vorstellung ist noch relativ stark vom Schalenmodell geprägt, aber genau genommen ist das nicht korrekt. Auch das Atom-Logo, der Editor, mit dem ich diese Zeilen tippe, ist nicht ganz korrekt. Dort ist nämlich Folgendes zu sehen:

Logo des Editors Atom

Grob gesagt liegt ein Problem dieses Bilds darin, dass der Atomkern im Vergleich zur Atomhülle zu groß ist. Zwar ist dieser Teil sehr massereich, macht aber nicht wirklich etwas von der Größe aus. Die eigentliche Größe kommt durch die Hülle. Diese Hülle aus Elektronen ist aber auch problematisch, denn Elektronen stehen nicht still. Selbst, wenn das eine Momentaufnahme wäre, könnten die Elektronen nicht genau lokalisiert werden. Das liegt nicht an Messinstrumenten, die nicht gut genug sind, sondern an der Physik dahinter. Das Phänomen der Heisenbergschen Unschärferelation lässt zumindest einen Bereich zu, in dem die Elektronen unterwegs sind, sodass grob gesagt werden kann, wo Elektronen sind, dazu dann weiter unten mehr mit den Atomorbitalen. Somit ist übrigens auch ein Teil meines Headers falsch. Aber dass eine grinsende Avocado auf ein paar angedeuteten (und inkorrekten) Elektronenbahnen nur symbolisch zu sehen ist, konntet ihr euch bestimmt schon denken.

Teil des Headers von Guacamol

Aber fangen wir vielleicht erst einmal zeitlich gesehen vorher mit Atommodellen an. Das Atommodell von Dalton geht zunächst einmal davon aus, dass Atome als kleinste, kugelförmige Einheit bestehen, die sich je nach Element in Volumen und Masse unterscheiden. Eine exakt abgeschlossene Kugel ist ein Atom nicht, grob gesagt sind sie auch je nach Element unterschiedlich in Volumen und Masse schon. Es kommt halt darauf an, wie eng man diesen Punkt sehen möchte, denn für Ionen haben wir einen anderen Durchmesser und auch eine geringfügig andere Masse. Auf den Atomdurchmesser komme ich später nochmal zurück.

Mit Thompson und einem Kathodenstrahl wurde das Bild der unzerteilbaren Einheit des Atoms endgültig zerstört. Solch ein Kathodenstrahl ist letztlich ein Elektronenstrahl im Vakuum. Aber wenn wir Elektronen haben, dann ist ein Atom nicht die kleinste Einheit. Abgesehen davon ist so ein Atom von außen betrachtet elektrisch neutral. Wir brauchen also noch eine positive Ladung. Das war die Geburtsstunde des Rosinenkuchenmodells, ein richtig leckerer Name im Vergleich zu sonstigen Namen von Modellen.

Rosinenkuchenmodell von Thompson (Tjalfave, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PlumPuddingModel_ManyCorpuscles.png)

Dieses Modell geht davon aus, dass ein Atom eine große, positive Ladung besitzt und mit Elektronen gespickt ist, quasi wie Rosinen. Übrigens geht dieses Modell auch davon aus, dass die Masse des Atoms durch die Elektronen zustande kommt. Aber offensichtlich hat sich dieses Modell nicht durchgesetzt.
Das liegt an einem Versuch von Rutherford, in dem vereinfacht gesagt Atome, darunter so was wie Goldfolie, mit Alpha-Strahlen beschossen wurde. Alpha-Strahlen sind positiv geladene Heliumkerne. Im Modell von Thompson wäre die Alpha-Strahlung ungehindert durch gegangen. Allerdings ergab sich, dass ein Bruchteil der Strahlung reflektiert wurde. Daraus stammt die Idee, dass die positive Ladung eines Atoms in einem Kern im Inneren ist. Mittlerweile sind wir auf folgendem Stand:

Rutherfordsches Atommodell

Das Update dazu ist das Bohrsche Atommodell, das Elektronen auf Bahnen sieht. Somit sind wir bei quantifizierten Energiezuständen angelangt. Der Bohrsche Atommodell ist genau das Atommodell, das diese Idee von Elektronen auf Bahnen wie Planeten um die Sonne geprägt hat. Das Modell hat in sich aber noch ein paar physikalische Probleme. Würde sich ein Elektron, also etwas mit einer Ladung, kreisförmig bewegen, würde es elektromagnetische Strahlung aussenden. Dadurch verliert es Energie, denn diese Strahlung hat eine gewisse Energie, die das Elektron folglich nicht mehr hat, weil es dem Energieerhaltungssatz folgt. Dementsprechend müsste es in den Kern stürzen und Atome wären instabil. Da ich, ein riesiger Haufen aus Atomen und Molekülen, hier sitze, bin ich wohl zu einem großen Teil stabil. Zwar sind im menschlichen Körper auch radioaktive Isotope enthalten, aber diese Atom sind nicht dadurch instabil, dass Elektronen in den Kern fallen. Ein eigener Beitrag zu Radioaktivität wäre auch mal was, aber das ist eher bezogen auf den Atomkern, der sich seit dem Modell von Rutherford nicht mehr so wirklich geändert hat.
Aber zurück zum Modell von Bohr: Wir haben ein paar physikalische Fehler, die aber irgendwo in die richtige Richtung weisen. Die Bahnen sagen ja zumindest aus, dass die Energie der Elektronen quantifiziert ist. Die Idee von etwas, was kreisförmig ist, ist nicht vollkommen falsch und geht zumindest ganz grob in eine richtigere Richtung.

Das Update dazu, was auch aktuell ist, ist das Orbitalmodell. Orbitale sind Aufenthaltsorte von Elektronen, denn genau lokalisieren funktioniert nicht, also sind das Orte mit einer Aufenthaltswahrscheinlichkeit von 90 Prozent. Dafür stößt man öfter auf den Begriff der Elektronenwolke. Die Form dieser Orbitale ergibt sich aus den jeweiligen Wellenfunktionen, die mathematisch ein bisschen komplexer sind und streng genommen auf das Wasserstoffatom bezogen sind. Das sieht dann für die ersten paar Orbitale so aus.

s- und p-Atomorbitale

Die Kreis- bzw. Kugelform aus dem Bohrschen Atommodell ist zumindest so was wie extrem eingeschränkt vorhanden. Alle anderen Elektronen befinden sich in einem Bereich, in dem es neue Formen gibt. Das wird mit d-Orbitalen noch ein bisschen weiter von der "Planetenbahn" der Elektronen weggebracht.

d-Atomorbitale (Sven, CC-Lizenz, https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:D_orbitals.svg)

Die sogenannten f-Orbitale treiben das nochmals auf die Spitze.

f-Atomorbitale (Adrignola, CC-Lizenz 3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:F-orbitals.png)

Mittlerweile ist da nichts mehr mit einfachen Bahnen und taucht jetzt die Frage nach einem Wie, einem Warum, einem Weshalb auf und wie das mit der Vorstellung funktioniert, wie Elektronen in einem Atom aufgeteilt sind. Glücklicherweise passt die Struktur des Periodensystem dazu. In das s-Orbital passen zwei, in das p-Orbital sechs, in das d-Orbital zehn und in das f-Orbital vierzehn Elektronen rein. Die genaue Aufteilung für jedes Element ist in der entsprechenden Elektronenkonfiguration zu finden, dazu gibt es auch ein Schema, wie das aufgefüllt wird, das spielt hier aber keine wirkliche Rolle.
Was ich hier eigentlich nur ins Bewusstsein rufen möchte, ist, dass ein Atom nicht so aussieht wie wir es sehr gerne darstellen, da bin ich keine Ausnahme. Das, was näher an die Realität kommt, ist deutlich komplexer. Das Aussehen eines Atoms ist letztlich auch davon abhängig, welches Atom genau betrachtet wird, ob es in einer Verbindung vorkommt, etc. Je nachdem, ob Elemente als Ionen vorliegen, also Elektronen zu viel oder zu wenig im Vergleich zu ihrem Grundzustand haben, ändert sich der Atom- bzw. Ionenradius.

Atomradius? Ionenradius? Wir sind wieder bei den Atomen als Kugeln und der Idee eines festen Radius. Einen absoluten Radius gibt es allerdings nicht. Stattdessen wird von verschiedenen Radien gesprochen. Für Atome, die in eine sogenannte kovalente Bindung eingehen, existiert der Kovalenzradius als halber Abstand zweier Atome eines Elementes in einer kovalenten Verbindung. Ich glaube, das geht auch ein kleines bisschen zu weit und ich hoffe, ein wenig Licht in den Aufbau der Atome gebracht zu haben.

Mär 04, 2019

Der Unterschied zwischen Temperatur und Wärme

Zwei Begriffe, die im Alltag sehr gerne synonym verwendet werden, sind Temperatur und Wärme. Allerdings besteht zwischen diesen beiden Begriffen ein besonders für die physikalische Chemie und Thermodynamik relevanter Unterschied. Die Nutzung von Temperatur und Wärme als ähnlich oder gleich ist auf das subjektive Empfinden des Menschen von warm und kalt zurückzuführen. 100 °C werden von den meisten Menschen als heiß empfunden, -5 °C als kalt. Werden zwei unterschiedliche Stoffe mit dieser Temperatur verglichen, kann ihre Wärme aber durchaus eine unterschiedliche sein.

Aber eins nach dem anderen, zuerst sollte zumindest einer der Begriffe ein wenig genauer beleuchtet werden. Temperatur ist in meinen Augen etwas vergleichsweise Intutivies und Verständliches, weil es sich dabei um eine alltägliche Größe handelt. Temperaturen in °C begleiten uns mit jedem Blick auf den Wetterbericht. °F schließe ich an der Stelle mal bewusst aus.
Die SI-Einheit der Temperatur ist übrigens Kelvin (ohne °/Grad) mit absolutem Nullpunkt bei 0 K, umgerechnet etwa -273.15 °C. Der absolute Nullpunkt heißt absolut, weil die Temperatur nicht weiter sinken kann. Genau genommen ist der absolute Nullpunkt selbst nicht zu erreichen, es kann sich diesem aber angenähert werden. Ich schließe °F daher bewusst aus, weil Kelvin und Grad Celsius einfach ineinander umgerechnet werden können, Kelvin und Grad Fahrenheit hingegen nicht.
Aber zurück zum eigentlichen Temperaturbegriff: In Stoffen liegt auf atomarer Ebene die Ursache der Temperatur in der ungeordneten Bewegung der Teilchen. Atome sind immer in Bewegung. Nach bestimmten Vereinfachungen könnte in Gasen sogar die Temperatur als Maß der mittleren kinetischen Energie der Teilchen verwendet werden.
Kinetische Energie, was war das nochmal? Diese ist definiert nach \(E = \frac{1}{2} m v^2\) und hat als Faktoren die Masse der Teilchen und deren Geschwindigkeit. Geschwindigkeit, Bewegung der Teilchen, das hängt miteinander zusammen.
Die Messung von Temperatur ist vergleichweise einfach, je nachdem, wie genau es sein sollte. Mithilfe des Aggregatzustands von Wasser kann bestimmt werden, ob die Temperatur kleiner als 0 °C ist, zwischen 0 und 100 °C oder größer als 100 °C. Der Nullpunkt der Temperaturskala für °C ist nämlich durch den Gefrierpunkt des Wassers gewählt und festgelegt. Zugegeben, diese Art der Temperaturmessung ist vergleichsweise ungenau, genauere Thermometer funktionieren beispielsweise mit einer Änderung des Volumens durch Änderung der Temperatur.

Wenn der Begriff Temperatur so vieles einnimmt, was wir gerne auch im Alltag als Wärme verstehen, was ist dann eigentlich Wärme? Zugegeben, Wärme und Temperatur sind keine vollkommen unterschiedlichen Größen, die rein gar nichts miteinander zu tun haben. Das haben sie nämlich durchaus. Wärme ist eine Form von Energie, die die meisten Menschen schon mal erlebt haben. Je nachdem, wie stark der Prozessor des Endgeräts, auf dem das hier gerade gelesen wird, beansprucht wird, wird mehr oder weniger Wärmeenergie frei. In dem Moment können wir unter Umständen realisieren "Oh, das Endgerät wird warm", denn andere Energieformen werden in Wärme umgewandelt und tatsächlich hängt damit auch ein Temperaturunterschied zusammen. Das liegt darin, dass Wärme die Energieform ist, die zwischen Körpern mit unterschiedlicher Temperatur ausgetauscht wird. Der Prozessor erwärmt die Umgebung. Genau genommen wird Wärme vom Körper mit höherer Temperatur auf den mit niedrigerer Temperatur übetragen. Somit wird, wenn wir etwas kühlen, eigentlich nur der gekühlte Körper weniger warm.
Wie kann der Unterschied zwischen Temperatur und Wärme verdeutlicht werden? Werden auf zwei identischen Herdplatten Töpfe mit einer unterschiedlichen Menge an Wasser für eine identische Zeit erwärmt, so wird das Wasser mit dem kleineren Volumen eine höhere Temperatur aufweisen als das mit dem größeren Volumen. Die Wärme, die zugeführt wurde, ist gleich, die Temperatur aufgrund des Volumens unterschiedlich.
Im Übrigen ist Wärme keine Zustandsgröße, was bedeutet, dass es keinen definierten Wärmeinhalt eines Körpers gibt. Es ist eine Prozessgröße im Sinne des Wärmeflusses zwischen zwei Körpern, eine Form der Energieübertragung. Die Temperatur hingegen lässt sich als Zustandsgröße definieren, die mehr oder weniger einfach und genau gemessen werden kann.

Ein kurzer Blick auf die Einheiten von Temperatur (Grad Celsius, Kelvin oder irgendwas Komisches) und Wärme (Joule) hätte vermutlich auch für diesen Beitrag ausgereichet, um irgendwie zu begründen, dass Wärme und Temperatur nicht gleich sein können. Das wäre nur vermutlich weniger verständlich gewesen. Ich möchte allerdings trotzdem kurz nochmal auf das Kelvin als SI-Einheit eingehen, das ab 20. Mai 2019 auch eine Neudefinition erhalten wird. Über die sogenannte Boltzmann-Konstante wird das Kelvin in Abhängigkeit zu Sekunde, Meter und Kilogramm definiert und nicht mehr über den Tripelpunkt (der Punkt, an dem die Zustände fest, flüssig und gasförmig in einem Gleichgewicht zueinander liegen, also einfach gesagt alle gleichzeitig auftreten) des Wassers.

Feb 25, 2019

Woher kommen die Kalorien in Lebensmitteln?

Die meisten Lebensmittelverpackungen enthalten eine Aufschlüsslung der Nährwerte mit Anteilen an Kohlenhydraten, darunter Zucker, Fett, darunter gesättigte Fettsäuren, Eiweiß und Salz. Eine weitere Angabe ist der Brennwert, der in diesen Lebensmitteln steckt, ausgedrückt in Kilojoule oder Kilokalorien. Die einzelnen Anteile nach Masse aufgelistet scheinen schon ihren Sinn zu ergeben. Oftmals ist für die verschiedenen Nahrungsbestandteile folgende Auflistung für den Brennwert zu finden:

  • 1 g Eiweiß: 4,1 kcal/17 kJ
  • 1 g Kohlenhydrat: 4,1 kcal/17 kJ
  • 1 g Fett: 9,3 kcal/39 kJ

Auch diese Werte müssen irgendwie ihren Ursprung haben. Über die Messmethode möchte ich ein wenig erzählen, weil ich sie selbst schon in einem meiner Pratika durchgeführt habe. Im Praktikum im Bereich der physikalischen Chemie gab es einen Versuch zur Kalorimetrie, mit der die Verbrennungsenergie von bestimmten Stoffen gestellt werden kann.
Das heißt, dass nicht nur Nahrungsmittel, sondern sämtliche (festen) Stoffe können auf ihren Brennwert untersucht werden. Ein limitierender Faktor für die Wahl der Stoffe ist schlicht die Anordnung. Das Messgerät ist nämlich ein sogenanntes Bombenkalormimeter.

Der grobe Aufbau eines Kalorimeters besteht aus einer sogenannten Bombe als Ort, an den die Probe hinein gegeben wird, einem Wasserbad, um dort einen Temperaturanstieg und daraus folgenden eine Verbrennungsärme zu messen. Daneben ist es wichtig, dass das Kalorimeter adiabatisch ist, also nicht mit der Umgebung Wärme austauscht. Das Experiment wäre schließlich ziemlich fehlerbehaftet, wenn die Umgebung mit ihrer Wärme einen Einfluss hätte, schließlich soll ja eine Wärme gemessen werden. Wenn die äußere Umgebung des Labors einen Einfluss hätte, dann wären die Ergebnisse kaum nutzbar.
Das Wasserbad und das Behältnis mit der Probe stehen in einem Gleichgewicht bei einer Temperatur von 20-25 °C. Die Probe wird in einem Behältnis mit Baumwollfaden und 25 bar Sauerstoff vorbereitet, bevor sie gezündet wird.
Durch diese Zündung erfolgt eine Reaktion bis hin zu den Produkten CO\(_2\) und H\(_2\)O, also soweit wie möglich. Bevor allerdings Realproben vermessen werden, ist eine Kalibrierung notwendig. In meinem Fall handelt es sich Benzoesäure bei der Kalibriersubstanz. Benzoesäurepulver wird zu einer Tablette gepresst und hat eine bekannte Masse. Daraufhin wird eine Reaktion in Gang gesetzt und im zeitlichen Verlauf kann die Temperatur beobachtet werden.

Kalibrierung des Kalorimeters mit Benzoesäure

Es ist ein ziemlicher Temperaturanstieg zu sehen im Vergleich zur Starttemperatur und genau diese Temperatur ist wichtig, um die resultierende Verbrennungswärme zu berechnen. Zudem wird daraus eine sogenannte Kalorimeterkonstante berechnet, um im weiteren Verlauf die Realproben entsprechend berechnen zu können.

Für die Realprobe ist eine Nudel sowie eine Paraffintablette verwendet worden, etwa 1 g. Es ist gar nicht so einfach, ein Gramm einer Nudel abzuwiegen und das mit einem Baumwollfaden festzubinden. Grob gesagt ist das das Vorgehen, um den Brennwert zu ermitteln.

Aus dieser Methode der Ermittlung ergibt sich allerdings ein Problem. Eine vollständige Reaktion mit Sauerstoff ist nicht das, was im menschlichen Körper passiert. Es erfolgt im Körper zwar eine Oxidation, weil das sehr vereinfacht gesagt der menschliche Energiegewinnungsprozess ist, aber das Ergebnis ist nicht Kohlendioxid mit Wasser. Zudem enthalten bestimmte Lebensmittel mehr oder weniger große Mengen an Ballaststoffen, die natürlich im Experiment auch mit Sauerstoff reagieren. Es existiert der Begriff des physiologischen Brennwerts, der die geschätzten Teile abgezogen hat, die der menschliche Körper nicht verwerten kann. Allerdings sind auch die Angaben über die Energie in Form von Nahrung, die ein Mensch zu sich nehmen sollte, auch auf den Brennwert im Allgemeinen bezogen. Insofern ist der Aspekt der Schätzung, der im Bereich des physiologischen Brennwerts zum Tragen kommt, in diesem Sinne kaum relevant für die täglich notwendige Zufuhr von Nahrung.