Chemische Präparation

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Bei der chemischen Präparation kommen Säuren und Laugen (Basen) zur Anwendung. Während Säuren das aufzulösende Gestein vollständig in gasförmige und zumeist wasserlösliche Bestandteile zerlegen, bringen Laugen Ionen in das behandelte Gestein ein und brechen damit dessen Kristallstruktur auf - es wird weich und zerfällt schließlich. Bei der Auswahl der Säure oder Lauge ist natürlich darauf zu achten, dass das Fossil aus einem Material besteht, das nicht angegriffen wird. Beim Arbeiten mit Säuren und Laugen gilt der alte Chemikerspruch : "Gib niemals Wasser in die Säure, sonst geschieht das Ungeheure!" Bei Zugabe von Wasser lösen Säuren bzw. Laugen im Wasser eine chemische Reaktion aus (Protolyse), die ohne weiteres so viel Wärme freisetzen kann, dass das Wasser zum Überkochen kommt und Säurespritzer herumfliegen. Und je größer die Menge der Chemikalie im Verhältnis zur Wassermenge, desto heftiger fällt die Reaktion aus. Daher muss man bei der Verdünnung stets die Chemikalie langsam in kleinen Mengen in das Wasser geben, die Reaktionswärme kann dann besser abgeführt werden.

Generell gilt, dass das Gestein um das Fossil herum mit mechanischen Methoden bereits so weit wie möglich abgetragen werden sollte, um dem Fossil einen unnötig langen Aufenthalt im Chemikalienbad zu ersparen.

Säuren und Laugen können bei unsachgemäßer Handhabung zu schweren Verletzungen führen! Daher:

Immer eine Schutzbrille und Handschuhe tragen!

Schützende Kleidung tragen! Chemikalienspritzer auf der Haut sind mindestens unangenehm, können aber auch schwer heilende Verätzungen verursachen. Am besten sollte man beim Umgang mit Chemikalien einen Labormantel mit langen Ärmeln tragen. Säuren und Laugen führen auf Kleidungsstücken oft zu Löchern und Farbveränderungen.

Nur geeignete Werkzeuge und Behälter benutzen! Behälter für Säuren und Laugen müssen korrosionsbeständig und hitzefest sein. Ideal für Säuren sind Glasflaschen bzw. -schüsseln, für Laugen können Kunstoffbehälter (nur Polyethylen) - sofern sie hitzebeständig sind - verwendet werden. Zum Herausnehmen des Gesteinsbrockens aus dem Chemikalienbad eignet sich eine hölzerne Zange, wie sie auch in der Chemie verwendet wird. Werkzeuge und Behälter aus Edelstahl werden rasch angegriffen und verrosten.

Nur in gut belüfteten Räumen oder im Freien arbeiten! Die Chemikalien an sich, aber auch der Ätzvorgang setzen gesundheitsschädliche Aerosole und Gase frei, die Haut und Schleimhäute angreifen können. Bei Salzsäure ist dies vor allem das Aerosol und untergeordnet Chlorgas, das permanent vor allem aus höher konzentrierten Lösungen, auch aus dicht verschlossenen Behältern, entweicht (und dann Gegenstände in der Umgebung zur Korrosion bringt) sowie das Kohlendioxid als Produkt des Ätzvorgangs, das sich am Boden kleiner, unbelüfteter Räume sammelt und dann z. B. Haustieren gefährlich werden kann. Ameisensäure setzt Kohlenmonoxid (CO) frei, das selbst in geringen Mengen toxisch wirkt. Bei der Kalilauge sind es vor allem die Stäube, die beim Umgang mit den trockenen Plättchen freiwerden, die beim Einatmen zu inneren Verätzungen an den Schleimhäuten führen können.

Verantwortungsvoller Umgang mit Chemikalien: Chemikalien jeder Art sollten nur in gut belüfteten, trockenen Räumen in geeigneten Behältern gelagert werden. Es wird nur so viel gelagert, wie in angemessener Zeit verbraucht werden kann - alternde Chemikalien verlieren ihre Wirksamkeit und können sich zu gefährlichen neuen Stoffen umbilden. Der Aufbewahrungsort kann von Kindern, Haustieren etc. nicht erreicht werden. Der Arbeitsplatz ist sauber und aufgeräumt und wird nach jedem Ätzvorgang gründlich gereinigt, um Chemikalienreste zu entfernen. Während des Ätzvorgangs sollten die Behälter so aufgestellt werden, dass sie vor unbefugtem Zugriff sicher sind. Und natürlich gilt: Nach jedem Kontakt mit Chemikalien Hände waschen und bei der Arbeit nichts nebenher essen oder trinken!

Und wenn doch mal was schiefgeht: Benetzte Kleidung sofort ausziehen und die betroffene Körperstelle unter reichlich fließendes Wasser halten, auch die (geöffneten!) Augen. Anschließend sofort zum Arzt, die Chemikalienpackung sollte ebenfalls mitgenommen werden, damit sich der Arzt über die verwendeten Chemikalien ein Bild machen kann. Keinesfalls versuchen, selbst irgendwelche Salben oder Sprays aufzutragen, Verätzungswunden sind recht kompliziert und kaum z. B. mit einer handelsüblichen Wund- und Heilsalbe in den Griff zu kriegen!


Übersicht über die Anwendungsgebiete der vorgestellten Säuren und Laugen.

Säuren allgemein: Säuren werden meist dazu verwendet, reinen Kalkstein, aber auch sehr kalkige Mergel und karbonatisch gebundene Sandsteine aufzulösen. Der Kalk wird dabei in Kohlendioxid (CO2) und verschiedene, meist wasserlösliche Salze zerlegt. Wegen der mitunter sehr starken CO2-Freisetzung darf das Präparationsgefäß nicht dicht verschlossen werden, um dem Gas das Entweichen zu ermöglichen. Gleichzeitig sollte das Gefäß aber mit einer durchlässigen Abdeckung (Spritzschutz-Sieb etc.) versehen werden, damit Säurespritzer nicht auf die Arbeitsfläche oder Gegenstände gelangen. Ist die Säure aufgebraucht und die Reaktion damit zum Erliegen gekommen (erkennbar an der Menge aufsteigender Kohlendioxid-Bläschen), kann die Lösung mit einem pH-Wert-Teststreifen geprüft werden - ist sie neutral, kann sie problemlos über das Abwassersystem entsorgt werden, ansonsten muss solange eine Base (z. B. Kaliumhydroxid) zugegeben werden, bis die Lösung neutral ist.

Der Ätzfortschritt sollte regelmäßig, je nach Geschwindigkeit, überprüft werden. Niederschläge von Lösungsrückständen sollten abgebürstet werden, da sie den Kontakt zwischen Säure und Gestein vermindern. Bereits freigelegte Fossilteile können, besonders wenn sie sehr empfindlich sind, mit Wachs abgedeckt werden. Dazu nur farbloses (weißes) Wachs verwenden, da farbiges einen höheren Schmelzpunkt besitzt. Zum Entfernen wird das Fossil in heißem Wasser gebadet - das Wachs verflüssigt sich und steigt wegen seiner geringeren Dichte an die Wasseroberfläche, wo es nach dem Erkalten einfach abgenommen werden kann.

Säuren führen in kerogenreichen Gesteinen zu Pyritzerfall (Ausblühen). Gesteine, die eine aufgrund organischer Einlagerungen dunkle Färbung besitzen, werden durch eine Säurebehandlung meist mehr oder weniger stark gebleicht.

Mit Säuren behandelte Fossilien müssen anschließend ausgiebig gewässert werden, um Reste der Säure und neugebildete Salze gründlich zu entfernen, die ansonsten für weiße Krusten und abplatzende Gesteinsstücke sorgen können. Über einen Zeitraum von mindestens einer Woche wird das Fossil in regelmäßig erneurtem Wasser gewässert. In den ersten 1-2 Tagen muss das Wasser mehrfach täglich ersetzt werden, in diesem Zeitraum kann man auch eine Base zugeben, um die noch vorhandene Säure zu neutralisieren. Wer einen offen zugänglichen Wasserkasten in der Toilette hat, besitzt eine wassersparende Möglichkeit, für einen ausreichend häufigen Wasserwechsel zu sorgen, indem das Fossil einfach in den Wasserkasten gelegt und erst mal für eine Woche "vergessen" wird.

Meist wird durch das Ätzen auch das Gestein im Inneren eines Fossils aufgelöst; besonders Knochen mit ihrer hohen primären Porosität müssen daher nach dem Wässern und gründlichen Trocknen (am besten über mehrere Tage hinweg) gefestigt werden.

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Salzsäure (HCl): Handhabung nicht unkritisch. Löst bevorzugt reinen Kalkstein, aber auch sehr kalkige Mergel und karbonatisch gebundene Sandsteine sowie kalkige Partien in Dolomiten, Calcit (Muschelschalen, Echinodermenreste) und Gips (Muschelschalen). Greift , Dolomit (Muschelschalen) an, bei zu hoher Konzentration oder Einwirkdauer auch phospatische Reste (Knochen, Zähne, Fischschuppen). Gesteine mit hohem Phosphatgehalt (Bonebeds) lassen sich nicht auflösen. Eignet sich hervorragend zum Freiätzen verkieselter Fossilien. Je nach Gesteinsart, chemischer Widerständigkeit des zu präparierenden Fossils sowie eigener Geduld empfiehlt sich eine 3-10%-ige Lösung. Salzsäure kann unkompliziert mit destilliertem Wasser auf jede gewünschte Konzentration verdünnt werden. Salzsäure kann in Apotheken und legal im (Internet-)Versandhandel erworben werden. Obwohl meist kostengünstiger, sollte auf hochkonzentrierte Rauchende Salzsäure verzichtet werden (68%) - das selbst aus einer dicht verschlossenen Flasche austretende Salzsäure-Aerosol und untergeordnet Chlorgas greifen umstehende Gegenstände rasch an, außerdem ist die Handhabung sehr gefährlich.

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Ameisensäure (HCOOH): Stärkste Karbonsäure, aber ohne organischen Rest, daher vergleichsweise reaktionsträge, Handhabung weniger kritisch. Löst bevorzugt reinen Kalkstein, aber auch karbonatisch gebundene Sandsteine und sehr kalkige Mergel. Greift sehr schnell Calcit (Muschelschalen, Echinodermenreste) und Gips (Muschelschalen) an. Hat so gut wie keine Wirkung auf Dolomit (Muschelschalen), sofern er keine kalkigen Partien enthält. In niedriger Konzentration keine Wirkung auf phosphatische Reste (Knochen, Zähne, Fischschuppen). Besonders geeignet für das Freilegen von Wirbeltierresten, dabei empfiehlt sich eine Lösung von 5-10%. Für die Handhabung gilt dasselbe wie bei der Salzsäure.

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1) Wirbel von Nothosaurus sp. in einer Kalksteinmatrix vor der Präparation.

Bild freundlicherweise zur Verfügung gestellt von A. Grünemeyer


2) Derselbe Wirbel, nach einiger Zeit in einer verdünnten Ameisensäurelösung.

Bild freundlicherweise zur Verfügung gestellt von A. Grünemeyer


3) Der Wirbel nach Abschluss der Präparation. Der Ätzvorgang wurde unterbrochen, um den Wirbel nicht völlig von der Matrix zu trennen.

Bild freundlicherweise zur Verfügung gestellt von A. Grünemeyer


Essigsäure (CH3COOH): Man bekommt sie z. B. als Essigessenz in einer brauchbaren Verdünnung (10%) im Supermarkt. Löst in ca. 5-10%-iger Lösung reinen Kalkstein, sehr kalkige Mergel, untergeordnet auch leicht dolomitischen Kalkstein. Greift Calcit (Muschelschalen, Echinodermenreste), Gips (Muschelschalen) und Dolomit (Muschelschalen) an, bei zu langer Einwirkdauer auch phosphatische Reste (Knochen, Zähne, Fischschuppen). Mit ihr lassen sich hervorragend leicht dolomitische Partien um massive Knochen herum entfernen. Die Einwirkdauer darf aber nicht zu lange sein (max. 2-3 Stunden), sonst wird der Knochen angegriffen. Essigsäure oxidiert sehr schnell im Gestein enthaltenes Eisen und führt zu einer Oxidationsbräune des Fossils und/oder Gesteins.

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Andere Säuren: Neben Salz- und Ameisensäure gibt es noch ein breites Spektrum an anderen Säuren, die für die meist sehr spezifische Herauslösung bestimmter Minerale Anwendung finden, wie z. B. Schwefel-, Phosphor- oder sogar Flusssäure. Diese sind allesamt sehr aggressiv und mit großem Respekt zu handhaben, da sie schwerste Verletzungen und bleibende gesundheitliche Schäden verursachen können. Sie sollten ausschließlich in professionell ausgestatteten Laboren verwendet werden, keinesfalls im privaten Hobbykeller! Dazu kommt das Problem oft hoch toxischer Reaktionsprodukte, so dass alles aufwändig als Giftmüll entsorgt werden muss. Auch die sehr selektive - oder äußerst radikale - Auflösung bestimmter Mineralkomponenten macht sie zum Auflösen der oft sehr heterogen aufgebauten Sedimentgesteine wenig geeignet, wobei sie bei speziellen Fragestellungen aber durchaus ihre Anwendung finden.

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Laugen allgemein: Mit Laugen (Basen) lassen sich vor allem Tone und sehr tonige Mergel, aber auch stark tonig gebundene Sandsteine auflösen. Ihre Wirkung basiert darauf, dass sie die Schichtstruktur von Tonmineralen aufbrechen und damit das Gestein erweichen. Dies funktioniert am besten bei Dreischicht-Tonmineralen (Illit, Smectit, etc.), jedoch schlecht bei Zweischicht-Tonmineralen (Kaolinit). Da man einem Tonstein nicht ohne weiteres ansieht, aus welchen Tonmineralen er zusammengesetzt ist, besteht immer die Möglichkeit, dass die Laugenbehandlung nicht im erwünschten Maß anschlägt. Bei der Verwendung von Laugen entstehen keine Gase, das Präparationsgefäß kann daher dicht verschlossen werden. Die Reaktion ist zum Erliegen gekommen, wenn sichtbar kein neues Gestein mehr aufgelöst wird. Wie bei den Säuren muss nach dem Abschluss der Präparation auch hier ausgiebig gewässert werden, wobei in den ersten 1-2 Tagen neben häufigem Wasserwechsel etwas Säure (z. B. Essigsäure) zur Neutralisierung der Lauge nötig ist. Im Gegensatz zu Säuren fällen viele Laugen wasserunlösliche Salze auf der Oberfläche des Gesteins aus, der weiße Überzug muss sofort beim Auftreten abgebürstet werden, da er nach seiner Verfestigung sonst kaum mehr entfernt werden kann. Restlösungen des Ätzvorgangs müssen zuerst mit einer Säure neutralisiert werden, bevor sie dem Abwassersystem zugeführt werden können. Anders als Säuren sind Laugen vergleichsweise reaktionsträge. Die bei Zugabe von Wasser entstehende Reaktion ist aber ungleich heftiger und kann soviel Wärme freisetzen, dass Plastikgefäße schmelzen. Ein Nachteil der Reaktionsträgheit ist, dass man Laugenspritzer auf der Haut erst spürt, wenn der Ätzvorgang bereits weit fortgeschritten ist und große Hautbereiche zerstört hat.

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Kalilauge (KOH): Normalerweise in Form weißer Plättchen erhältlich (Apotheke oder (Internet-)Versandhandel). Löst reine Tone oder sehr tonige Mergel, auch stark tonig gebundene Sandsteine. Greift phosphatische Reste (Knochen, Zähne, Fischschuppen) stark an. Keine Wirkung auf reinen Kalkstein (Muschelschalen, kalkige Steinkerne), Calcit (Echinodermenreste, Muschelschalen), Dolomit (Muschelschalen). Entzieht aber Gips Wasser und macht ihn dadurch bröckelig. Bei zu langer Einwirkzeit kann Lauge durch Risse im Fossil in die darunterliegende Matrix eindringen und sie auflösen, was zum Zerfall des Fossils führt.

Die zu ätzenden Gesteinspartien müssen zuvor gut angefeuchtet worden sein und werden dann mit KOH-Plättchen belegt. Diese werden dann befeuchtet, dürfen sich aber keinesfalls auflösen, da die Lösung keine Wirkung mehr entfaltet. Der Präparationsfortschritt muss regelmäßig überprüft werden, aufgelockerte Gesteinspartien sollten gleich abgebürstet werden. Schon während dem Ätzen können sich weißliche Überzüge auf dem Stein bilden. Da sie sich rasch verfestigen, sollten sie so oft wie möglich unter fließendem Wasser abgebürstet werden.

Kalilauge wirkt hygroskopisch (wasseranziehend) und muss daher luftdicht und trocken gelagert werden.

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