Table Of ContentBruno P. Kremer
Horst Bannwarth
Einführung
in die Laborpraxis
Basiskompetenzen für Laborneulinge
3. Auflage
Einführung in die Laborpraxis
⋅
Bruno P. Kremer Horst Bannwarth
Einführung in die
Laborpraxis
Basiskompetenzen für Laborneulinge
3., aktualisierte und erweiterte Auflage
Dr.BrunoP.Kremer Prof.Dr.HorstBannwarth
InstitutfürBiologieundihreDidaktik InstitutfürBiologieundihreDidaktik
UniversitätzuKöln UniversitätzuKöln
Köln,Deutschland Köln,Deutschland
ISBN978-3-642-54333-3 ISBN978-3-642-54334-0(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-54334-0
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Warum gerade dieses Buch?
Die 2009 bzw. 2011 erschienenen Auflagen dieses Buches haben zu unserer Freude so-
wohldieFachkritikwieauchdieBuchinteressentenaußerordentlichpositivaufgenommen.
UnsereMotivationwares,miteinemsolchenBuchdiefachlicheKompetenzbeipraktisch-
experimentellen Laborarbeiten mitden notwendigentheoretischenGrundlagenundvor
allem mit handlungsorientiertem Verantwortungsdenken zu verknüpfen. Diese Leitidee
bestimmtauchdievorliegendeaktualisierteunderweitertedritteAuflage.
Wir leben in einer von Naturwissenschaft und Technik bestimmten Welt. Unser
Wohlstand hängt wesentlich von technischen Errungenschaften und wissenschaftlichen
Erkenntnissen ab, und diese gewinnt man hauptsächlich in Labors. Hier wurden und
werdendieIdeenzahlreicherWissenschaftlerausChemie,Physik,Biologie,Genetik,Me-
dizin, Pharmazieundverschiedenen Ingenieurdisziplinen umgesetzt, erarbeitet, in ihrer
Richtigkeitbestätigtoderverworfenundweiterentwickelt.
NurinLaborsgelangenvielegrundlegendeundmitdemNobelpreisgewürdigte Ent-
deckungen vonOtto Hahn(1879–1968, Nobelpreis1944)bis Peter Grünberg(geb.1939,
Nobelpreis2007)odervonFritzHaber(1868–1934,Nobelpreis1919)bisGerhardErtl(geb.
1936,Nobelpreis2007).ImLaborentdeckten SirAlexanderFleming(1881–1955,Nobel-
preis1945)dasPenicillin,FeodorLynen(1911–1979,Nobelpreis1964)dieEinzelschritte
derFettsäuresyntheseundMelvinCalvin(1911–1997,Nobelpreis1961)dieReaktionendes
photosynthetischenC-Einbaus.InLaborswirdtagtäglichroutinemäßigunsereGesundheit
undUmweltgetestet. DiegenaueBeschaffenheitunsererNahrung,desTrinkwassers,der
LuftundderBödenwirdimLaboruntersucht. KrankheitskeimewerdenimLaborunter
demMikroskopnachgewiesenundmithilfevonausgereiftenLabormethodenidentifiziert.
FürSchulen undHochschulenistessomitvonüberragenderBedeutung, junge Men-
schen so und so gründlich auszubilden, dass sie durch erfolgreiches Arbeiten im Labor
unsere Zukunft sichern. Hierzu sind besondere praktische und theoretische Basiskom-
petenzenerforderlich.Experimente imLaborsetzenVermutungen oderHypothesender
Wissenschaftlerum.SiegelingennurmitsaubererArbeit,genauerBeobachtung,exaktester
MessungundoptimalerAuswertung.
Leider kommt in den Schulen und oft auch noch in den Hochschulen wegen enor-
merStofffülle,notorischerZeitknappheitundfehlenderfinanziellerVoraussetzungendas
praktischeArbeitenimLaborsehrofterheblichzukurz–zumalindenauffastschoninto-
V
VI WarumgeradediesesBuch?
lerableZeitökonomieangelegtenBachelor-Studiengängen.EinabgerundeterÜberblickzu-
mindestüberdiewichtigerenStandardlabormethodeninVerbindungmitexperimentellen
Übungenistdemnachnurseltenmöglich.Studierendederexperimentellorientiertenna-
turwissenschaftlichenFächersehensichdaherindernichtunbedingtermunterndenAus-
gangslage, dass ihnen wesentliche methodische bzw. labortechnische Basiskompetenzen
fehlen.DaserschwertdieBewältigungexperimentellerAufgabenunnötigundnachhaltig.
EsbetrifftbeispielsweisediekorrekteHandhabungvonPipetten undandererHilfsmittel
derVolumetrieebensowiedensicherenUmgangmitGefahrstoffenoderdiestandardisier-
teVerwendungvonMaßenundMesseinheiten.
DadaserfolgreicheArbeitenimLaborsomiteineMengehandwerklich-technischerFer-
tigkeiten undKenntnissevoraussetzt,derUmfangeinesdazueinführendenWerkesaber
nichtbeliebigaufgeblähtwerdenkann,habenwirhiernurGrundlegendesundWesentli-
chesberücksichtigt. DiesesBuchführtalsonichtinneuesteundbewundernswertausge-
feilteHightech-VerfahrenderGentechnikoderMolekularbiologieein,sondernbeschränkt
sichaufdenfürdiezunächstzuerlernendeLaborpraxisessenziellenGrundlagenbereich,
derkonsequenterweiseeinsolidesFundamentfüralleweiterführendenundspezialisierten
Methodenrepertoiresbildet.
ZurVermittlungsolcherKompetenzversuchenwirdaher,indiesemBuchdasHandeln
mit dem Verstehen oder – anders ausgedrückt – die Praxis in geeigneter Weise mit der
Theoriezuverknüpfen.Nur soistnaturwissenschaftlichesArbeiten alsempirischesVer-
fahren der Erkenntnisgewinnung möglich und erfolgreich in Handeln umzusetzen. Auf
diesemHintergrundvertretenwirhierebensowieinunserenfrüherenBuchprojektenals
generelleLeitliniediespezifischeKombinationvonProblem-basedLearning mitLearning
byDoing.
AndieSicherheitimLaborunddieVermeidungvonGefährdungenvonPersonenund
Umwelt werden heute aussehrguten Gründenimmer strengereAnforderungengestellt.
Dieser kompromissloseAnspruchandasVerantwortungsdenken durchziehtauch dieses
Buch.SosolldasArbeitenimLaboraufjedenFallerfolgreich,aberebenauchvonVerant-
wortunggegenüberdenMitmenschen undderUmweltgetragenseinunddennochauch
FreudeamwissenschaftlichenTunmitEntdeckenoderBestätigenbereiten.Natürlichgibt
es in der Laborroutine– fastwie im richtigen Leben – auch immer einmal etwas ödere
Strecken.Dennochhoffenundwünschenwir,dassderFunFactorbeiminvestigativenSon-
dierenderNaturebensostimmtwiediegrundsätzlichundimmerbeteiligteChemie.
DasBuch kannundwill nicht die Fachkompetenz undPräsenzdes verantwortlichen
BetreuersderLaborneulingeersetzen,aberdochangesichtsderenormenundimmernoch
steigendenBelastungdurchForschungundLehresowiedurchakademischeSelbstverwal-
tungunddadurchbedingteZeitknappheiteinewertvolleHilfeundUnterstützungseinbei
derVermittlungundEntwicklungvonpraktischerundtheoretischerFachkompetenzund
EigenverantwortlichkeitdesAnfängers.
Wir danken an dieser Stelle ausdrücklich Frau Andrea Germund/Köln, Frau Dr. Pe-
traJopke/Hamburg,HerrnProf.Dr.KarstenNiefind/KölnsowieHerrnProf.Dr.Heinrich
Wiesinger/IsnyfürhochwillkommeneHinweiseaufUnstimmigkeitenundVerbesserungs-
WarumgeradediesesBuch? VII
vorschläge.AußerdemdankenwirHerrnDr.Hans-JoachimGrumbach/Düsseldorffürdie
aktuellenHinweiseaufInformationenzuTätigkeitenmitGefahrstoffen,aufdiegeltenden
Laborrichtlinien,auf Verlinkungen zumvereinfachten KennzeichnungssystemfürLabo-
ratorienundzurSicherheitimchemischenHochschulpraktikum.
Köln,am6.Januar20141 BrunoP.KremerundHorstBannwarth
1AmDreikönigstag1389–undsomitvorexakt625Jahren–nahmdiegeradeneugegründeteKölner
UniversitätihrenLehrbetriebauf.
Inhaltsverzeichnis
ZudenAutoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII
TeilI Basiskompetenzen
1 Bevoreslosgeht:SicherheitundUmsicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 VerantwortungimLabor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 GrundsätzefürdieLaborsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 DerArbeitsplatzimLabor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 BesondereSicherheitshinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 GefahrstoffeundGefahrgut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 DieH-,P-,R-undS-Sätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 UmweltaspekteundEntsorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.8 RelevanteGesetzeundVerordnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 Chemikalien:Stoffe,Elemente,Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 Elemente,Gemische,Verbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 Basen,SäurenundSalze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 AlkanealsBasismoleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 BenennungvonKohlenwasserstoffenundihrenDerivaten . . . . . . . . . . 26
2.5 FunktionelleGruppenschaffenVielfalt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 Reinheits-undQualitätsbezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3 Werkstoffe,Geräte,Apparaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1 Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 Verbindungenschaffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4 Einheiten,MaßeundZahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1 TeileundVielfachevonEinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2 EinheitenundZahlenerfordernbesondereSchreibweisen . . . . . . . . . . 55
IX
X Inhaltsverzeichnis
5 ProtokollierenundDokumentieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1 Labordokumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2 Grafiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3 Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.4 FormelnundVersuchsgerätezeichnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
TeilII Quantifizieren
6 Stoffewägen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7 Voluminabemessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7.1 LaborgerätezurVolumenmessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.2 Gefäßkennzeichnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.3 MitPipettenkompetentumgehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.4 AuchSpritzensindbesondereMessgefäße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.5 Messkolben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7.6 Büretten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.7 ReinigenvonGlasgefäßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8 TemperaturundTemperieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.1 Thermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
8.2 ErwärmenundErhitzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.3 Kühlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
9 pH-WertundTitrimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
9.1 BerechnungdespH-Wertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
9.2 Puffer-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
9.3 BestimmungdespH-WertesmitIndikatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
9.4 Potenziometrie:MessungdespH-WertesmitderGlaselektrode . . . . . . . 111
9.5 Titrimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
10 DichteundKonzentrationbestimmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
10.1 DichtebestimmungmitdemAräometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
10.2 Polarimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
11 MitGasenarbeiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
11.1 FarbkennzeichnungvonGasflaschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
11.2 SicherheitsaspektebeimUmgangmitGasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
11.3 MitGasenrechnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
11.4 ArbeitenunterreduziertemDruck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Inhaltsverzeichnis XI
TeilIII Lösen,Mischen,Trennen
12 Lösungen,StoffmengenundKonzentrationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
12.1 KolligativeEigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
12.2 Solvatation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
12.3 Lösemittelklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
12.4 Mengen-undKonzentrationsangaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
12.5 DasAvogadro’scheGesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
12.6 ErrechnenvonAnteilenundKonzentrationen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
13 Stoffetrennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
13.1 Fällung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
13.2 Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
13.3 Destillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
13.4 Schütteltrennung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
14 Zentrifugieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
14.1 RotorenundZentrifugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
14.2 Zentrifugationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
15 ChromatographieundElektrophorese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
15.1 DünnschichtchromatographietrenntniedermolekulareSubstanzen . . . . 173
15.2 Papierchromatographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
15.3 GrundzügederSäulenchromatographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
15.4 Ionenaustauschchromatographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
15.5 Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie(HPLC) . . . . . . . . . . . . . . 179
15.6 Elektrophoresenieder-undhochmolekularerVerbindungen . . . . . . . . . 181
TeilIV WeitereBasistechniken
16 Mikroskopieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
16.1 FunktionsteileeinesMikroskops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
16.2 Arbeitsplatzausstattung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
16.3 VomPräparatzurBeobachtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
16.4 Köhler’scheBeleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
16.5 Frisch-vs.Dauerpräparat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
16.6 SpezielleBeleuchtungsverfahrenfürspezielleZwecke . . . . . . . . . . . . . . 200
16.7 Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
16.8 Instrumentenpflege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
17 Photo-undSpektrometrieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
17.1 SpektroskopieundPhotometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
17.2 Szintillations-Spektrometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
