Natur- und Kunststoffe: Gemeinsamkeiten und Unterschiede
Was haben Naturstoffe und Kunststoffe gemeinsam? Wo sind Unterschiede? Darüber, den Aufbau und die Eigenschaften dieser komplexen organischen Verbindungen gibt dieses Teilgebiet Auskunft.
Ein Beispiel für Naturstoffe sind die Kohlenhydrate. Getreide wächst auf Feldern in einer natürlichen Umgebung und hat einen hohen Anteil an Kohlenhydraten. Wird das Getreide nicht geerntet, verrottet die Getreidepflanze mit den enthaltenen Kohlenhydraten irgendwann. Kunststoffe sind ebenfalls organische Verbindungen und verrotten nicht einfach von alleine bzw. brauchen unzählige Jahre dafür. Wie kann das sein?
Naturstoffe und Kunststoffe setzen sich aus Kohlenwasserstoffen zusammen, die du in dem vorherigen Kapitel zur organischen Chemie bereits kennengelernt hast. Durch unterschiedliche Verfahren der organischen Chemie bilden sich Kohlenwasserstoffketten. Dabei handelt es sich entweder um natürlich oder um technische Verfahren. Je nachdem wie diese Kohlenwasserstoffketten aussehen, welche Atome oder funktionellen Gruppen zusätzlich daran gebunden sind, entstehen die unterschiedlichen Stoffe mit ihren verschiedenen Eigenschaften.
An dieser Stelle werden wir einen Überblick über Naturstoffe wie Kohlenhydrate, Proteine, Fette und Öle geben. Außerdem werden in diesem Teilgebiet zukünftig Tenside, Seifen und Waschmittel, Kunststoffe sowie Farbstoffe besprochen.
Kohlenhydrate sind doch eh alle nur Zucker
Hast du schon einmal den Tipp bekommen, dass du besser Honig als Zucker essen sollst, weil Honig gesünder ist? Wenn du in den Supermarkt gehst, wirst du überschwemmt von einer Auswahl an unterschiedlichen Süßungsmitteln. Alle schmecken süß, aber sie sehen eventuell unterschiedlich aus und sollen auch noch unterschiedliche Wirkungen auf unseren Körper haben. Diejenigen Süßungsmittel, die nicht damit werben können, dass sie wenig Kalorien hätten, zählen zu den Kohlenhydraten.
Der Grundbaustein der Kohlenhydrate ist der Einfachzucker (Monosaccharide). Einfachzucker sind z. B. Glucose und Fructose, die du bestimmt schon kennst. Unser Haushaltszucker besteht nämlich aus einer Verbindung von Glucose und Fructose. Honig besteht ebenfalls zum Großteil aus Glucose und Fructose sowie zu einem ganz kleinen Anteil an Mineralien, Vitaminen und anderen Stoffen. Unterm Strich macht es also keinen großen Unterschied, ob du Zucker oder Honig zu dir nimmst. In beiden Fällen werden in deinem Körper die gleichen Einfachzucker verarbeitet.
Solltest du vor einem Marathon lieber den Traubenzucker oder die Scheibe Vollkornbrot essen? Traubenzucker ist Glucose, also ein Einfachzucker und kann schnell von deinem Körper aufgenommen und in Energie umgesetzt werden. Bei dem Vollkornbrot ist es anders. Das Vollkornbrot besteht aus Mehl, welches aus langen Ketten des Einfachzuckers besteht. Diese Ketten nennen wir Polysaccharide, weil sie viele Grundbausteine miteinander verknüpfen. Dein Körper muss erst diese Ketten trennen, damit es die einzelnen Teilchen des Einfachzuckers verarbeiten kann. Es dauert also länger, bis der Einfachzucker aus dem Mehl in deinem Körper in Energie umgewandelt werden kann. Jetzt ist es deine Entscheidung: Brauchst du für dienen Marathon langfristig Energie oder möchtest du noch einen Sprint einlegen und brauchst die Energie sofort?
In dem Kapitel zu den Kohlenhydraten erfährst du noch vieles mehr zu den einzelnen Bausteinen, die entweder einzeln (Monosaccharide) oder in langen Ketten (Polysaccharide) vorkommen können, welche Prozesse bei der Verdauung ablaufen, wie die Moleküle aussehen und vieles mehr.
Proteine sind Eiweiß, aber nicht nur im Weißen vom Ei enthalten
Proteine sind ein großes Thema in der Lebensmittel- und Sportindustrie. Was sind die richtigen Proteinquellen?
Zunächst nennen wir Proteine auch Eiweiße. Das bedeutet aber nicht, dass Proteine nur im Eiweiß von Eiern enthalten sind. Proteine sind auch in Fisch, Fleisch und Milchprodukten vorhanden. Sie sind aber nicht nur in tierischen Produkten, sondern zu hohen Anteilen auch in Hülsenfrüchten und Nüssen. Auch manches Gemüse dient als gute Proteinquelle. Eine eiweißhaltige Ernährung ist nicht nur für den Muskelaufbau von Vorteil. Proteine haben in deinem Körper viele wichtige Funktionen. Sie schützen uns z. B. gegen Gifte, treiben unseren Stoffumsatz und stärken Haut und Knochen.
Ähnlich wie bei den Kohlenhydraten bestehen die Proteine aus langen Ketten der Aminosäuren. Bei uns Menschen gibt es 21 unterschiedliche Aminosäuren, aus denen unzählig viele verschiedene Proteine zusammengestellt werden. Überlegst du Aminosäuren als Nahrungsergänzungsmittel zu nehmen, wird es allerdings schwierig die richtigen Aminosäuren auszuwählen. Es reicht einfach aus, sich gesund und ausgewogen zu ernähren, um die Proteine aus den unterschiedlichen Nahrungsmitteln aufzunehmen.
Proteine können noch vieles mehr. In dem Kapitel zu den Proteinen erfährst du nicht nur mehr zu dem Aufbau der Moleküle von Proteinen und Aminosäuren sowie über deren Verdauung, du erfährst auch, was sie mit Enzymen und der DNA zu tun haben.
Fette und Öle gehören zur gleichen Familie wie dein Wachsmalstift
Es gibt so viele Fette und Öle, die du im Supermarkt kaufen kannst: Butter, Margarine, Sonnenblumenöl, Olivenöl, Kokosfett, Butterschmalz, Ghee und viele mehr. Sie haben zum Teil unterschiedliche Eigenschaften, sind bei Raumtemperatur flüssig oder fest und bestehen entweder aus tierischen oder pflanzlichen Fetten. Was sie alle gemeinsam haben, ist, dass sie sich nicht in Wasser lösen. Stell dir vor, du möchtest ein Dressing mit Wasser und Öl machen. Du gibst beide Stoffe in ein Glas und rührst das Gemisch um. Das Öl setzt sich nach einer Weile oberhalb des Wassers ab. Warum sich Fette und Öle nicht mit Wasser lösen, liegt an der Struktur ihrer Moleküle und die daraus resultierenden Wechselwirkungen der Moleküle untereinander. Mithilfe der Molekülstruktur können wir dir noch viele Eigenschaften mehr erklären.
Lennert B, Public domain, via Wikimedia Commons
Wurde dir schon mal geraten, lieber pflanzliche Fette, anstatt tierische zu essen? Pflanzliche Fette bestehen nämlich zu einem größeren Anteil aus ungesättigten Fettsäuren als tierische Fette mit mehr gesättigten Fettsäuren. Nicht zu vernachlässigen sind Omega-3-Fettsäuren, die du in Fisch findest. Wie sollst du bei den ganzen Fachbegriffen noch durchsteigen und was sind eigentlich die Unterschiede und Gemeinsamkeiten dieser unterschiedlichen Fettsäuren? Was haben die Fettsäuren überhaupt mit den Fetten zu tun? Das erklären wir dir alles in dem Kapitel zu Fetten und Ölen. Interessant ist schon mal, dass sich die Moleküle der gesättigten und ungesättigten Fettsäuren viele Gemeinsamkeiten haben und dennoch so unterschiedlich sind. Ungesättigte Fettsäuren haben im Gegensatz zu den gesättigten Fettsäuren Doppelbindungen.
Übrigens werden alle Fette und Öle zu den sogenannten Lipiden gezählt. Kerzenwachs, Bienenwachs und Wachsmalstifte gehören auch zu dieser Familie. Woran das liegt, wie Fette und Öle gewonnen, verdaut und nachgewiesen werden sowie vieles mehr erfährst du in dem Kapitel zu den Fetten und Ölen.
Tenside, Seife und Waschmittel brauchst du, wenn beim Fleck kein reines Wasser hilft
Die Herstellung der Seife gab es schon zu Zeiten der Ägypter. Die Römer haben später dann die reinigende Wirkung der Seife erkannt. Wusstest du, dass Seife aus Fetten hergestellt wird? Diese Vorstellung ist komisch, wenn du bedenkst, dass die Seife teilweise dafür genutzt wird, um Fettflecken zu entfernen. Auf der anderen Seite ist die Seifenherstellung aus Fetten wiederum sinnvoll, wenn du schon einmal den Haushaltstipp, dass Gleiches sich in Gleichem löst, gehört hast. Allein mit Wasser kannst du den Fettfleck nicht lösen. Dies liegt an den unterschiedlichen Eigenschaften des Wassers und der Fette sowie den Wechselwirkungen zwischen ihren Molekülen. Die Moleküle des Wassers sind polar und die Moleküle der Fette sind unpolar. Die polaren und unpolaren Moleküle können nicht in Wechselwirkung treten und sich deshalb nicht lösen. Einen Fettfleck wirst du mit reinem Wasser also nicht wegbekommen. Was du brauchst, ist ein Stoff, der aus Molekülen besteht, die sowohl polar als auch unpolar sind. Nur dann können die Moleküle dieses Stoffs sowohl mit den Molekülen des Wassers, als auch mit den Molekülen des Fettflecks in Wechselwirkung treten. Seife besteht aus genau solchen Molekülen. Du kannst die Seife in Wasser geben und darin lösen. Wenn du ein wenig Öl dazu gibst, löst sich dieses ebenfalls. Wie genau die Moleküle der Seife aussehen und wie die Seife den Fettfleck löst, erklären wir dir in dem Kapitel zu den Tensiden, Seife und Waschmittel.
Tenside sind der übergeordnete Begriff, zu dem die unterschiedlichen Seifen und Waschmittel gefasst werden. Auf unseren Seiten wirst du nicht nur erfahren, wie du Seife selber herstellen kannst, sondern noch vieles mehr: die Entwicklung der Tenside, Waschmittelzusätze und Funktionen von Waschmitteln.
Kunststoffe sind künstlich hergestellte komplexe organische Verbindungen
Kunststoffe werden künstlich hergestellt und sind schädlich für die Umwelt. Dennoch haben sie viel mit den Naturstoffen gemeinsam. Wie kann das nur sein?
Zunächst werden Kunststoffe hauptsächlich aus Erdöl hergestellt. Vor Millionen von Jahren sanken tote Meereslebewesen zum Meeresboden, darüber lagerten sich mehrere Schlammschichten und die toten Meereslebewesen wurden nach und nach zersetzt. Produkt dieses Zersetzungsprozesses ist das Erdöl. Erdöl ist ein Stoff, den wir der organischen Chemie zuordnen, weil es aus Kohlenwasserstoffen besteht, wie auch schon die vorherigen Stoffe in diesem Artikel. Durch unterschiedliche Reaktionen bestimmter Kohlenwasserstoffe können mithilfe technischer Verfahren unterschiedliche Kunststoffe hergestellt werden. Wir nennen die Kunststoffe auch Polymere. Das bedeutet, dass die Kunststoffe aus langen Kohlenwasserstoffketten bestehen. Je nachdem ob diese Kohlenwasserstoffketten untereinander mehr oder weniger verzweigt sind, haben die Kunststoffe unterschiedliche Eigenschaften. Denk mal an die Kunststoffe in deiner Umgebung. Deine PET-Flasche lässt sich leicht verformen und wenn du solch eine Flasche schon mal aus Versehen auf den noch warmen Herd gestellt hast, ist dir aufgefallen, dass der Kunststoff geschmolzen ist. Solche Kunststoffe nennen wir Thermoplaste. Ein anderer Kunststoff wird bei den Steckdosen verwendet. Dieser Kunststoff ist hart. Er kann brechen, wenn du mit dem Hammer raufhaust, und wenn ein Kurzschluss passiert, kann es sein, dass die Steckdose schwarz wird. Der Kunststoff wird sich aber nicht verformt haben. Diese Kunststoffe nennen wir Duroplaste. Was du noch kennst, sind die Elastomere, die bei Gummibändern verwendet werden. Du kannst sie auseinanderziehen und sie gehen immer wieder in ihre ursprüngliche Form zurück.
So praktisch die Kunststoffe auch für unseren Alltags sind, genauso schädigend sind sie auch für unsere Umwelt. Stetig werden Alternativen zum klassischen Kunststoff entwickelt und angeboten. Auch wenn Kunststoffe teilweise schon recycelt werden können, arbeiten Forscherinnen und Forscher daran, biologisch abbaubare Kunststoffe zu entwickeln. Zudem gibt es auch schon einige Biokunststoffe, die nicht aus Erdöl hergestellt werden. Das heißt, dass du diese Kunststoffe auf den Kompost tun kannst und sie sich in absehbarer Zeit zersetzen. Zum Vergleich braucht eine weggeworfene Plastiktüte mehrere tausende von Jahren bis sie abgebaut ist.
Mehr zu den unterschiedlichen Kunststoffen, ihrer Herstellung der Umweltproblematik und dem Recycling erfährst du im Kapitel zu den Kunststoffen.
Farbstoffe sind durch das reflektierte Licht sichtbar
Was für eine schöne bunte Blumenwiese! Wir können uns eine schwarz-weiße Welt gar nicht vorstellen. Voller verschiedener Farben ist unsere Welt nicht nur schöner, die Farben haben auch unterschiedliche Funktionen. Sie zeigen uns beim Obst und Gemüse, wann es reif zum Essen ist. In der Tierwelt tarnen sich manche Lebewesen durch bestimmte Farben oder signalisieren, dass sie giftig sind. Die Funktionen, die die Farben mit sich tragen und welche Gefühle sie in uns auslösen, macht sich auch die Industrie zum Nutzen. Es wäre auch komisch, wenn der Erdbeerjoghurt weiß oder leicht bräunlich wäre anstatt schön rosa, und bunte Süßigkeiten würde es auch nicht geben. Außerdem wäre es doch langweilig, wenn unsere Kleidung immer in der gleichen Farbe wäre.
Farben können sich auch ändern. Das Chamäleon kann die Farbe der Haut an die Umgebung anpassen. Blumen, wie die Hortensien, sind entweder rosa oder blau je nachdem, welchen pH-Wert der Boden hat. Die Blätter im Wald sind im Sommer saftig grün und werden im Herbst gelb, braun oder rot.
Damit wir die unterschiedlichen Farben überhaupt sehen können, brauchen wir Licht und unsere Augen. Damit Farbstoffe farbig erscheinen, finden auf der Ebene der Moleküle physikalische Prozesse statt, bei denen die Elektronen der Moleküle durch die Energie der Lichtwellen angeregt werden. In dem Kapitel zu den Farbstoffen lernst du mehr über diese Prozesse. Zudem erfährst du, dass es unterschiedliche Farbstoffe gibt, die sowohl natürlich vorkommen können als auch synthetisch hergestellt werden können. Wir strukturieren auch die Farbstoffe und grenzen diese von den Pigmenten, die du z. B. in Tusche findest, ab. Farbstoffe sind nämlich in Wasser oder anderen Lösungsmitteln löslich, während Pigmente unlöslich sind. Deswegen trübt sich dein Tuschwasser und bleibt nicht klar, auch wenn sich das Wasser färbt, wie wenn du Tinte in Wasser gibst. Du erfährst außerdem mehr über verschiedene Färbeverfahren.