Blutüberströmt liegt eine Leiche auf dem Wohnzimmerteppich. Kurze Zeit später trifft die Polizei ein. Der Raum wird gesichert, nichts darf verändert oder entfernt werden, denn jetzt beginnt die Spurensicherung. Schliesslich soll das Verbrechen ja aufgeklärt, der Mörder gefunden und verurteilt werden. 

Nicht nur etwa jeder fünfte Krimi beginnt so oder ähnlich, auch in der Wirklichkeit ist dies das typische Vorgehen nach einem Verbrechen. Der Tatort wird genauestens untersucht, den Ermittlern entgeht nicht das kleinste Detail. Im Gegenteil: moderne Methoden erlauben es sogar dort noch Spuren zu finden, wo auch das beste Auge keine entdecken kann. Schon eine einzelne Hautschuppe kann ausreichen, um zweifelsfrei festzustellen, dass sich jemand in einem bestimmten Raum aufgehalten hat. 

Dabei muss es natürlich nicht immer gleich um Mord gehen. Auch Verkehrsunfälle oder Wirtschaftsdelikte erfordern Kriminalbeamte mit einer wissenschaftlichen Ausbildung. Dabei hat sich sogar ein eigener Wissenschaftszweig entwickelt: die Forensik. Sie hat die Aufgabe Verbrechen festzustellen, aufzuklären und Beweise zu suchen. 

Die Wissenschaft der Verbrechensbekämpfung ist in der Krimiwelt so populär geworden, dass es allein in den letzten Jahren dutzende von Fernsehserien, Buchreihen und Kinofilme zu diesem Thema gegeben hat. Dabei spielen die Chemie und ihre Untersuchungsmethoden eine ganz zentrale Rolle, die in der Wirklichkeit noch sehr viel bedeutender ist, als dies in den Krimis jeweils schon herauskommt. 

Der erste Schritt im kriminaltechnischen Labor ist die Isolierung der zu untersuchenden Substanz. Mit diesen Trennmethoden werden wir uns deshalb in der Folge intensiv beschäftigen. Danach kommen analytische Nachweisemethoden zum Zug, von denen wir ebenfalls einige kennenlernen werden.

Einige Fernsehserien, in denen kriminaltechnische Methoden verwendet werden. 

2.1 Trennmethoden

Jede Trennmethode beruht darauf, dass die zu trennenden Stoffe unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften haben. Diese müssen gefunden und gezielt zur Trennung genutzt werden.

2.2 Nachweisverfahren

Methoden, die dazu dienen Stoffe nachzuweisen respektive sie zu identifizieren.

Lernziele

• Wissen, in welchen Eigenschaften sich die Stoffe unterscheiden müssen, damit das jeweilige Verfahren angewendet werden kann.

• Vorschläge machen, wie einfache Trennprobleme im Alltag und in der Technik gelöst werden können.

• Drei Nachweismethoden kennen und entscheiden können, in welchen Fällen ihr Einsatz erfolgsversprechend ist und wie die Resultate zu interpretieren sind.

2.3 Arbeitsablauf

Gearbeitet wird zu zweit. Die Posten können in beliebiger Reihenfolge bearbeitet werden, diejenigen aus dem Wahlbereich sollen jedoch erst gelöst werden, wenn der Hauptteil erledigt ist oder um Wartezeiten zu überbrücken.  

Es stehen gesamthaft 4 Lektionen im Labor zur Verfügung, weitere 1-2 Lektionen werden für die die Versuche ohne praktischen Teil benötigt. Vorgegangen wird folgenderweise:

• Wenn die Anleitung gelesen und verstanden ist, wird der Versuch durchgeführt und alle Beobachtungen notiert. Anschliessend werden die Fragen zum Versuch beantwortet.
• Der Arbeitsplatz wird sauber aufgeräumt, erst dann geht man zum nächsten Posten.

 Kriminalfälle mit Laborteil 

Hauptversuche (obligatorischer Laborteil)

Wahlbereich (ebenfalls im Labor)

Kriminalfälle ohne Laborteil (werden theoretisch gelöst)

Hauptversuche (obligatorischer Teil)

Wahlbereich zu theoretischen Kriminalfällen

Wie man herausfindet wo jemand ertrunken ist

Auf dem Obduktions-Tisch des Gerichtsmediziners landet die Leiche einer Frau, welche von der Polizei nahe einer Flussmündung aus dem Meer geborgen wurde.

Aufgrund der äusseren Umstände vermutet der die Untersuchungen leitende Staatsanwalt, dass es sich um einen Mord handeln könnte.

Die Aufgabe des wissenschaftlichen Dienstes der Polizei ist es daher, herauszufinden, ob die Tote im Meer (Salzwasser) oder im Fluss (Süsswasser) ertrunken ist oder ob sie vielleicht sogar in der Badewanne ertränkt und danach ins Meer geschafft wurde. Um das herauszufinden, muss der Salzgehalt in der Lungenflüssigkeit bestimmt werden.

Abb. In der Badewanne erstochen:
„Der Tod des Marat“
Jacques-Louis David, 1793
 

Chemisch gesehen gibt es viele Salze, Kochsalz mit der Formel NaCl ist nur eines davon, uns aus dem Alltag aber sicher am bekanntesten.

Die umfangreichen Salzvorkommen in der Schweiz gehen auf ein Meer zurück, das vor 200 Millionen Jahren grosse Teile Europas bedeckte. Im damaligen tropischen Klima verdunstete das Meer-wasser in Lagunen und lagerte sich nach der späteren Faltung des Juras als Meersalz in 140 bis 400m Tiefe ab.

Die Schweizer Rheinsalinen produzieren jährlich 300‘000 bis 400’000 Tonnen Salz. Zur Salzgewin-nung wird Wasser in Bohrlöcher gepumpt. Das Salz löst sich, während der eingeschlossene Sand zurückbleibt. Die stark salzhaltige Lösung mit ca. 300 g Salz pro Liter (genannt Sole) wird nach oben gepumpt. Aus dieser Sole wird – nach der Abtrennung von Verunreinigungen – durch Eindampfen das feste Kochsalz (Natriumchlorid, NaCl) gewonnen.

Es gibt noch andere Verfahren, die zur Gewinnung von Kochsalz angewendet werden. So wird z.B. Meerwasser in Becken geleitet, wo das Wasser allmählich verdampft bis nur noch das Meersalz zurückbleibt. Die Kochsalzkonzentration im Meerwasser beträgt ca. 35g/L. In Deutschland wird Steinsalz mehrheitlich bergmännisch abgebaut.

  
Abb.: Ein Kochsalzkristall (Halit, links) und Salzgewinnung aus Meerwasser (rechts)   

Abb.: Steinsalz Bagger im
Einsatz in Österreich
(Salinen Austria AG)

Es liegt eine Probe vor, die dem festen Anteil der von der Leiche entnommenen Lungenflüssigkeit entspricht. Probeflaschen ("Mischung 1" resp. "Mischung 2"), deren Inhalt aus Sand und Salz besteht.

Notiere, mit welcher der beiden Mischungen Du arbeitest und wäge 5g davon ab. Diese 5g entsprechen dem Trockenanteil von 40ml aus der Lunge entnommenen Flüssigkeit. Trenne diese in die zwei Komponenten auf und bestimme die Masse an Kochsalz. Entscheidend ist dabei die Masse Salz pro Volumen Lösung (also der ursprünglichen 40ml aus der Lunge). Man nennt diesen Wert die Konzentration.

Überlege nun das Vorgehen, um die beiden Komponenten zu trennen. Bevor Du anfängst, kontrolliere mit untenstehendem Quiz, ob Deine Überlegungen Sinn machen:

Notiere die berechnete Konzentration in der Einheit g/L.
Hinweis: Die ermittelte Salzmenge bezieht sich auf 40mL (siehe Aufgabenstellung). Auf den Liter hochgerechnet (*25) ergibt das die Konzentration in g/L.

Je nachdem, welche Mischung verwendet wurde, bekommt man ein anderes Resultat. Bitte Deine Lehrkraft, das Resultat zu überprüfen.

Danach beantworte folgende Fragen (Quiz):

Aufgrund der Flüssigkeit in der Lunge kann man feststellen, ob jemand ertrunken ist oder erst danach ins Wasser gelangte. Die Tote könnte aber natürlich auch in der Badewanne ermordet und dann in den Fluss oder den See geworfen worden sein.

Wie könnte man herausfinden, ob das Opfer in der Badewanne, dem Fluss oder dem See ertrunken ist? Der Salzgehalt ist in allen drei Fällen der Gleiche.

Salzabbau in der Schweiz (Reinsalinen):
https://www.salz.ch/de/salzwissen

Steinsalzabbau in Österreich:
https://www.landschafftleben.at/lebensmittel/salz/herstellung/abbau-von-steinsalz

Gewinnung von Meersalz:
https://www.landschafftleben.at/lebensmittel/salz/herstellung/gewinnung-von-meersalz

Wie deckt man die Fälschung eines Checks auf?

Als Bankangestellte(r) erhälts Du einen Check über 2'500.-, ausgefüllt mit schwarzem Filzschreiber. Du hast den Verdacht, dass der Check ursprünglich auf 500.- lautete und die „2“ nachträglich, mit einem anderen Schreiber angefügt wurde. Sicherheitshalber lässt die Bank den Check im forensischen Labor der Polizei überprüfen.

Diese Überprüfung ist leicht möglich, weil schwarz nicht gleich schwarz ist.

Die Methode der Wahl ist hier die Dünnschichtchromatografie (DC). Mit dieser lassen sich verschiedene Farben (auch optisch identische) schnell und gut voneinander unterscheiden.

Abb. 1: Der ausgefüllte Check

Bei der Dünnschichtchromatografie (DC) werden die Stoffe auf ein beschichtetes Plättchen aufgetragen (stationäre Phase).
Dann stellt man diese Plättchen in ein Lösungsmittel (=Laufmittel, die mobile Phase). Das Lösungsmittel wird von der Schicht aufgesogen und nach oben transportiert. Dabei werden die zu trennenden Stoff mehr oder weniger stark mittransportiert und dadurch getrennt.
Beachte: Das zugrundeliegende Trennprinzip wird später im Kapitel 12 noch genauer erklärt.

Jede Substanz kann auf Grund ihrer zurückgelegten Wegstrecke charakterisiert werden. Eine wichtige Kenngrösse diesbezüglich ist der R_F-Wert. Es ist wie folgt definiert: zurückgelegte Wegstrecke in cm geteilt durch die Strecke in cm von der Startlinie bis zur Laufmittelfront:

Ermittelt und gemessen werden die Distanzen wie folgt:

•    Führe den Versuch durch.
•    Werte das Chromatogramm aus und beantworte die Fragen.

Vorgehen:

Zuerst müssen die Proben genommen werden: Aus dem Check schneidet man dazu die Zahl Zwei (Verdachtsprobe), sowie eine beliebige andere Zahl aus (Referenz). Die beiden gibt man in ein separates, kleines Glasgefäss und fügt mit einer Pipette gerade so viel Ethanol (Lösungsmittel) dazu, dass die Zahlen überdeckt sind (20-30 Tropfen). Leichtes Schütteln löst nun die Farbe.

Zur Durchführung der Chromatographie benötigt man ein Kieselgel-Plättchen („DC-Plättchen“), welches aus einem der weissen Kunststoffbehälter genommen werden kann. Ziehe auf der Seite des Plättchens mit dem weissen Belag (nicht auf der Seite aus Plastik) mit einem weichen Bleistift und einem Massstab 1 cm vom unteren Rand entfernt eine feine Linie (Startlinie). Die weisse Kieselgel-Schicht darf nicht verletzt werden!

Mit einem der ganz dünnen Glasstäbchen (Kapillare) saugt man etwas von der Referenzprobe auf und macht (gemäss Skizze) auf der Startlinie einen kleinen Punkte. Der Durchmesser darf höchstens 1-2 mm betragen. Man darf also nur kurz auftupfen. Mit einer neuen Kapillare wird nun auch noch die Referenz aufgetragen. Zum Vergleich machst Du auf dem DC neben diesen zwei auch noch mit den beiden schwarzen Filzstiften jeweils einen Punkt.

Fülle nur 0.5 cm Ethanol in das Chromatografie-Glas, stelle das DC-Plättchen rein und verschliesse das Glas. Achtung: Die schwarzen Punkte dürfen dabei nicht in den Alkohol eintauchen!

Das Glas darf nun nicht mehr bewegt werden. Wenn die Laufmittelfront 1-2 cm vom oberen Rand entfernt ist, nimmt man das Plättchen aus der Flüssigkeit. Markiere sofort die Laufmittelfront mit dem Bleistift. Nun lässt man das Plättchen 1-2 Minuten an der Luft trocknen. Danach mache ein Foto und lade es hier hoch oder benutze die beiliegende Klebefolie um es bei sich in den Unterlagen einzukleben.

Das Chromatografie-Glas verschliesst man wieder, damit das Laufmittel nicht verdunstet.

Wie man Unsichtbares sichtbar macht

Nach einem Einbruch sucht die Spurensicherung nach Fingerabdrücken. Diese sind zuerst oft gar nicht sichtbar, dazu braucht es erst geeignete Verfahren. Erst wenn die Fingerabdrücke gesichtert sind, können sie mit der Datenbank von bekannten Kriminellen abgeglichen werden können.

In diesem Versuch machen wir mit Hilfe von physikalischen und chemischen Prozessen Fingerabdrücke sichtbar. Fingerabdrücke, die vorhanden sind, aber für unser Auge unsichtbar sind, bezeichnet man als latente Fingerabdrücke.

Hintergrund: Schweiss besteht im Wesentlichen aus Wasser, anorganischen Salzen (vor allem Kochsalz), Aminosäuren, Harnstoff, organischen Säuren, Kreatinin und Fetten. Das in einem frischen Abdruck hinterlassene Wasser verdampft rasch oder wird vom Untergrund aufgesaugt. Es bleiben etwa 0.0001g einer klebrigen, kochsalzhaltigen, fettigen Masse mit einem hohen Anteil an organischen Verbindungen zurück.

3.1 Vorgehen bei Fingerabdrücken auf Glas (Nachweis mit Pulver)

Zwei 150ml-Becherglas werden im Abzug mit etwas Aceton gereinigt. Dazu wird etwas Haus-haltspapier mit dem Lösungsmittel Aceton benetzt, um die Oberfläche von allfälligen Spuren zu reinigen. Die Bechergläser sollten nur noch oben am Rande gehalten werden.
Auf die frisch gereinigte Oberfläche werden vier Daumenabdrücke (je zwei pro Person) gemacht. Dabei muss gar nicht allzu stark gedrückt werden, damit die Struktur der Linien nachher gut sichtbar wird. Falls die Hände sehr trocken sind, diese erst kurz an der Stirn reiben.

Mit dem Spezialpinsel trägt man nun eine winzige Menge Fingerabdruckpulver auf die unsichtbaren Daumenabdrücke auf. Allfälliges überschüssige Pulver wird über der Schale abgeklopft und wenn nötig im Abzug mit wenig Druckluft abgeblasen.
Im zweiten Behälter macht man das gleiche mit Aluminiumpulver. Falls der Fingerabdruck gut sichtbar ist, macht man ein Foto davon und lädt es hier hoch:

Andernfalls wird mit einer dünnen Klebefolie ein Abzug davon gemacht und auf ein Blatt geklebt.

3.2 Fingerabdrücke auf Papier (Nachweis mit Iod)

Anders als auf glatten Oberflächen, funktioniert der Nachweis mit Pulver auf Papier nicht. Es gibt jedoch Alternativen:

Nimm einen Streifen neues, weisses Papier (ca. 2x4 cm) und drücke einen Finger gut und fest drauf, um einen (natürlich noch unsichtbaren) Abdruck zu hinterlassen. Pro Person macht ihr jeweils 1-2 Streifen. Danach werden alle Streifen zusammen in das Iod-Glas gegeben.
Iod hat die Eigenschaft, zu sublimieren. Da Iod-Dämpfe giftig sind, wenn möglich im Abzug arbeiten und das Gefäss jeweils gleich wieder schliessen. Nach einigen Minuten werden die Fingerabdrücke sichtbar.

Das jeweils beste Resultat der Papierstreifen wird fotografiert und hier hochgeladen.

4.1.    Auswertung zu Fingerabdrücke auf Glas:

Wie und weshalb wird der Fingerabdruck sichtbar? Beantworte folgende Fragen:

Wie man auch winzige oder weggewischte Blutspuren noch nachweisen kann

Abb.: Ein Häm-Molekül, der zentrale Bestandteil von roten Blutkörperchen (links mit, rechts ohne gebundenen Sauerstoff).

Als Sabrina K. ihre Lebenspartnerin Xenia W. als vermisst meldet, geht die Polizei noch nicht von einem Verbrechen aus. Das ändert sich jedoch schlagartig, als einige Tage später die Leiche von Xenia W. in einem nahen Waldstück gefunden wird.
Wie immer in solchen Fällen, sucht die Polizei zuerst im nahen Umfeld des Opfers nach einer möglichen Täterschaft. Ein Nachbar aus der nahen, gegenüberliegenden Wohnung sagt aus, er hätte kurz vor dem Verschwinden von Xenia W. einen lauten Streit in deren Wohnung gehört und am darauffolgenden Morgen verdächtige Flecken auf dem Vorhang gesehen.
Als die Polizei den Vorhang sicherstellt, ist dieser jedoch frisch gewaschen und von Flecken gibt es keine Spur.

Blut spielt bei der polizeilichen Spurensicherung eine entscheidende Rolle. Mit Hilfe der am Tatort zurückgelassenen Blutspuren ist es möglich Aussagen über beteiligte Personen, Tatort und -hergang eines Verbrechens zu machen. Häufig versuchen Verbrecher, das Blut wegzuwaschen. Es bleiben aber oft Spuren zurück, welche mit der hier beschriebenen Technik nachgewiesen werden können.
Eine einfache und schnelle Methode zum Nachweisen kleinster, kaum sichtbarer Blutspuren beruht auf dem Prinzip der Chemolumineszenz. Von Chemolumineszenz wird gesprochen, wenn bei einer chemischen Reaktion Licht emittiert wird. Eine chemische Reaktion liefert die Energie, um das Elektron in einen höheren Energiezustand zu heben.

Für diesen Versuch muss sich pro Gruppe eine Person selbst Blut entnehmen. Wegen der Infektionsgefahr (z.B. AIDS) werden dazu nur ganz sichere, sterile Stechhilfen „Accu-Check“ zum Einmal-gebrauch verwendet. Bitte pro Gruppe nur einmal Stechen, die Stechhilfen sind teuer!
Zuerst mit etwas Watte und Desinfektionsmittel die Einstichstelle desinfizieren (vorne oder noch besser etwas seitlich am Finger). Danach die längliche Plastik-Schutzkappe durch Drehung entfer-nen (siehe Bild), die Stechhilfe mit leichtem Druck auf den Finger aufsetzen und mit dem grossen Knopf hinten den Stich auslösen (ist praktisch schmerzfrei!).

Bitte die Stechhilfen nach dem Gebrauch nicht herumliegen lassen, sondern gleich in den Hausmüll geben.
Auf zwei der zugeschnittenen Baumwolle-Stoffe (ca. 2 x 3 cm) wird je 1 Blutstropfen abgestreift. Die Einstichstelle nochmals desinfizieren und mit einem Pflaster bedecken.
Eines der beiden Baumwollstücklein wird danach mit Wasser und den Fingern so lange gewaschen, bis von Auge kein Blutfleck mehr ersichtlich ist. Die beiden Baumwollstücklein werden nun jedes einzeln in ein ganz kleines Becherglas gegeben. Dann geht man in den verdunkelten Raum nebenan und gibt je eine Pipette Luminol-Lösung dazu.
Die Beobachtungen werden notiert.

Luminol wird unter Einwirkung von Wasserstoffperoxid oxidiert. Das entstehende Zwischenprodukt reagiert dann mit Hilfe von Protohäm als Katalysators zu einer angeregten Verbindung. Das bedeutet, dass gewisse Elektronen dieser Verbindung in einer höheren Schale sind. Diese Elektronen gehen sogleich unter Abgabe von Licht in den Grundzustand über.
Das dabei als Katalysator wirkende Protohäm ist ein Bestandteil des roten Blutfarbstoffes Hämoglobin (siehe Abbildung unten).
Bereits sehr geringe Mengen von Blut katalysieren die beschriebene Luminol-Nachweisreaktion. Hierbei ist für die Spurensicherung vor allem wichtig, dass diese Lumineszenz charakteristisch für Blut ist, da andere Körperflüssigkeiten nicht das im Blutfarbstoff Hämoglobin enthaltene Protohäm besitzen (Hämoglobin: bestehend aus Protein-Molekül und Protohäm).

Abbildung: Die katalysierende Protohäm Einheit.

• Mit den Suchbegriffen "Luminol" und, "latente Blutspuren" liefern Google und Wikipedia viele Informationen.
• Die Luminol-Reaktion dient nicht nur Identifizierung vom Blut, sondern auch der Sichtbarmachung dessen genauer Verteilung und des Musters. Zum Beispiel wird je nach Winkel, mit welchem Blut auf eine Oberfläche auftrifft, der Tropfen runder oder länglicher.
  Daher ist die genaue Analyse sichtbarer und latenter Blutspuren für die Rekonstruktion von Geschehensabläufen essenziell und dient als wesentliche Hilfe bei der Unterscheidung zwischen Unfall, Tötungsdelikt und Suizid.
• Neben dem noch immer sehr wichtigen Luminol-Test gibt es noch diverse andere Möglichkeiten, das Vorhandensein von Blut zu prüfen. Ist ein möglicher Blutfleck erkennbar, gibt es Teststäbchen, die sehr schnell anzeigen, ob es sich um Blut handelt oder nicht.
  Hat man Blut gefunden, weiss man natürlich noch immer nicht, ob es sich dabei um menschliches Blut handelt. Dafür gibt es wieder einen eigenen Test, der dann jedoch ein Analysegerät erfordert.
• Und nicht zuletzt kann man heute auch mit der im Blut vorhanden DNA zeigen, von welcher Person das Blut stammte.

Gasexplosion: Unfall oder Mord aus Eifersucht?

Im Dorf Chemotopia hat sich in den frühen Morgenstunden eine verheerende Gasexplosion ereignet. Das Ausmass der Zerstörung ist unbeschreiblich. Es gab vierTote und einen sehr hohen Sachschaden.

Abbildung: Das nach der heftigen Gas-Explosion völlig zerstörte Haus .

Für die Kriminalpolizei stellt sich nun die Frage, ob die Explosion ein Unfall war oder ob ein Verbrechen verübt wurde.

In diesem Fall vermutet die Polizei einen kriminellen Akt der Rache. Gemäss Anwohnern wurde in der Nacht vor der Explosion Herr Zündel, vormaliger Liebhaber von Frau Taylor A. Swift (Name von der Redaktion geändert) in der Nähe des Hauses beobachtet. Auf seinem von der Polizei sichergestellten Handy fand man eine WhatsApp-Nachricht, in welcher Herr Zündel seiner Geliebten vor dem Rauswurf aus der Wohnung massiv gedroht hatte. 

Die Kriminalpolizei hat darauf während einer Hausdurchsuchung bei Herrn Zündel zwei fast leere Campinggasflaschen sichergestellt. Herr Zündel wurde auf der Stelle verhaftet, weil er dringend verdächtigt wird, damit die Explosion verursacht zu haben.
 

Eine Erdgasexplosion kann sich dann ereignen, wenn Gas durch einen offen gelassen Gashahn oder eine undichte Leitung ausströmt. Erdgas besteht vor allem aus Methan (\(\rm CH_4\)).

Für Campinggasflaschen benutzt man hingegen ein Gemisch aus Propan (\(\rm C_3H_8\)) und Butan (\(\rm C_4H_{10}\)). Auch dieses kann zu einer Gasexplosion führen. In diesem Fall hätte dann aber jemand den Unfall gezielt herbeigeführt.

Finde mit Hilfe eines Gas-Chromatographen (GC) heraus, ob Herr Zündel zu Recht verhaftet wurde. Vertiefte Theorie dazu findet sich im Kapitel T2.

Bekannt sind auch die Gas-Chromatogramme von Erdgas und Campinggas (Referenz).

Zur Verfügung steht ausserdem eine Gas-Probe, welche die Polizei am Unfallort genommen hat.

Vorgehen: Schaue Dir das Erklärvideo an, oder lasse Dir die Apparatur durch den Lehrer erklären. Mache dann ein Chromatogramm der Probe, indem Du 1 mL Gas mit der Spritze in die Apparatur injizierst und gleichzeitig die Aufzeichnung startest. Lasse den GC etwa 3 Minuten aufzeichnen. Werte dann das Chromatogramm aus.

Je nachdem, was bei der Untersuchung rauskommt, könnte Herr Zündel schuldig sein oder nicht. Als Laborleiter:in müsstest du nun aufgrund der Ergebnisse für die Staatsanwältin, respektive für den Richter eine Expertise schreiben, ob Herr Zündel angeklagt oder freigelassen werden soll. Was muss diese Expertise enthalten, respektive, was muss dabei beachtet werden?

Beantworte dazu folgende Fragen:

Nachweis von Schmauchspuren

Ein Mann ruft die Polizei an, er habe seine Ehefrau erschossen in der gemeinsamen Wohnung aufgefunden. Als Waffensammler besitzt der Ehemann verschiedenste Schusswaffen, die in der Wohnung selbst aufbewahrt werden.

Befragungen bei Bekannten ergeben, dass die Ehe schon länger zerrüttet war und der Ehemann schon mehrmals als gewalttätig aufgefallen ist. Schnell fällt der Verdacht daher auf ihn. Kriminaltechnische Untersuchungen sollen die Sachlage klären. 
 

Eine Antwort liefert die Analyse von Schmauchspuren, welche nach Schussabgabe auf der Hand oder Kleider des möglichen Täters nachgewiesen werden können. Beim Schmauch handelt es sich um unverbrannte Pulverbestandteile, verdampfte Geschossrückstände oder Schwermetallbestandteile des Zündhütchens, welche sich auf dem Schützen ablagern können. Aus dem verbrannten Pulver oder der Zündmasse des Zündhütchens stammen Barium-Ionen, Blei-Ionen können aus bleihaltigen Geschossrückständen herrühren.

Abbildung 1: Bildung von Schmauch bei einem Schuss

Abbildung 2: Aufbau einer modernen Gewehr- oder Pistolenpatrone

Eine moderne Gewehr- oder Pistolen-Patrone besteht aus den folgenden Bestandteilen (vgl. Abb. 2):

1. Das Projektil (Geschoss), oft noch als „Kugel“ bezeichnet. 
2. Die Patronenhülse, die alle Teile zusammenhält.
3. Das Treibmittel, zum Beispiel Schiesspulver oder Kordit.
4. Die Auszieher-Rille, die zum Auswurf der Patrone benötigt wird.
5. Das Zündhütchen, zur Zündung des Treibmittels

Analytik-Prinzip: Gewisse Schwermetall-Ionen bilden mit Natrium-Rhodizonat eine farbige Verbindung. Der Vorversuch zeigt, um welche es sich dabei handelt. 

Achtung: Die Natrium-Rhodizonat-Lösung muss täglich frisch angesetzt werden.

3.1 Vorversuch

Hinweis: Falls Du diesen Versuch nicht durchführen kannst, respektive darfst, findest Du hier ein Video davon.

• Auf je ein kleines Filterpapier werden genau in die Mitte jeweils zwei Tropfen der nachfolgenden Lösungen gegeben. 
  Hinweis: da diese Lösungen giftig sind, Hautkontakt vermeiden.
  -    Barium-Ionen
  -    Blei-Ionen
  -    Kupfer-Ionen
• Nun gibt man überall 3-4 Tropfen der Natrium-Rhodizonat-Lösung (ebenfalls genau in die Mitte) dazu. Fotografiere und notiere das Resultat.
• Die drei Filterpapier werden mit Hilfe einer Pinzette ins Gefäss „Abfall Schwermetall-Ionen“ gegeben und dieses wieder verschlossen.

Auswertung des Vorversuch, respektive Verständnis-Fragen zum Video:

3.2 Hauptversuch: Hat es auf dem Hemd des Verdächtigen Schmauchspuren?

1. Ein Filterpapier wird auf ein Haushaltspapier gelegt. Mit der Pipette tropft man gut verteilt wenig Weinsäurelösung darauf, so dass das ganze Filterpapier feucht ist.
2. Ein zweites Haushaltspapier wird daraufgelegt und leicht darübergestrichen. 
3. Das feuchte Filterpier ist nun bereit, um Schmauchspuren aufzunehmen. Gilt es ein Gewebe wie ein Hemd zu untersuchen, so presst man es einfach für einige Sekunden fest drauf.
4. Man kann damit aber auch die bereitgestellten Patronen innen und aussen gut abreiben. Die verwendete Patrone kommt in den bereitstehenden Behälter.
5. Das Filterpapier wird nun mit dem Föhn getrocknet.
6. Zur Sichtbarmachung der Schmauchspuren gibt man etwas Natrium-Rhodizonat-Lösung auf das Filterpapier und trocknet erneut mit dem Föhn.

1. Mach ein Foto des Resultates.
2. Beantworte folgende Fragen (Quiz):

Heutige Projektile bestehen vor allem aus Stahl, Blei und Kupfer, wobei meist Stahl manchmal oft den Mantel bildet, der dann mit Blei gefüllt ist.

Traditionellerweise wurden vor allem Vollgeschosse aus Blei verwendet. Dessen hohe Dichte von 11.3 kg/L führt zu einer hohen kinetischen Energie. Ausserdem verformt sich das weiche Blei beim Aufprall und gibt so die kinetische Energie effizient ans Ziel ab, was zu einer hohen Zerstörungskraft führt. Diesen Effekt nutzt man noch heute in Jagdgeschossen, die als sogenannte Teilmantelgeschosse die Spitze mit dem Blei freilassen. Das führt zu einem grösseren Wundkanal und damit zuverlässiger zum schnelleren Tod des beschossenen Wildes.

Abbildung: Ein aufgepilztes Teilmantelgeschoss

Demgegenüber durchschlagen Vollmantelgeschosse („full metal jacket”) aus Stahl ihr Ziel, haben also eine hohe Durchschlagskraft. Gemäss der Haager Landkriegsordnung muss Armeemunition immer aus Vollmantelgeschossen bestehen.

In einigen Ländern wie den USA benutzt die Armee auch Projektile aus abgereichertem Uran. Bei dieser sogenannt panzerbrechenden Munition ist neben der Dichte von 19.2 kg/L vor allem die Tatsache wichtig, dass sich das Uran beim Aufprall nicht abflacht, sondern zuspitzt. Daher wird Uranmunition auch als „selbstschärfend“ bezeichnet. Da Uran aber sowohl radioaktiv als auch stofflich giftig ist, ist der Einsatz solcher Munition umstritten. Als Alternative wird Wolfram eingesetzt, welches jedoch teurer ist und eine geringere Wirksamkeit zeigt.

• https://de.wikipedia.org/wiki/Schmauch
• https://www.swisswaffen.com/ > Munition

Graffitis an Gebäuden: Wer war der Sprayer?

Die Kriminalpolizei fahndet nach einem Sprayer, welcher andauernd Wände mit Graffitis „schmückt“ und so grossen Sachschaden anrichtet.
Bei einer verdächtigen Person wurden Spraydosen sichergestellt. Die Polizei hat von einer versprayten Wand etwas farbiges Material abgekratzt, welches nun auf die Farbstoffe untersucht werden soll.

Zuerst werden die Farbstoffe aus dem Mauermaterial extrahiert, das heisst, mit einem Lösungsmittel herausgelöst. Das so erhaltene Farbstoffgemisch wird anschliessend durch die Säulenchromatographie getrennt. Mit dieser Technik können grössere Stoffmengen voneinander getrennt und einzeln abgefangen werden.
Später werden die einzelnen, voneinander getrennten Substanzen mit denjenigen in den Spraydosen verglichen. (Diesen Prozess führen wir nicht mehr durch)

Die Stofftrennung beruht bei der Säulenchromatographie wie bei der Gaschromatographie auf zwei Effekten:

1. Der unterschiedlichen Löslichkeit der reinen Stoffe in einem Lösungsmittel, der mobilen Phase („Laufmittel“ genannt).
2. Der unterschiedlich starken Adsorption (Oberflächenhaftung) an der stationären Phase. Letztere besteht aus einem sehr feinkörnigen Material, mit welchem ein Glasrohr gefüllt wird. Das Ganze bezeichnet man als „Säule“.

Im folgenden Schema ist der Trennvorgang dargestellt:

Auftrennung des Farbgemisches mittels Säulenchromatographie.

Eine Mini-Chromatographie-Säule sollte bereits vorbereitet sein: unten bei der Spitze hat es etwas Watte, darüber ist die Säule zu ca. ¾ der Höhe mit weissem Pulver (Kieselgel, SiO₂) gefüllt, der stationären Phase.

Darauf werden nun ca. 1-2 mm hoch Mauermaterial pipettiert. Obwohl es ein Feststoff ist, kann man dafür eine normale Pasteurpipette verwenden. Nun wird die Säule bis zum oberen Rand mit dem Lösungsmittel Toluol (mobile Phase) gefüllt und wenn nötig 1-2 mal Toluol nachgegeben, bis die gewünschte Trennung sichtbar ist. Nach Abschluss wird die kleine Säule ins Gefäss „gebrauchte Säulen gegeben und dieses verschlossen).

Freiwilliges Zusatzexperiment: Extraktion (Herauslösen) der Farben aus dem Mauermaterial mit Lösungsmittel

Im Normallfall würde man nicht direkt das Material auf die Säule auftragen, sondern zuerst die Farbstoffe herauslösen (extrahieren). Dies kann noch nachgeholt werden:

Dazu gibt man mit einem Spatel ganz wenig (etwa 2 mm hoch) Mauermaterial in ein kurzes Reagenzglas. Dann tropft man mit einer Pipette nur etwa 5 mm hoch Toluol hinein. Das Reagenzglas wird leicht geschüttelt, bis eine braune Lösung entsteht. Das unlösliche Material lässt man nun sedimentieren und pipettiert den Überstand (die klare braune Lösung) in ein neues Reagenzglas. Dies ist der Ex-trakt.

Es gibt einen wesentlichen Unterschied zwischen Gaschromatographie und Dünnschicht-Chromatographie einerseits und der Säulenchromatographie andererseits. Die ersten beiden sind nämlich im Allgemeinen rein analytische Verfahren, während die Säulenchromatographie ein präparatives Verfahren darstellt.

Aufgabe: Was versteht man unter einem präparativen Trennverfahren?

Welches ist die Tatwaffe?

Bei einem Raubüberfall schlägt der Täter mit einem schweren Metallgegenstand auf das Opfer ein. Bei der Obduktion der Leiche stellt der Forensiker fest, dass dabei seltenes und recht teures Wolf-ramcarbid (Hartmetall) verwendet worden ist. Dieses zeichnet sich, wie der Name schon sagt, durch so enorme Härte aus, dass es einem Diamanten nicht wesentlich nachsteht (Härte auf der Mohs-Skala: 9.5). Wie Diamant kann auch Wolframcarbid deshalb nur durch Schleifen bearbeitet werden.

Man verwendet Wolframcarbid zum Beispiel für professionelle Werkzeuge, für die Kugeln in Kugelschreibern und für die Spitzen teurer Skistöcke.

Wolframcarbid (chemische Formel WC) besteht aus Kohlenstoff und Wolfram. Da Wolfram zu den dichtesten Metallen überhaupt gehört, hat Wolframcarbid, wenn es zu gleichen Teilen aus Kohlenstoff und Wolfram besteht die ausserordentlich hohe Dichte von 15,6 kg/L (mindestens jedoch 14 kg/L).

Abbildung: Die Kristallstruktur von Wolframcarbid

Archimedes war einer der berühmtesten griechischen Denker. Er lebte von 285 bis 212 v.Chr. in der griechischen Stadt Syrakus auf Sizilien. Er hat das Hebelgesetz aufgestellt, Kriegsmaschinen erfunden und die Zahl Pi als erster recht genau berechnet.

Seine bekannteste Entdeckung, nämlich die des Auftriebs, machte er aufgrund seiner Freundschaft mit Hieron II., dem Tyrannen von Syrakus. Hieron wollte wissen, ob eine von einem Goldschmid gefertigte Krone wirklich aus reinem Gold war. Er bat Archimedes, den Goldgehalt der Krone zu überprüfen, ohne sie zu beschädigen. Archimedes dachte mehrere Tage lang über das Problem nach, aber er schien keine Lösung dafür zu finden.

Abbildung: Der Legende nach kam Archimedes die entscheidende Idee in der Badewanne

Eines Nachmittags, als Archimedes gerade ein Bad nahm, bemerkte er plötzlich, dass das Badewas-ser über den Rand der Wanne schwappte. Archimedes erkannte, dass die aus der Badewanne geflossene Wassermenge dem Volumen seines Körpers entsprach. Archimedes lief daraufhin in Gedanken versunken und völlig nackt „Heureka“ (Ich hab's!) rufend durch die Strassen von Syrakus.

Archimedes´ Erkenntnis war sehr zum Schaden des Goldschmieds: Die Krone bestand zum grossen Teil aus unedlem Metall. Hieron bestrafte ihn daraufhin mit dem Tod.

Die Polizei hat zwei Verdächtige festgenommen, beide trugen eine mögliche Tatwaffe auf sich. Diese liegt Dir nun hier im Labor vor. Bestimme deren Dichten mit Hilfe des archimedischen Prinzips und ermittle so, ob eine respektive welche davon aus Wolframcarbid besteht und daher als Tatwaffe in Frage kommt. Entscheide dann, ob der Besitzer der möglichen Tatwaffe 1 oder 2 der Mörder sein kann.

Tipp: Legen Sie zuerst eine bestimmte Menge Wasser im Messzylinder vor.

Notiere die ermittelten Dichten der möglichen Tatwaffen und entscheide, ob deren Besitzer der Mörder sein kann.

Bei einem Überfall auf ein Juweliergeschäft kommt es zu einem Schusswechsel mit der Polizei, die Täter können jedoch entkommen.
Etwas später am Tag wird im Spital ein Mann mit einer Verletzung am Ohr behandelt, die der Arzt richtigerweise als Schussverletzung erkennt, was er der Polizei meldet.

Die Frage ist nun, ob so zufällig einer der Täter gefasst werden konnte, oder ob der Verdächtige, wie er angibt, als Passant von einem Querschläger getroffen wurde.

Abbildung: Solche Masken trugen die Täter

Einen Hinweis hat die Polizei: Mikropartikel, die in der Wunde gefunden wurden. Es muss nun ermittelt werden, worum es sich dabei handelt:

• Beton- oder Glaspartikel, falls die Verletzung von einem Querschläger stammt.
• Mikroplastik von einer der Kunststoff-Masken, mit welcher die Täter vermummt waren

Für die Untersuchung reicht eine Spatelspitze der Probe. Auf einem Stück Alufolie kann man diese auf einer Heizplatte (250°C) erwärmen.

Wie man eine tödliche Injektion nachweisen kann.

Aufgrund von Müdigkeit, Muskelschwäche und Taubheitsgefühlen in Armen und Beinen wird Frau Yonath im Spital untersucht. Man stellt fest, dass ihre Symptome die Folge eines Kaliummangels sind, welchen man in Folge mit einer Infusion von Kaliumchlorid behandelt.

Im gleichen Spitalzimmer liegt im Bett nebenan Frau Kathleen Lonsdale. Die zwei Damen finden heraus, dass sie beide Chemikerinnen sind und unterhalten sich blendend. Doch in der nächsten Nacht stirbt Frau Lonsdale völlig überraschend an einem Herzversagen.

Der Staatsanwalt wird daraufhin aktiv, und lässt untersuchen, ob vielleicht ein Fehler im Spital zu ihrem Tod geführt haben könnte. Sichergestellt wird dabei unter anderem auch die Infusions-Lösung, mit welcher Frau Lonsdale behandelt wurde.

Abbildung: Die verwendete KCl-Lösung.

Eine ausreichende Versorgung mit Kalium (chemisch gesehen handelt es sich dabei natürlich immer um Kalium-Ionen), ist für uns absolut lebensnotwendig. Unterversorgung führt zu vielfältigen, im Extremfall gar tödlichen Mangelerscheinungen. Behandelt wird Kaliummangel durch Tabletten oder Kaliumchlorid-Infusionen.

Allerdings führt auch eine zu hohe Dosis, meist in Form von Kaliumchlorid, zu schweren Nebenwir-kungen wie Herzrhythmusstörungen, bis hin zum Tod durch Herzstillstand. Diese Tatsache nutzt man auch zum Einschläfern von Tieren oder bei der Hinrichtung durch die Giftspritze.

Es gab in Spitälern schon Todesfälle, als Patienten aus Versehen eine Lösung von Kaliumchlorid (KCl) anstelle von Natriumchlor (NaCl) gespritzt wurde.
Dank unterschiedlicher Flammenfarben kann man zum Glück sehr schnell herausfinden, ob eine Lösung Natrium- oder Kalium-Ionen enthält.

Linienspektrum von Natrium:

Linienspektrum von Kalium


Linienspektrum von Kupfer

Die bereitstehende Probe der Infusionslösung soll mittels Vergleich der Flammenfarben untersucht werden. Als Referenz stehen Lösungen von Natriumchlorid, Kaliumchlorid und zum Vergleich auch noch eine Kupferchlorid-Lösung zur Verfügung.

Vorgehen: Um die Flammenfarben zu untersuchen wird jeweils ein weisses Magnesiumstäbchen (Vorsicht, sehr zerbrechlich!) in die entsprechende Lösung getaucht und dann für 10-15 Sekunden in die Gasflamme gehalten.

Die entstehende Flammenfarbe kann nun gut beobachtet werden. Auf diese Weise vergleicht man die Flammenfarben der Infusionslösung mit denjenigen von Natrium, Kalium und Kupfer.

Wie findet man nach einem Unfall mit Fahrerflucht den Täter?

Hinweis: Bearbeite diese Aufgabe erst, wenn Aufgabe 2 (Checkfälscher) schon gelöst wurde.

Ein parkiertes blaues Auto (B) wird von einem roten Fahrzeug angefahren. Der Täter flüchtet. Kurze Zeit später stellt die Polizei zwei Lenker, deren rote Fahrzeuge (R1+R2) Blechschäden aufweisen. Beide bestreiten die Tat. Die Polizei stellt Lackproben sicher.

Am blauen Auto sind rote Lackspuren sichtbar, an den beiden roten Autos sind jedoch keine blauen Spuren erkennbar. Weil jede Automarke ihre eigenen Farben besitzt, kann der Täter auch überführt werden, wenn an seinem Auto keine blauen Lackspuren zu finden sind.

Abbildung: Das beschädigte blaue Auto

Abbildung: Eines der zwei möglichen Täter-Fahrzeuge

Du bist Laborant:in im Polizeilabor und hast den Auftrag, die Lackproben mittels Dünnschicht-Chromatografie (DC) zu untersuchen, um den Täter zu ermitteln. Dazu löst Du die drei Lackproben jeweils in einem separaten Fläschchen in Alkohol auf. Die Durchführung des GC’s überlässt Du Deinem Lehrling. Dieser kann sich nicht vorstellen, wie mit einem Dünnschicht-Chromatogramm (DC) das Problem gelöst werden kann.
 

Prüfe die untenstehenden Aussagen des Lehrlings (Kreuze alle richtigen Aussagen an):

Wie man einen Dopingsünder überführt
 

Hinweis: Es hilft, wenn Kapitel 5 vorher schon gemacht wurde, notwendig ist es jedoch nicht.

An einem Leichtathletik-Meeting in Zürich hat der Schweizer Peter Meier die 100 m in der Rekordzeit von 9.8 Sekunden durchlaufen. Als Sieger wurde er nochmals zur Doping-Nachkontrolle aufgeboten. Sein Urin wurde mittels Gaschromatographie untersucht.

Du arbeitest bei der Dopingbehörde. Die Probe gibst du zur Bestimmung im Gas-Chromatographen (GC) deiner Laborantin. Die Auswertung musst du als Chef/-in selbst vornehmen.

Grundsätzlich funktioniert ein Gaschromatograph, meist kurz als „GC“ bezeichnet, gleich wie ein die Dünnschicht- und Säulenchromatographie.

Wesentliche Unterschiede sind:

• Die Probe muss verdampft werden können
• Es reichen viel kleinere Stoffmengen (Nanogramm-Bereich)
• Die Trennung ist so fein, dass Dutzende oder sogar Hunderte von Stoffen unter-schieden werden können

Man spricht ebenfalls von einer „Trennsäule“, diese ist allerdings ein millimeterdünner, dafür meterlanger, aufgewickelter Schlauch. Sie wird auf bis zu 400°C beheizt.

Die mobile Phase wird von einem Trägergas (z.B. Argon oder Stickstoff) gebildet. Dieses transportiert die Probe durch die Säule.
Die stationäre Phase ist ein Pulver, mit dem die Trennsäule gefüllt ist. Oft handelt es sich dabei um Kieselgel (SiO₂-Pulver), das gleiche Material mit dem auch GC-Plättchen beschichtet sind.
Die zu untersuchende Probe wird mit einer Mikroliter-Spritze vor der Trennsäure in den Gasstrom injiziert.

Die Probe trennt sich nun in die einzelnen Komponenten (Bestandteile) auf, die alle zu unterschiedlichen Zeiten am andern Ende aus der Säule austreten. Dort werden Sie von einem Wärmeleitfähigkeits-Detektor nachgewiesen und als „Peak“ (Mess-Ausschlag) aufge-zeichnet.

Die Zeit vom Einspritzen, bis zum Aufzeichnen einer Komponente bezeichnet man als „Retentionszeit“.

Mit modernen Geräten können Stoffe noch in Konzentrationen von weniger als 10^-8 ppm nachgewiesen werden. Dabei steht ppm für „parts per million“, also Anzahl Teilchen in einer Million.

Häufig sind noch Massenspektrometer nachgeschaltet, sodass man auch Aussagen über die chemische Struktur der einzelnen Bestandteile einer Probe machen kann.

    
Abbildungen
links: Ein Gaschromatogramm von Kaffee-Aroma. Einige der wichtigen Peaks wurden mit dem zugeordneten Aroma beschriftet. 
rechts: Auswertung eines GC’s: Die Retentionszeiten betragen 20 (Propan) resp. 100 Sekunden (Butan).

Bildquelle: Schroedel, „Chemie heute SII“

2.1.    Das Trennprinzip

Die Trennung beruht auf der fortwährenden Einstellung von Verteilungsgleichgewichten. Die einzelnen Stoffe verteilen sich aufgrund ihrer Eigenschaften in einem bestimmten Verhältnis zwischen der festen stationären und der gasförmigen mobilen Phase.

Abbildung: Schematische Darstellung des Vorgangs in der Trennsäule

Wichtig ist folgendes:

• Je länger ein Teilchen im Schnitt in der mobolien Phase ist, desto schneller kommt es vorwärts. Diese unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeiten führen zur chromatografischen Trennung.
• Zur Identifizierung eines einzelnen Stoffes, vergleicht man dessen Retentionszeit t_R mit derjenigen der reinen Vergleichssubstanz (man muss also wissen, was man sucht!).
• Die Fläche unter dem Peak ist proportional zur Stoffmenge eines Stoffes.  Vereinfacht wird sie wie folgt berechnet: Breite in halber Höhe x Peakhöhe (siehe Abb.).
  Achtung: Die Fläche pro Konzentration ist für jeden Stoff anders, muss also immer einzeln bestimmt werden.

Deine Laborantin kann den Gaschromatographen (GC) zwar bedienen, sie ist aber mit der Auswertung noch nicht vertraut. Überlege, worauf sie alles achten muss, damit Du dann die Auswertung (Analyse) vornehmen kannst. Dabei ist wichtig, dass eindeutig bestimmt werden kann, ob Amphetamine oder Anabolika enthalten sind und dass auch die Menge eines allfällig vorhandenen Dopingmittels abgeschätzt werden kann.

Die Laborantin bringt Dir die untenstehenden Gaschromatogramme (GC‘s). Werte diese aus und gib an, ob der Sprinter gedopt war oder nicht.

Abbildungen:
links:    Gaschromatogramm der Urinprobe.
rechts: Referenz-GC, erstellt mit Konzentrationen von 100 ng/mL für Amphetamin, respektive 2500 ng/mL für Anabolika (1 ng = 1 Nanogramm = 1 milliardstel Gramm).

Gesetzliche Grenzwerte:     

• Amphetamin: 25 ng/mL
• Anabolika: kein Grenzwert (immer verboten, unabhängig von der Menge)

Notiere die Retentionszeiten von Amphetamin und Anabolika. Falls der Sportler mit einer der Substanzen gedopt war, so berechne die gemessene Konzentration. Anschliessend starte das Quiz: