Einführung in die Laborpraxis: Basiskompetenzen für Laborneulinge

226 Pages·2009·3.821 MB·German

by  Bruno Kremer, Horst Bannwarth (auth.)

Springer-Lehrbuch
·
Bruno P. Kremer Horst Bannwarth
Einführung in die
Laborpraxis
Basiskompetenzen für Laborneulinge
123
Dr.BrunoP.Kremer
Prof.Dr.HorstBannwarth
UniversitätzuKöln
ZentrumfürNaturwissenschaftliche
undMathematischeBildung
InsitutfürBiologieundihreDidaktik
Gronewaldstr.2
50931Köln
Deutschland
[email protected]
[email protected]
ISBN978-3-540-85177-6 e-ISBN978-3-540-85249-0
DOI10.1007/978-3-540-85249-0
Springer-LehrbuchISSN0937-7433
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? Inhalt

Warum gerade dieses Buch?....................................................................1

Basiskompetenzen
1 Bevor es los geht: Sicherheit und Umsicht....................................3
1.1 Verantwortung im Labor.........................................................4
1.2 Grundsätze für die Laborsicherheit.........................................5
1.3 Der Arbeitsplatz im Labor......................................................7
1.4 Besondere ...............................................................................9
1.5 Gefahrstoffe und Gefahrgut..................................................11
1.6 Die R- und S-Sätze................................................................12
1.7 Umweltaspekte und Entsorgung...........................................14
2 Chemikalien: Elemente, Stoffe, Verbindungen..........................17
2.1 Elemente, Gemische, Verbindungen ....................................18
2.2 Basen, Säuren und Salze.......................................................19
2.3 Alkane als Basismoleküle.....................................................24
2.4 Benennung von Kohlenwasserstoffen...................................25
2.5 Funktionelle Gruppen schaffen Vielfalt................................29
2.6 Reinheits- und Qualitätsbezeichnungen................................33
3 Werkstoffe, Geräte, Apparturen..................................................35
3.1 Werkstoffe.............................................................................35
3.2 Geräte....................................................................................39
3.3 Verbindungen schaffen.........................................................45
4 Einheiten, Maße und Zahlen........................................................49
4.1 Teile und Vielfache von Einheiten........................................54
4.2 Besondere Schreibweisen.....................................................55
5 Protokollieren und Dokumentieren.............................................59
5.1 Labordokumente...................................................................64
5.2 Grafiken................................................................................64
5.3 Tabellen.................................................................................68
VI Inhalt
Quantifizieren
6 Stoffe wägen...................................................................................71
7 Volumina bemessen.......................................................................75
7.1 Laborgeräte zur Volumenmessung.......................................76
7.2 Gefäßkennzeichnung.............................................................78
7.3 Mit Pipetten kompetent umgehen.........................................81
7.4 Spritzen sind besondere Messgefäße....................................84
7.5 Messkolben...........................................................................86
7.6 Büretten.................................................................................87
7.7 Reinigen von Glasgefäßen....................................................89
8 Temperatur und Temperieren.....................................................91
8.1 Thermometer.........................................................................93
8.2 Erwärmen und Erhitzen........................................................96
9 pH-Wert und Titrieren...............................................................101
9.1 Berechnung des pH-Wertes................................................103
9.2 Puffersysteme......................................................................104
9.3 Bestimmung des pH-Wertes mit Indikatoren......................105
9.4 Potentiometrie: Messung mit der Glaselektrode.................107
9.5 Titrimetrie...........................................................................109
10 Dichte bestimmen........................................................................113
10.1 Dichtebestimmung mit dem Aräometer..............................114
10.2 Polarimetrie.........................................................................115
11 Mit Gasen arbeiten ......................................................................117
11.1 Farbkennzeichnung von Gasflaschen..................................118
11.2 Sicherheitsaspekte beim Umgang mit Gasen......................120
11.3 Mit Gasen rechnen..............................................................124

Lösen, Mischen, Trennen
12 Lösungen, Stoffmengen und Konzentrationen.........................125
12.1 Kolligative Eigenschaften...................................................125
12.2 Solvatation..........................................................................126
12.3 Lösemittelklassen................................................................127
12.4 Mengen- und Konzentrationsangaben................................132
12.5 Das Avogadro’sche Gesetz.................................................140
12.6 Errechnen von Anteilen und Konzentrationen....................141
Inhalt VII
13 Stoffe trennen ...............................................................................147
13.1 Fällung................................................................................149
13.2 Filtration..............................................................................150
13.3 Destillation..........................................................................153
13.4 Schütteltrennung.................................................................155
14 Zentrifugieren..............................................................................157
14.1 Rotoren und Zentrifugen.....................................................158
14.2 Zentrifugationsverfahren.....................................................159
15 Chromatographie und Elektrophorese.....................................163
15.1 DC trennt niedermolekulare Substanzen.............................164
15.2 Ionenaustauschchromatographie.........................................167
15.3 Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC)........168
15.4 Trennung hochmolekularer Verbindungen.........................168

Analysieren
16 Mikroskopieren...........................................................................173
16.1 Funktionsteile eines Mikroskops........................................174
16.2 Arbeitsplatzausstattung.......................................................176
16.3 Vom Präparat zur Beobachtung..........................................177
16.4 Die Köhler‘sche Beleuchtung.............................................180
16.5 Frisch- vs. Dauerpräparat....................................................181
16.6 Spezielle Beleuchtungsverfahren für spezielle Zwecke......185
16.7 Präparatedokumentation.....................................................187
16.8 Instrumentenpflege.............................................................187
17 Photometrieren............................................................................189
17.1 Spektroskopie und Photometrie..........................................190
17.2 Szintillationsspektrometrie.................................................193
18 Tabellen, Farbtafeln, Übersichten.............................................195
Zum Weiterlesen....................................................................................211
Zum Nachschlagen: Register................................................................213
Warum gerade dieses Buch?

Wir leben in einer von Naturwissenschaft und Technik bestimmten Welt.
Gerade in Deutschland, das arm an natürlichem Reichtum wie Boden-
schätzen ist, hängt der Wohlstand von technischen Errungenschaften und
wissenschaftlichen Erkenntnissen ab. Diese gewinnt man hauptsächlich in
Labors. Hier wurden und werden die Ideen zahlreicher Wissenschaftler,
von Chemikern, Physikern, Genetikern, Medizinern, Biologen, Umwelt-
technikern und Ingenieuren umgesetzt, erarbeitet, in ihrer Richtigkeit bes-
tätigt oder verworfen und weiter entwickelt.
In Labors gelangen die wichtigsten mit dem Nobelpreis gewürdigten
Entdeckungen von Otto Hahn bis Peter Grünberg oder von Fritz Haber bis
Gerhard Ertl. Im Labor entdeckten Sir Alexander Fleming das Penicillin,
Feodor Lynen die Einzelschritte der Fettsäuresynthese und Melvin Calvin
die Reaktionen des photosynthetischen C-Einbaus. In Labors wird tagtäg-
lich routinemäßig unsere Gesundheit und Umwelt getestet. Die genaue Be-
schaffenheit unserer Nahrung, unseres Wassers, unserer Luft und unserer
Böden wird im Labor untersucht. Krankheitskeime werden im Labor unter
dem Mikroskop nachgewiesen und mit Hilfe von Labormethoden identifi-
ziert.
Für unsere Schulen und Hochschulen ist es daher von überragender Be-
deutung, Menschen auszubilden, die durch ein erfolgreiches Arbeiten im
Labor unsere Zukunft sichern. Hierzu sind besondere praktische und theo-
retische Grundkompetenzen erforderlich. Experimente im Labor sind Um-
setzungen und Bestätigungen der Vermutungen oder Hypothesen der Wis-
senschaftler am Schreibtisch. Hierzu muss sauber gearbeitet, genau
beobachtet, exakt gemessen und optimal ausgewertet werden. Das alles er-
fordert eine möglichst frühzeitige Einübung an geeigneten Fallbeispielen.
Leider kommt in den Schulen und oft auch in den Hochschulen wegen
der enormen zu bewältigenden Stofffülle, der notorischen Zeitknappheit
und fehlender finanzieller Voraussetzungen das praktische Arbeiten im
Labor sehr oft erheblich zu kurz. Ein einigermaßen abgerundeter Überblick
zumindest über die wichtigeren Standardlabormethoden in Verbindung mit
experimentellen Übungen und Kursen ist demnach nur selten möglich.
Studierende der experimentell orientierten naturwissenschaftlichen Fächer
sehen sich daher in der nicht unbedingt ermunternden Ausgangslage, dass
ihnen wesentliche methodische bzw. labortechnische Basiskompetenzen
2 Warum gerade dieses Buch?
fehlen und die Bewältigung experimenteller Aufgaben somit unnötig er-
schwert ist. Das betrifft beispielsweise die korrekte Handhabung von Pi-
petten und anderen Hilfsmitteln der Volumetrie ebenso wie den sicheren
Umgang mit Gefahrstoffen oder die standardisierte Verwendung von Ma-
ßen und Messeinheiten.
Da das erfolgreiche Arbeiten im Labor eine Menge handwerklich-
technischer Fertigkeiten und Kenntnisse voraussetzt, der Umfang dieser
Einführung aber nicht beliebig aufgebläht werden sollte, mussten wir uns
auf Wesentliches und Exemplarisches beschränken. Dieses Buch führt also
nicht in neueste und bewundernswert ausgefeilte Hightech-Verfahren der
Molekularbiologie oder Gentechnik ein, sondern beschränkt sich betont
auf den für die Laborpraxis essenziellen Grundlagenbereich, der konse-
quenterweise ein solides Fundament für alle weiterführenden und speziali-
sierten Methodenrepertoires bildet.
Zur Vermittlung von Kompetenz versuchen wir in diesem Buch daher,
das Handeln mit dem Verstehen oder, anders ausgedrückt, die Praxis in
geeigneter Weise mit der Theorie zu verknüpfen, um das naturwissen-
schaftliche Arbeiten in seiner Grundstruktur als empirisches Verfahren der
Erkenntnisgewinnung zu verstehen und erfolgreich in Handeln umzuset-
zen. Auf diesem Hintergrund sowie auf der Grundlage früherer Buchpro-
jekte vertreten wir auch hier eine spezifische Kombination von Problem-
based Learning mit Learning by Doing als generelle Leitlinie.
An die Sicherheit im Labor und die Vermeidung von Gefährdungen von
Personen und Umwelt werden heute aus sehr guten Gründen immer stren-
gere Anforderungen gestellt. Dieses hohe Niveau an Verantwortungsden-
ken soll auch für dieses Werk zu Grunde gelegt werden, so dass jeder mit
gutem Gewissen im Labor arbeiten kann. So soll das Arbeiten im Labor
auf jeden Fall erfolgreich, aber auch von Verantwortung gegenüber den
Mitmenschen und der Umwelt geprägt sein und dennoch auch Freude am
wissenschaftlichen Tun mit Entdecken oder Bestätigen bereiten. Natürlich
gibt es in der Laborroutine – fast wie im richtigen Leben – auch immer
einmal etwas ödere Strecken. Dennoch hoffen und wünschen wir, dass der
fun factor beim investigativen Sondieren der Natur ebenso stimmt wie die
grundsätzlich und immer beteiligte Chemie.
Wir danken Frau Helga Theurer für stets zuverlässige Laborassistenz
und Frau Joanna Giannetti für die Hilfe beim Korrekturlesen. Unser Dank
gilt ferner Frau Dr. Annette Ahrens-Moritz (Abt. Betrieblicher Arbeits-
und Umweltschutz der Universität zu Köln) sowie Herrn Dr. Hans-Jürgen
Wagener (InnovaKom GmbH Paderborn) für wertvolle Hinweise zu si-
cherheitsrelevanten Fragen.

Köln, im Herbst 2008 Bruno P. Kremer und Horst Bannwarth
1 Bevor es los geht: Sicherheit und Umsicht

Bereits in der Schule im experimentellen Unterricht, dann vor allem in der
Berufsausbildung beispielsweise von Laborantinnen und Laboranten sowie
im Studium der naturwissenschaftlichen Fächer sind jeweils Arbeiten im
Labor unter Aufsicht einer verantwortlichen Lehrperson vorgesehen.
Ebenso erfordern Seminar- und Examensarbeiten für die verschiedenen
Abschlüsse (Praxisprüfung im Laboranten-, ferner Bachelor-, Master-,
Diplom-Examen sowie Promotion) bereits im Labor eigenständiges und
eigenverantwortliches Handeln sowie ein methodisch qualifiziertes Vorge-
hen in Team- oder Einzelarbeit.
Die Motivation für das Arbeiten im Labor darf nicht nur in der Ableis-
tung eines Pflichtprogramms bestehen. Vielmehr sollen Forscherdrang,
wissenschaftliche Neugier, das Interesse an der Beantwortung von interes-
santen Fragestellungen oder besonderen Problemlösungen oder die Suche
nach empirischen Ergebnissen bzw. neuen Erkenntnissen immer im Vor-
dergrund stehen. Allerdings zeigt die Erfahrung oft genug, dass es allein
mit Begeisterung und Engagement durchaus nicht getan ist.
Eine auf den amerikanischen Ingenenieur Edward A. Murphy jr. zu-
rückgehende Lebensweisheit, die gewiss auch für das Arbeiten im Labor
gilt, ist die einfache Fundamentalaussage: „Alles, was schief gehen kann,
wird auch schief gehen.“ („Whatever can go wrong, will go wrong“). Die-
ser vielfach auch als Murphys Gesetz (Murphy’s Law) zitierte und leider
auch gar zu oft bestätigte Satz zeigt eine tiefe Einsicht in menschliches
Versagen bzw. menschliche Unzulänglichkeit. Er betont zudem die Tatsa-
che, dass der Mensch in schlecht überschaubaren und unzureichend vorge-
planten oder vorplanbaren Situationen eben immer wieder Fehler macht.
Man könnte empirisch-boshaft ergänzen: Es ist nur eine Frage der Zeit, bis
tatsächlich etwas schief geht, was prinzipiell schief gehen kann.
Hieraus ergibt sich nun als wichtigste Zielsetzung für das Arbeiten im
Labor, dass man den Zeitpunkt des Eintretens eines Misserfolges, Scha-
dens oder Unfalls nach Möglichkeit so weit hinauszögert wie nur irgend-
wie möglich – und bestenfalls sogar so lange, dass er praktisch überhaupt
nicht eintritt. So wie auch für die umsichtige Teilnahme am Straßenver-
kehr eine gezielte und vorbereitende Verkehrserziehung nötig und erfolg-
reich ist, so müssen einige Maximen und Erziehungsziele auch für das Ar-
beiten im Labor im Vordergrund stehen. Dazu gehören unabdingbar die
4 1 Bevor es los geht: Sicherheit und Umsicht
Erziehung zu exaktem, sauberem, ordentlichem, gewissenhaftem, geduldi-
gem, rücksichtsvollem und ehrlichem Arbeiten. Mithin müssen auch Unzu-
länglichkeiten und Fehler genannt, eingestanden und zugegeben werden,
auch wenn es den eigenen egoistischen Interessen, dem Ansehen oder dem
Vorwärtskommens widerspricht oder zu widersprechen scheint.
1.1 Verantwortung im Labor
Handlungsorientiertes Verantwortungsdenken ist gerade für das Arbeiten
im Labor in allen Belangen völlig unverzichtbar. Dazu trägt bei, dass man
die folgende Leitaspekte stets vor Augen hat und als Grundkonsens auch
immer befolgt:
• Sicherer und sachgerechter Umgang mit Chemikalien und Geräten.
• Planen, Vorbereiten und Umsetzen von Schutzmaßnahmen zur Vermei-
dung von Unfällen, um sich selbst und andere vor Gefahren und Schä-
den zu bewahren.
• Verantwortlich, rücksichtsvoll, vorausschauend und überlegt gegenüber
Mensch und Umwelt handeln.
• Erkennen von Gefahren im Labor beim Umgang mit Chemikalien und
Geräten.
• Insbesondere Gefahrenhinweise ernst nehmen und berücksichtigen. Je-
der muss andererseits bereit sein, selbst Verantwortung zu übernehmen
und nur das zu tun, was er verstanden hat und billigen kann.
• Sich und anderen durch korrektes Protokollieren jeweils Rechenschaft
über den richtigen Umgang, das eigene Verhalten, das Befolgen von
Vorschriften und Regeln und das geforderte methodische Vorgehen ge-
ben können.
• Neuerungen, Weiterentwicklungen, Fortbildungen aufmerksam verfol-
gen und berücksichtigen.
• Ethische Richtlinien für das wissenschaftliche Arbeiten einhalten und
insbesondere auf den Schutz der Umwelt achten, zum Beispiel nur sol-
che Materialien in das Abwasser geben, von denen keine Gefährdungen
oder Belastungen ausgehen. Bei der Versuchsplanung immer bedenken
und fragen, ob es umweltfreundlichere und weniger gefährliche Alter-
nativen gibt.
Bereits der Ungeschulte kann sich durch Haltung und Einstellungen so-
wie durch das Berücksichtigen solcher Grundsätze gute Voraussetzungen
für ein erfolgreiches und unfallfreies Arbeiten schaffen. Dabei gilt es zu
beachten, dass sorgfältiges, gewissenhaftes und wohlüberlegtes Handeln