Ich mach Chemie

Heute gab es einen magischen Moment in meinem Chemiker Leben. Ich führte Schüler*Innen einer Grundschule die Wirkung von Salzsäure vor. Salzsäure, eine klassische Mineralsäure mit der Formel HCl, ist korrosiv gegenüber Metallen. Magnesium und Eisen lösen sich unter Bildung von Wasserstoff und Hitzeentwicklung relativ schnell auf, edlere Metalle wie Gold lösen sich nicht auf.

Ich löste vor den Augen der Schüler*Innen ein Stück Magnesiumband auf, was wiederum eine lebhafte Diskussion unter den Schüler*Innen auslöste, was sich alles sonst noch oder gerade nicht in Salzsäure auflöst. Als ich meinte, Gold löse sich nicht auf, und auf meinen Ring an meiner rechten Handzeigte, wusste ich, was auf mich zu kommen würde: Ein Moment, in dem ich meinem Wissen über Chemie zu 100% vertraute. Und das fühlte sich sehr gut an. Ich zog meinen Ring aus und lies ihn in das Becherglas mit der heißen Salzsäure fallen. Und es passierte – …!

Kleiner Einschub: Gold kam nach heutiger Theorie vor Milliarden Jahren als Ergebnis eines Supernova-Kernkollapses auf die sich bildende Erde und ist schon seit mehr als 6.000 Jahren der Menschheit bekannt. Es wird zum überwiegenden Teil als Geldanlage und als Schmuck verwendet, nur knapp 8 % des Goldes wird in der Industrie eingesetzt, und dort besonders in den Bereichen Elektronik, Optik und Medizin. Gold ist neben ein paar anderen Metallen ein sogenanntes Edelmetall. D.h. es ist besonders beständig gegenüber anderen Chemikalien.

Neben Gold gelten auch Silber, Platin und Palladium als Edelmetalle. Die chemische Stabilität von Gold und den im Periodensystem benachbarten Edelmetallen ist in der besonderen Elektronenkonfiguration begründet. Jedes Atom besteht einer spezifischen Anordnung von Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Elektronen des Goldes befinden sich vorzugsweise in recht geringen Abständen zu dem Atomkern und tragen somit nicht zur Reaktionsaktivität des Goldes bei. Auch treten bei Gold und anderen schweren Edelmetallen relativistische Effekte auf, da die Elektronen sich im Gegensatz zu den Elektronen von unedlen Metallen eine Geschwindigkeit haben, die der Lichtgeschwindigkeit nahe kommt.

Vielleicht tragt ihr auch Schmuck aus diesen Edelmetallen, oder Mischungen aus diesen Edelmetallen, die auch Legierungen genannte wird. Der Ring, den ich in die heiße Salzsäure legte, besteht aus 75% Gold und ca. 25% Silber. Und er löste sich nicht auf. Es überraschte mich nicht wirklich, ich war mir ziemlich sicher. Die Schüler*Innen hielten trotzdem den Atem an, einige waren sogar etwas erschrocken, hatte ich ihnen doch zuvor gezeigt, wie sich ein Stück Magnesium und ein alter Nagel in der Säure auflöste.

Warum war dieser Moment magisch für mich? Weil ich der Wissenschaft vertraute und nicht enttäuscht wurde. Weil ich die Stimmung bei den Schüler*Innen mitbekam, die von Aufregung und Begreifen geprägt war. Und weil dieses kleine Experiment mit einem Ring aus Gold durchgeführt habe. Der Begriff Gold wird vielfach euphemistisch eingesetzt. Das schwarze Gold (Öl), das flüssige Gold (Honig), der goldene Oktober. Auch im zwischenmenschlichen spielt Gold eine Rolle, steht es doch für Langlebigkeit und Wertigkeit einer Beziehung. Gold und Goldringe haben auch eine mystische und literarische Bedeutung, ich muss direkt an den Ring der Nibelungen oder den „Einen Ring“ aus Tolkiens Mittelerde denken. Und weil Gold emotional so aufgeladen ist, war es ein besonderer und magischer Moment, als ich dieses Experiment mit meinem Goldring durchführte und mich die Wissenschaft nicht enttäuschte.

Vertraut der Wissenschaft!

Mit goldigen Grüßen,

Hendrik Fischer

Minecraft ist eines der erfolgreichsten Videospiele der letzten Dekade. In diesem Spiel geht es um Phantasie, Kreativität und  manchmal auch um das Überleben. Das Spiel hat kein vorgegebenes Ziel. Die Spieler*Innen laufen durch die vorgegebene Welt, erkunden tiefe Höhlen, suchen nach wertvollen Bausteinen und Artefakten oder kreieren eigene Gebäude und sogar ganze Welten. Die Welt ist sehr grobpixelig und besteht im Wesentlichen aus kubischen Blöcken. Ein Block Erde, ein Block Wasser, ein Block Stein, ein Block Baum etc… daraus baut sich die ganze Welt auf. Feiner sind bestimmte Handwerkszeuge oder Lebewesen, die von den Spieler*Innen benutzt werden können. Ich habe aus Sicht eines Minecraft Fans die Welt bestimmt nicht gut genug beschrieben, doch lest ruhig weiter.

Es soll im Weiteren um die Chemie und die Elemente bei Minecraft gehen: Innerhalb des Spiels existieren 19 verschiedene Blöcke der normalen Oberwelt, die vom Entwickler von Minecraft „Erze“ genannt werden. Aus Sicht eines Chemikers sind Erze bestimmte Gesteinsformen, die Elemente entweder gebunden oder gediegen (gediegen = liegt als Metall selbst vor) enthalten und als Rohstoff für die verarbeitende Industrie abgebaut werden. In Minecraft wird der Begriff sehr frei verwendet, nicht alle „Erze“ in Minecraft sind auch chemisch betrachtet Erze. In Minecraft gibt es  Steinkohle, Eisenerz, Golderz, Kupfererz, Lapislazulierz, Redstone-Erz, Diamanterz und Smaragderz.

Wird hier die Welt der Mineralien und Erze realistisch dargestellt? Nicht ganz, aber das ist sicher auch nicht der Anspruch eines phantastischen Videospiels. Doch werfe ich einen tieferen Blick in die Gesteinsschichten von Minecraft: Mir wird deutlich, dass ich aus unterschiedlichen  Perspektiven auf die Bausteine der Minecraftwelt blicken kann und viel mehr Stoffe und Mineralien existieren, die innerhalb Minecraft nicht als „Erz“ definiert sind.

Chemisch betrachtet sind Eisen, Gold, Kupfer und Diamant chemische Elemente. Ein chemisches Element besteht nur aus einer Art Atome. Eisen besteht nur aus Eisenatomen, Gold nur aus Goldatomen, Kupfer nur aus Kupferatomen und Diamant nur aus Kohlenstoffatomen. In Diamant sind die Kohlenstoffatome auf eine bestimmte Art miteinander verknüpft und unterscheidet sich von Graphit, diesem schwarzen Stoff und Bestandteil des Bleistiftes, in dem zwar auch nur Kohlenstoffatome vorliegen, diese aber anders miteinander verbunden sind. Smaragd, Lapislazuli und Steinkohle sind chemische Verbindungen, und bestehen jeweils aus unterschiedlichen Atomen. Smaragd ist ein Silikat, das die Elemente Aluminium und Beryllium enthält. Die chemische Formel Al₂Be₃[Si₆O₁₈] wirkt recht komplex, der Mineralname Beryll kommt von dem Element Beryllium. Lapislazuli ist keine Minecraft Erfindung, sondern bezieht sich auf eine bestimmte Gesteinsform, die aus mehreren Mineralien besteht. Übersetzt aus dem Lateinischen bedeutet Lapislazuli einfach „blauer Stein“ und ist eine Mischung aus Lasurit (ein Silikat), Pyrit (Eisensulfid, auch Katzengold genannt), Calcit (Kalziumkarbonat) und anderen Beimengungen. Steinkohle ist noch komplexer aufgebaut als Lapislazuli. Steinkohle wird auch als Gestein bezeichntet und besteht aus einer Menge des kristallinen, elementaren Kohlenstoffs. Aber auch aus ganz vielen anderen organischen Makromolekülen, Wasser und anderen Mineralien. Würde Steinkohle nur aus Kohlenstoff bestehen, würde keine Asche nach der Verbrennung übrig bleiben.

Geologisch betrachtet sind Diamant, Smaragd und Lapislazuli Mineralien, da sie im Gegensatz zu „Gesteinen“ aus einzelnen Elementen oder chemischen Verbindungen bestehen. Weitere Mineralien in der Minecraftwelt sind Sand, Quarz, Feuerstein, Granit und Obsidian.

Wie realistisch ist Minecraft?

Überraschenderweise erkenne ich einige Aspekte der Mineralogie und Erzbehandlung, die auch in der Realität vorkommen.

Die Geschichte der Herstellung von Metallen aus Erzen ist sehr alt und kann auf ersten Verhüttung von Eisenerz im damaligen Mesopotamien zurückdatiert werden. In der Geschichte der Verhüttung wird prinzipiell immer Metallerz mit Kohle als Reduktionsmittel und Energielieferant in Verbindung gebracht.

Erste Hochöfen entstanden 500 v. Chr. Bei Temperaturen von bis zu 1.600 °C wird in einer chemischen Reaktion aus der Eisenverbindung elementares Eisen gewonnen.

Moderne Hochöfen wie zum Beispiel der Hochofen 5 der Dillinger Hütte können so bis zu 7.000 Tonnen Roheisen pro Tag produzieren, die größten bis zu 12.000 Tonnen Roheisen pro Tag. In Minecraft ist das sehr verkürzt dargestellt. Die Spielfigur baut Eisenerz ab und erhält direkt vor sich einen Block Roheisen. Der chemische Reaktionsprozess ist ausgelassen.

In einem weiteren Schritt kann die Spielfigur das Roheisen erhitzen und in Eisenbarren formen, die wiederum für unterschiedliche Folgeprodukte wie Eisengitter, Schienen oder eine Eisenspitzhacken verwendet werden können. Das ist wieder realistischer, beschreibt es doch bekannte Grundlagen des Schmiedens. Auch unrealistisch ist die Gewinnung von Smaragd aus Smaragderz oder das Schmieden eines Diamantschwertes.

Aus pädagogischer und naturwissenschaftlicher Sicht ist es schade, dass hier verpasst wurde, einfache chemische Verarbeitungsschritte wie zum Beispiel die Metallgewinnung aus Erzen korrekt wiederzugeben. Programmiertechnisch wäre das sicherlich möglich gewesen.

Aber natürlich hat Minecraft nicht den Anspruch, naturwissenschaftliche Phänomene korrekt wieder zu geben. Ich selber spiele Minecraft unheimlich gerne, weil es meine Kreativität anregt und mir einfach Spaß macht. Und wenn einer von euch Lesenden durch meinen Blogbeitrag einen anderen Blick auf Minecraft hat und sogar das ein oder andere auf Wikipedia oder meinem kleinen Beitrag zur Mineralien oder Salz weiterliest, dann freue ich mich.

Mit steinigen Grüßen besonders an meinen Mitreisenden im ICE Maxime,

Hendrik Fischer

P.S. Es gibt sogar eine Weiterentwicklung, die die Minecraft Welt auf ein anderes chemisches Level bringen möchte. Die Erweiterung „Minecraft Education Edition“ – diese kenne ich noch nicht, bin aber sehr gespannt und werde in meinem zweiten Teil zu „Minecraft und Chemie“ dazu etwas schreiben. Am besten abonniert ihr meine Seite, um auf das und andere Beiträge mit zu bekommen.

Von März bis Juni 2022 habe ich mit Unterstützung des Young-Spirit Programms der Evonik die Begabtenförderung des Rheinisch Bergischen Kreises gestaltet. Mit Chemie-Experimenten – von den Kindern selbst durchgeführt.

Regelmäßig Freitags von 14:00 bis 15:30 saßen 15 Schüler*Innen, der Sachkundelehrer der Grundschule Witzhelden Herr Steinigeweg und ich vor dem Rechner. Ziel war es, den Schüler*Innen Grundkonzepte der Chemie und selbstständige Durchführung von Experimenten zu vermitteln.

Zahlreiche Themen wurden behandelt: Die Verbrennung als chemische Reaktion, die unterschiedlichen Zustände fest, flüssig, gasförmig, vereinfachte Formelsprache („was bedeutet CO₂“), die Dichte und das Volumen, Zusammensetzung der Luft, Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten, Säuren und Basen, pH-Wert und Farben. Dazu haben die Schüler*Innen noch weitere Aufgaben im Selbstlernmodus durchgeführt. Die Experimente waren während der Online-Zeiten so zu gestalten, dass kein Risiko bestand. Also habe ich die Experimente so designt, dass die Effekte mit einfachen Hausmitteln und Bastelzubehör zu erreichen waren. Und meiner Einschätzung nach hat das der Motivation der Schüler*Innen keinen Abbruch getan Im Gegenteil, bei meiner wöchentlichen Abfrage „Wie es denn gewesen sei“ habe ich durchweg die Daumen hoch gezeigt bekommen.

Am 18.6. war es dann aber so weit: Wir alle kamen in der Grundschule für einen gesamten Vormittag zusammen. Und haben 4,5 Stunden an diesem heißen Tag nur mit Experimenten verbracht – mit „richtigen“ Chemikalien. Richtig in Anführungszeichen, denn dass Chemie überall ist, haben die Schüler*Innen schon ganz am Anfang verstanden. Glasgeräte wurden ausgepackt und bestaunt, es wurde bunt, es blubberte.

Eine Titrationskurve wurde erstellt, Lavalampen gebaut, bunte Flammen erzeugt und Flüssigkeiten voneinander getrennt. Richtig begeistert war ich, mit wieviel Aufwand und Wissen die Abschlusspräsentationen waren, die die Schüler*Innen an dem Tag vorstellten.

Kleine Highlights waren sicherlich die Brause-Raketen und die Knallgas-Reaktion, die uns alle aufgeweckt hat. Die Begeisterung war den Schüler*Innen und dem Lehrer Steinigeweg anzumerken. Und ich wurde immer zufriedener.

Denn mir wurde bewusst, wie wissbegierig die Schüler*Innen waren und wie sehr daran interessiert, die „richtige“ Chemie zu erlernen. Die Skepsis vor der giftigen und bösen Chemie am Anfang der Serie ist schnell einer realistischen Sichtweise auf die Gefahren aber auch Chancen der Chemie gewichen. Und am Ende hatten alle einfach Spaß.

Und damit war auch eines meiner Hauptziele meines Engagement erreicht: Interesse an der Chemie zu wecken. An dieser Wissenschaft und Industrie, die so stark in der Kritik steht, aber so wichtig für das moderne Leben in unserer Gesellschaft ist. Aus diesem Grund: Immer wieder!

Euer Hendrik Fischer

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