Exkurs: Die Hydrogelbildung – Beispiel Gelierung von Alginat (Eierschachtelmechanismus)

Aerogele lassen sich zum Beispiel aus Natriumalginat herstellen, einem pflanzlichen Geliermittel aus Braunalgen. Man benötigt dafür Natriumalginat und Calciumchlorid. Daraus kann man mit einfachen Haushaltsgeräten ein Hydrogel herstellen. Für eine eigene Versuchsdurchführung siehe Versuchsanleitung. Die Gelierung des Alginats ist auch hier im Video zu sehen: https://kniffelix.rz.tu-harburg.de/begib-dich-auf-spurensuche/projektuebersicht/aerogel-mission/2e/

Zunächst werden das Alginat und das Calciumchlorid in getrennten Gefäßen in Wasser aufgelöst. Anschließend wir die Alginat-Lösung mit einer Spritze oder Pipette in die Calciumchlorid-Lösung getropft. Dabei bilden sich feste Gel-Perlen. 

Beim Tropfen von Alginat-Lösung in Calciumchlorid-Lösung bilden sich feste Gel-Perlen.

Was dabei passiert, wird mit dem Begriff „Eierschachtelmechanismus“ bezeichnet.

Was ist der “Eierschachtelmechanismus”?

Vom „Eierschachtelmechanismus“ spricht man, wenn Alginatketten auf Calciumionen treffen. Die Alginatketten ordnen sich dabei so an, dass sie das Calcium einschließen wie ein Ei in einem Eierkarton – daher der Name “Eierschachtelmechnismus”. 

Dieses Umschließen geschieht, da sich chemische Gruppen mit unterschiedlichen Ladungen gegenseitig anziehen und verknüpfen. Aus dem Alltag kennt ihr das wahrscheinlich von Magneten, wo sich die unterschiedlichen Pole Nordpol und Südpol anziehen. Genauso geht es den Calciumionen mit den Alginatketten, genauer gesagt mit den Sauerstoffatomen in den Alginatketten: Manche Sauerstoffatome tragen nämlich eine negative elektrische Ladung, während die Calciumionen positiv geladen sind. Deswegene ziehen sie sich an und verbinden sich. 

Wenn man das in chemischer Formelsprache aufschreibt, sieht es so aus:

Ca2+         =       zweifach positiv geladene Calciumionen

COO–          =       negativ geladene sauerstoffhaltige Gruppen and Alginatketten 

Jedes Calciumion kann zwei Alginatketten miteinander verknüpfen, da es sich mit zwei einfach negativ geladenen COO-Gruppen verbindet. 

In dem Schema seht ihr, wie es in chemischer Formelsprache aussieht, wenn sich Alginatketten und Calciumionen verknüpfen.

Der sogenannte “Eierschachtelmechanismus”: Alginatketten umhüllen Calcium-Ionen wie Eier von einem Eierkarton umhüllt werden.

Bei der Gelbildung muss man sich vorstellen, dass diese Reaktion in jeder Alginatkette sehr häufig vorkommt. So entsteht ein verknüpftes Alginatkettennetzwerk mit Poren, das “Alginathydrogel”.

Mit Alginat kann man auch ein künstliches Ei herstellen. Schau dir dieses Spaß-Video an: