So findet man ein Wasserstoff-Atom!

Bei der letzten Geschichte bin ich euch eine Antwort schuldig geblieben. Das möchte ich nun ändern!

Erinnern wir uns zurück: Mein Freund der Synthesechemiker hatte eine Verbindung hergestellt, bei der er zwar wusste, wie viele und welche Atome darin sind, und auch, wie das Molekül an sich aussehen müsste, aber er hat ein ganz bestimmtes Wasserstoffatom im Molekül nicht finden können. Also sind wir zusammen auf die Suche gegangen. Aber wie sucht man eigentlich ein bestimmtes Atom in einem Molekül? Wir können Moleküle ja gar nicht sehen!

Das können wir wirklich nicht. Aber es gibt eine Möglichkeit, an Informationen zu kommen. Was macht ihr, wenn ihr jemanden nicht sehen könnt, aber trotzdem wissen wollt, welche Farbe das T-Shirt dieser Person hat? Ihr fragt sie. Und genau das machen wir Chemiker auch mit den Molekülen. Wir fragen sie, wie sie aussehen. Das ist natürlich nicht ganz so einfach, wie es klingt, Moleküle können ja nicht sprechen. Aber sie können uns andere Antworten geben. Und wenn wir lernen, wie wir diese Antworten verstehen können, können wir alles über ein Molekül erfahren, was wir wissen wollen. Die Kunst, einem Molekül eine Frage zu stellen und die Antwort aufzuzeichnen, nennt sich Spektroskopie und gehört in das Feld der physikalischen Chemiker.

Es gibt sehr viele verschiedene Arten der Spektroskopie und jede Art ist auf eine andere Frage spezialisiert. Eine der ältesten Spektroskopien, die optische Spektroskopie, stellt die Frage, wie leicht sich die Elektronen in einem Molekül beeinflussen lassen. Dafür wird die Verbindung mit sichtbarem Licht bestrahlt. Das Molekül sucht sich nun die Teile des Lichtes heraus, die zu seiner „Elektronenbeeinflussbarkeit“ passen und ignoriert den Rest. Diesen Rest des Lichtes können wir uns jetzt ansehen und beurteilen, welcher Teil fehlt. Die Evolution hat schon sehr früh erkannt, dass es für Lebewesen sehr praktisch sein kann, diese Spektroskopie-Art immer dabei zu haben und so haben wir gelernt, Farben zu sehen.

Eine weitere Methode, die sogenannte Schwingungsspektroskopie, stellt die Frage, wie einfach sich die Bindungen in einem Molekül „strecken“ oder „verbiegen“ lassen. Wir bestrahlen unsere Verbindung wieder mit Licht (diesmal mit sogenanntem infrarotem Licht, das kennen wir aus Wärmelampen, sehen können wir es aber nicht) und das Molekül pickt sich nun für jede Bindung genau den Teil des Lichts heraus, der zur Bindung passt. Danach schauen wir uns wieder den Teil des Lichtes an, der übrig bleibt. Weil schon sehr viele fleißige physikalische Chemiker solche Experimente gemacht haben, können wir heute in Tabellen nachlesen, welche Bindungen in unserem Molekül auftreten müssen, wenn bestimmte Teile des Lichtes fehlen. (Für die Erfahrenen unter euch: wir können also für die Verbindung mit der Summenformel C2H4O sehr einfach herausfinden, ob eine C-O-Doppelbindung oder eine C-C-Doppelbindung vorliegt, indem wir gucken, welcher Teil des infraroten Lichtes fehlt. Wir können also sehr effizient Isomere voneinander unterscheiden.)

Und die für das aktuelle Problem wichtigste Spektroskopie-Art – die sogenannte Kernmagnetische Resonanzspektroskopie (weil das so ein langer Name ist und wir Chemiker faul sind, nennen wir sie nur NMR-Spektroskopie) fragt danach, wie polar die Bindungen zu bestimmten Atomsorten sind. Zum Beispiel reagieren Wasserstoff-Atome, die sehr elektronegative Bindungspartner haben (wie z.B. Sauerstoff-Atome), anders als solche, deren Bindungspartner eher weniger elektronegativ sind (wie z.B. Kohlenstoff-Atome). Neben den Chemikern finden das auch andere sehr spannend. Denn offensichtlich kann man mit dieser Technik sehr gut Wasser und Fett (also Kohlenwasserstoffe) voneinander unterscheiden. Und wenn diese Spektroskopie dreidimensional und mit einem Menschen als Probe gemacht wird, dann nennt ein Arzt das MRT (Magnetresonanz-Tomographie) und kann in euch hineingucken, ohne euch aufschneiden zu müssen.

In unserem Fall hatten wir nun die Möglichkeit, dass unser Wasserstoff-Atom entweder an einem Kohlenstoff-, an einem Sauerstoff- oder an einem Stickstoff-Atom sitzen könnte. (Die genaue Verbindung ist noch geheim, deswegen kann ich sie euch nicht zeigen.) Diese drei Atomsorten unterscheiden sich stark in ihrer Elektronegativität, wir können die Frage also mittels NMR-Spektroskopie lösen. Mein Freund hat das versucht, aber keine Antwort erhalten. Als wir uns darüber unterhalten haben, sind wir stutzig geworden: Er hatte gar keine Antwort erhalten. Nicht eine, die er nicht verstanden hatte, sondern gar keine!

Woran könnte das liegen? Nun, wenn wir dem Molekül eine bestimmte Menge Licht (in der NMR-Spektroskopie sind das Radiowellen) anbieten und es nimmt sich gar nichts davon, dann haben wir ihm vielleicht die falsche Auswahl angeboten. Ich habe meinem Freund also geraten, mehr Antwortmöglichkeiten (im Physiker-Sprech: ein breiteres Spektrum an Wellenlängen) anzubieten und siehe da: Plötzlich hat das Molekül sich einen Teil des neuen Lichts herausgepickt. Dann konnten wir uns zusammensetzen und haben sehr schnell herausbekommen: Dieser Teil des Lichtes sagt uns ganz klar, dass das Wasserstoff-Atom am Stickstoff-Atom sitzen muss.

Und genauso lösen wir Chemiker ein Problem: Indem wir wissen, welche Fragen wir einem Molekül stellen können (also gelernt haben, welche Spektroskopie-Arten es gibt), indem wir mitdenken, um gegebenenfalls neue Fragen stellen zu können, und indem wir uns mit unseren Freunden und Kollegen über unsere Probleme austauschen und voneinander lernen. Am Ende sind die Antworten nicht weniger als das, was schon Goethes Faust wissen wollte: „was die Welt im Innersten zusammenhält“ (Faust I, Vers 382 f.).

Über den Autor
Marc Reimann hat 2011 am Gymnasium Am Kattenberge sein Abitur gemacht. Seine Leistungskurse waren Chemie, Mathematik und Physik. Nach seinem Abitur studierte er Chemie an der Humboldt-Universität zu Berlin und arbeitet derzeit an der Technischen Universität Berlin an seiner Doktorarbeit in theoretischer Chemie zur Berücksichtigung von Lösungsmitteleffekten in quantenchemischen Rechnungen.

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