Thema: Chemische Analyse von Getränken A) Klausurart

Thema: Chemische Analyse von Getränken
A) Klausurart: Abiturklausur mit experimentellem Anteil (LK bzw. erhöhtes
Anforderungsniveau)
B) Bearbeitungszeit: 300 Minuten
C) Thematischer Bezug:
Redoxreaktionen, Protolysereaktionen, organische
Stoffklassen, Farbstoffe
D) Nötige Fachkenntnisse / Fachmethoden:
 Durchführung und Auswertung von Redoxtitrationen (Iodometrie)
 Rücktitration
 Ermittlung von Oxidationszahlen
 Stöchiometrische Berechnungen
 Organische Stoffklassen incl. Kohlenhydrate
 Formulieren von Protolysereaktionen
 Farbtheorie nach WITT, Wirkung auxochromer und antiauxochromer Gruppen
 Erstellen von Titrationskurven für mehrprotonige Säuren
 Auswertung von Titrationskurven mehrprotoniger Säuren
 Ermittlung von pKs-Werten aus Titrationskurven
 Herstellung von Puffern und Nachweis der Puffereigenschaften
Aufgabenstellung:
Aufgabe 1: Untersuchung von Wein
1.1
Diskutieren Sie mithilfe der Materialien 1 bis 3 den Nutzen aber auch die
Gefahren des Schwefelns von Wein.
1.2
Praktische Aufgabe:
Bestimmen Sie titrimetrisch-iodometrisch den Gehalt an schwefeliger Säure im
Weißwein. Benutzen Sie dazu die in Material 4 gegebenen Hinweise.
Erstellen Sie ein vollständiges Versuchsprotokoll in dem auch die dieser
Bestimmung zugrunde liegenden Redoxreaktionen (Ionenschreibweise)
formuliert werden. Berechnen Sie anschließend, welche Menge an
schwefeliger Säure in einem Liter des untersuchten Weines enthalten sind.
1.3
Beurteilen Sie den von Ihnen ermittelten Messwert unter Einbeziehung von
Material 3 und 5, sowie dem Etikett des verwendeten Weins.
1.4
Außer Ethanol enthält Wein u. a. Ethanal, Milchsäure (2Hydroxypropansäure), Weinsäure (2,3-Dihydroxybutan-1,4-disäure),
Äpfelsäure (2-Hydroxybutan-1,4-disäure) und Traubenzucker (α-D-Glucose).
1.4.1 Stellen Sie die Strukturformeln (LEWIS-Formeln) der Stoffe auf.
1.4.2 Formulieren Sie für die Äpfelsäure die Protolysestufen in wässriger Lösung.
1.4.3 Wegen seines fruchtig-sauren Geschmacks ist Weinsäure häufig in Bonbons
und Brausen enthalten. Wird die in einem Beutel Brausepulver enthaltene
Weinsäuremenge in einem Glas Wasser (0,2 l) gelöst, so erhält man eine
Lösung mit einem pH-Wert von 4,0. Berechnen Sie die Menge an Weinsäure
in Gramm, die in dem Päckchen Brausepulver enthalten ist (pKS1 (Weinsäure)
= 2,48). Die zweite Protolysestufe ist zu vernachlässigen.
1.5
Erklären Sie mithilfe von Material 6 die Umfärbung des Weines unter Angabe
der entsprechenden Strukturformeln des Malvidins. Beziehen Sie Ihre
Kenntnisse über die Farbentheorie nach Witt in Ihre Erklärungen mit ein.
Aufgabe 2: Untersuchung von Cola
2.1
Zeichnen Sie mithilfe der Werte in Material 7 die beiden Titrationskurven in ein
Diagramm. Formulieren Sie anschließend die Protolysegleichgewichte der
Phosphorsäure und ordnen Sie die Protolysestufen der Kurve (Cola, gekocht)
zu.
2.2
Begründen Sie den unterschiedlichen Verlauf der beiden Kurven.
2.3
Berechnen Sie, wie viel Gramm Phosphorsäure sich in einem Liter Cola
befinden. Strukturieren und erläutern Sie Ihren Lösungsweg nachvollziehbar.
2.4
Bestimmen Sie aus der Titrationskurve die Säurekonstante (pKS2) der
Phosphorsäure. Erläutern Sie in diesem Zusammenhang die chemischen
Grundlagen der Ableitung von pKS-Werten aus Titrationskurven. Weshalb ist
es nicht möglich, die erste Säurekonstante der Phosphorsäure mithilfe der
Titrationskurve exakt zu bestimmen?
2.5
Ein Student soll eine Phosphat-Pufferlösung mit dem pH-Wert von 7,6
herstellen. Definieren Sie den Begriff Puffer und entwickeln Sie unter
Verwendung der Titrationskurve der ausgekochten Cola-Lösung eine
Vorschrift zur Herstellung einer solchen Pufferlösung. Weisen Sie die
Pufferwirkung theoretisch durch Berechnung nach.
Materialien
Material 1: Sulfite im Wein
Um Wein längere Zeit lagern zu können, wird er seit alters her durch Verbrennen von
elementarem Schwefel in den Fässern oder Zusatz von Disulfiten geschwefelt. So wirkt
Schwefeldioxid bzw. die schwefelige Säure, die sich in wässriger Lösung bildet, u. a.
keimtötend, verhindert das Braunwerden, stoppt unerwünschte Enzymreaktionen, lässt
Ethanal nicht zu Ethansäure oxidieren, indem die entsprechende -Hydroxysulfonsäure
gebildet wird. (aus Kitzingers großes Weinhandbuch, Aarau, 1976)
Material 2: Schwefeldioxid als Reizgas
Bei höheren Konzentrationen ab 10 mg/m³ in der Luft reizt Schwefeldioxid unsere Atemwege
und führt zur Kontraktion der Bronchienmuskulatur. Wird es in hoch dosierter Form von
Sulfiten (über 1 g) über Lebensmittel aufgenommen, so gelangt es in den Magen. Dort wird
aufgrund des niedrigen pH-Wertes Schwefeldioxid frei, welches zu Kopfschmerzen, Durchfall
durch Reizung der Darmschleimhaut, aber auch zu Atemnot und Hustenreiz führen kann.
Auffällig ist, dass nicht alle Menschen gleich auf Sulfite bzw. Schwefeldioxid reagieren. Die
allerdings in jüngster Zeit häufig mit Sulfiten in Verbindung gebrachte „Sulfit-Allergie“ ist eine
Erfindung der Medien und toxikologisch nicht haltbar. Bisher gibt es keinen Beleg dafür, dass
ein allergisches Asthma durch Sulfit bzw. Schwefeldioxid entstehen kann. Wohl aber kann,
wie oben beschrieben, Schwefeldioxid bei Asthmatikern einen Asthmaanfall auslösen, stellt
jedoch nicht die Ursache einer Allergie dar.
Die genauen Mechanismen der physiologischen Wirkung von Schwefeldioxid sind bisher
nicht hinreichend bekannt. Als gesichert gilt, dass Schwefeldioxid verschiedene Vitamine der
B-Gruppe (B1 und Folsäure) zerstört, sodass es zu einem Mangel an B-Vitaminen kommen
kann. Unser Stoffwechsel ist auf den Abbau von Schwefeldioxid und Sulfiten jedoch gut
vorbereitet, denn beim Abbau von schwefelhaltigen Aminosäuren entstehen Sulfite. Diese
werden durch oxidierende Enzyme zu Sulfaten oxidiert, die ihrerseits über den Harn
ausgeschieden werden. Die mit der Nahrung bzw. durch Luftverschmutzung
aufgenommenen Mengen an Sulfiten sind weitaus größer als die Mengen, die durch den
Genuss von Trockenobst oder von Wein dem Körper zugeführt werden.
(aus: Sieve, B. (2009): Schwefeldioxid als Konservierungsmittel. PdN-ChiS, 2, S. 45 – 48)
Material 3: Sulfitfreie Weine
Unter normalen Bedingungen produzieren die im Weinbau verwendeten Hefen während des
Gärvorgangs geringe Mengen an Sulfiten (etwa 30 mg/l). Streng genommen gibt es daher
kein „schwefelfreien“ Weine, nur solche, denen zusätzlich keine Sulfite zugesetzt wurden.
Weine, die nach dem November 2005 abgefüllt wurden, müssen durch den Hinweis „enthält
Sulfit“ gekennzeichnet sein, wenn ihr Sulfitgehalt mehr als 10 mg/l (umgerechnet auf
Schwefeldioxid) beträgt.
Folgende Höchstmengen gelten generell in der EU (Aktualisierung vom 01.08.2010):
Weine mit einem Restzuckergehalt unter 5 g/l: trockene Weine
 Rotwein (alle Qualitätsstufen)
150 mg/l
 Übrige Weine (alle Qualitätsstufen)
200 mg/l
Weine mit einem Restzuckergehalt über 5 g/l: halbtrockene und liebliche Weine
 Rotwein (alle Qualitätsstufen)
200 mg/l
 Übrige Weine
Tafel-, Land-, Qualitätswein, Kabinett
250 mg/l
Spätlese
350 mg/
Beerenauslese, Trockenbeerenauslese, Eiswein 400 mg/l
Weine mit der Kennzeichnung „Für Diabetiker geeignet“: 150 mg/l
(nach: Sieve, B. (2009): Schwefeldioxid als Konservierungsmittel. PdN-ChiS, 2, S. 45 – 48)
Material 4:
Folgende Materialien stehen zur Verfügung:
Messzylinder 100 ml, Messpipette 10 ml, Pipettierhilfe bzw. Peleusball, Erlenmeyerkolben,
Bürette, Rührgerät mit Rührstäbchen,
Weißwein (z. B. Mosel-Rivaner, Jahrgang 2009, trocken), Iodlösung c(I2) = 0,05 mol/l,
Stärkelösung, Natriumthiosulfatlösung c(Na2S2O3) = 0,05 mol/l
Anweisung zur Herstellung der Probelösung:
1. Pipettieren Sie 50 ml Weißwein in einen Erlenmeyerkolben.
2. Fügen Sie 10 ml Iodlösung hinzu und tropfen Sie einige Tropfen (z. B. 6) Stärkelösung
hinzu.
(nach: Sieve, B. (2009): Schwefeldioxid als Konservierungsmittel. PdN-ChiS, 2, S. 45 – 48)
Material 5: Anmerkungen zum Verfahren der Sulfitbestimmung im Wein
[...] Einschränkend muss gesagt werden, dass man durch dieses Verfahren nicht nur die im
Wein enthaltene Menge an Schwefeldioxid bestimmt, sondern die Gesamtmenge an Iod
reduzierenden Substanzen, den so genannten Reduktonen. Dies gilt speziell für Rotweine
aber auch für Weißweine mit Zusatz von Vitamin C.
Um die Konzentration an Sulfit im Wein hinreichend genau zu bestimmen, müssen nach
TANNER und BRUNNER zunächst iodometrisch alle Reduktone bestimmt werden. Durch
Binden der freien Sulfite mit Glyoxal- bzw. Propanallösung und erneute iodometrische
Titration erhält man aus der Differenz beider Werte die Konzentration an freiem Sulfit. [...]
(nach: Sieve, B. (2009): Schwefeldioxid als Konservierungsmittel. PdN-ChiS, 2, S. 45 – 48)
Material 6:
Weine, insbesondere Rotweine, enthalten phenolische Substanzen, die so genannten
Polyphenole. Dies sind wasserlösliche, meist intensiv gefärbte Verbindungen mit mehreren
Hydroxygruppen am aromatischen Ring. Beispiele solcher Polyphenole sind die
Anthocyanidine.
Diese besitzen die gleiche Grundstruktur, wie
sie in der nebenstehenden Abbildung zu sehen
ist. Die Farbvariationen kommen durch die
unterschiedlichen Substituenten R und R´
sowie durch die Zuckerreste zustande, mit
denen Sie in den Pflanzenzellen über eine
glykosidische
Bindung
verknüpft
sind.
Polyphenole spielen in der Ernährung des
Menschen eine wichtige Rolle. So sollen sie
Herzund
Kreislauferkrankungen
und
bestimmten
Krebsarten
prophylaktisch
entgegenwirken und als Antioxidantien vor der Schädigung durch freie Radikale schützen.
In Rotwein kommt das Anthocyanidin Malvidin vor. Als Reste R bzw. R´ sind jeweils –OCH3Gruppen im Molekül vorhanden. Der Farbstoff liegt aufgrund des niedrigen pH-Wertes des
Weins als Malvidin-Kation vor, welches u. a. für die rote Farbe des Weines verantwortlich ist.
Leitet man nun die Dämpfe aus einer konzentrierten Ammoniaklösung durch den Rotwein, so
verändert sich die Farbe des Weines von Rot über violett zu blau.
Material 7:
John PEMBERTON, ein Apotheker aus Georgia, erfand 1885 das Rezept für seine
French Wine Coca-Cola. Dieses Getränk enthielt neben dem Stimulans und
Suchtmittel Kokain auch Alkohol und wurde zunächst als Mittel gegen
Kopfschmerzen verkauft und nicht als Erfrischungsgetränk. Heute enthält Coca-Cola
kein Kokain mehr. Statt dessen ist heute ein koffeeinhaltiger Extrakt der Cola-Nuss
als Wirkstoff enthalten. Daneben enthält jedes Cola-Getränk eine bestimmte Menge
an Phosphorsäure, Farbstoffen, Zucker sowie gelöstes Kohlenstoffdioxid
(Kohlensäure).
Mit einem Cola-Getränk wurde folgender Versuch durchgeführt: 50 ml eines ColaGetränks werden für 15 Minuten gekocht. Danach wurden 50 ml des ausgekochten
Getränks und 50 ml des frischen Getränks mit Natronlauge (c = 0,1 mol/l) unter
Verwendung eines pH-Meters titriert. Man erhielt folgende Messergebnisse:
V (NaOH, aq) 0
ml
1
2
2,5 3
4
5
6
7
8
9
10
12
14
16
18
20
25
30
pH (Cola,
gekocht)
2,7 2,8 3,1 4,0 5,7 6,7 7,4 8,1 9,7 10,3 10,7 10,9 11,2 11,4 11,6 11,7 11,8 12,2 12,3
pH (Cola,
frisch)
2,7 2,8 3,1 4,0 5,0 5,4 5,7 6,0 6,1 6,3
6,5
6,7
7,0
7,1
7,7
8,7
9,5
10,6 11,1
(Quelle: Asselborn, W., Jäckel, M., Risch, K.T.: Chemie heute Lehrermaterialien Teil 1, Schroedel,
1998)
Erwartungshorizont:
Aufg.
Erwartete Schülerleistungen
1.1
Kommunikation / Reflexion - Analyse der Materialien: Herausstellen der
Bedeutung des Schwefelns für die Weinbereitung sowie der
Gesundheitsgefahren, die von Schwefeldioxid ausgehen. Relativierung des
Gefährdungspotenzials in Bezug auf das Schwefeln von Wein.
Fachmethoden: Durchführung der Titration, anfertigen eines vollständigen
Versuchsprotokolls (Versuchsüberschrift, Materialien, Durchführung,
Beobachtung und Deutung) mit Angabe des Analyseprinzips (Rücktitration
/ Iodometrie) und der entsprechenden Redoxreaktionen:
Ox: SO32- + 2 H+ + H2O  SO42- + 4 H+ + 2 eRed: I2 + 2 e-  2 II2 liegt im Überschuss vor, Rücktitration mit Thiosulfat:
2 S2O32- + I2 (Rest)  S4O62- + 2 IAuswertung: Iod und Thiosulfat reagieren im Stoffmengenverhältnis 1:2
>> 1 ml Thiosulfat-Lösung zeigt ½ ml unverbrauchte Iod-Lösung an.
Verbrauch an Thiosulfat-Lösung (c = 0,05 mol/l): 3,6 ml >> 1,8 ml
unverbrauchte Iodlösung (c = 0,05 mol/l)
Verbrauch an Iodlösung: 10 ml – 1,8 ml = 8,2 ml Verbrauch an Iodlösung
>> n = c * V >> n(I2, verbraucht) = 0,05 mol/l * 8,2 ml = 0,00041 mol I2
Iod und Sulfit-Ionen reagieren im Stoffmengenverhältnis 1:1 >> in der
Probe waren 0,00041 mol Sulfit-Ionen bzw. schwefelige Säure enthalten.
c(schwefelige Säure) = n/V >> 0,00041 mol/0,05 l = 8,2 mmol/l Wein
Diese Konzentration entspricht 0,672 g schwefelige Säure in einem Liter
des Weins (M = 82 g/mol).
Kommunikation / Reflexion: Beurteilung des Messwertes. Der erhaltene
Wert entspricht nicht der Massenkonzentration an schwefeliger Säure,
sondern dem Gehalt an Reductonen. Eine Einschätzung darüber, ob ein
Grenzwert überschritten ist, ist nicht möglich.
Fachmethoden: Angabe der Strukturformeln (LEWIS-Formeln); bei
Glucose sind die HAWORTH-Formel und die FISCHER-Projektion zu
werten.
Fachmethoden: Protolysestufen der Äpfelsäure in Wasser formulieren.
Fachmethoden: pH-Wert-Berechnung der Weinsäure
Ableitung der Säurestärke aus dem pKs1-Wert (mittelstarke Säure);
Formulierung des Ausdrucks für die Säurekonstante mit c(H3O+) =
c(Hydrogentartrat) = 10-4 mol/l (aus pH-Wert = 4); c(Weinsäure) =
c0(Weinsäure) – c
Einsetzung: Ks = c²/c0-c; Umformung: c0 (Weinsäure) = c² + Ks*c/Ks
>> c0 (Weinsäure) = 0,03 mol/l
In 200 ml sind das 0,006 mol Weinsäure; M (Weinsäure) = 150 g/mol.
In einem Päckchen Brausepulver sind 0,9 g Weinsäure enthalten.
Fachmethoden: Erkennen der alkalischen Reaktion des AmmoniakDampfes, sachlich richtige Formulierung der Strukturformeln des MalvidinKations, der Malvidin-Base sowie des Malvidin-Anions; Knüpfung des
Bezugs zwischen der Farbigkeit der verschiedenen Stoffen und dem pHWert (Kation: sauer, Base: neutral; Anion: alkalisch), Erklärung der
Ursachen der Farbveränderungen durch die bathochrome
Farbverschiebung im alkalischen Bereich aufgrund des +M-Effekts des
Sauerstoff-Anions.
Fachmethoden / Kommunikation: Zeichnung der Titrationskurven,
sachgerechte Formulierung der drei Protolysestufen; Zuordnung der
Protolysestufen zur Titrationskurve.
Fachmethoden: Auswertung von Titrationskurven
Erklärung des unterschiedlichen Verlaufs unter Einbeziehung der in
ungekochter Cola noch vorhandenen Kohlensäure (gelöstes CO 2) und der
dadurch erfolgenden pH-Wert-Absenkung; Pufferung durch das
Puffersystem HCO3- / CO32-.
1.2
1.3
1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.5
2.1
2.2
Bewertung
AB AB AB
I
II
III
4
10
3
10
4
5
1
2
2
4
2
3
5
7
5
7
4
2.3
2.4
2.5
Fachmethoden: Berechnung der Phosphorsäuremenge in 1 Liter Cola
Verwendung der Daten des 1. Äquivalenzpunktes, da hier der pH-Sprung
am größten ist; am ersten Äquivalenzpunkt gilt: n(OH-) = n(H2PO4-) =
n(H3PO4); Anwendung der Neutralisationsgleichung; Einsetzen der Werte:
V(NaOH) bis zum ersten Äquivalenzpunkt = 2,8 ml; >> c(H3PO4) = 5,6
mmol/l
Berechnung der Masse an Phosphorsäure durch m = n * M >> m(H3PO4) =
0,55 g/l
Fachmethoden: Ermittlung von pKs2 der Phosphorsäure: Nennung und
Anwendung der Puffergleichung (HENDERSON-HASSELBALCHGleichung) für den Halbäquivalenzpunkt (Wendepunkt der Kurve) der 2.
Protolysestufe; dann gilt: pH = pKs2, da c(H2PO4-) = c(HPO42-) ist; grafische
Ermittlung des pH-Wertes am Halbäquivalenzpunkt >> pH = pKs2 = 7,2.
Bestimmung von pKs1 ist nicht ohne weiteres möglich, da die mittelstarke
Phosphorsäure keinen Pufferbereich bezüglich der ersten Protolysestufe
aufweist; keine Anwendung der Puffergleichung möglich; alternative
Berechnung über den Protolysegrad liefert eine Näherung (Werte sind zu
hoch), da dies nur bei einprotonigen Säuren exakte Werte liefert.
Fachmethoden: Herstellen von Puffern
Angabe der Pufferdefinition; Vorschrift: Äquimolarität von
Hydrogenphosphat- und Dihydrogenphosphat liefert Puffer im Bereich von
pH = 7,2 (vgl. Puffergleichung); Abweichung von der Äquimolarität ist nötig,
Bestimmung des Konzentrationsverhältnisses Hydrogenphosphat /
Dihydrogenphosphat über die Puffergleichung >> Stoffmengenverhältnis
Hydrogenphosphat : Dihydrogenphosphat = 2,5 : 1; Prüfung der
Puffereigenschaften durch Zugabe von Säuren bzw. Basen durch
Berechnung und Vgl. mit einer ungepufferten Lösung.
Summe der Punkte in den Anforderungsbereichen
Prozentuale Verteilung
2
5
3
4
2
2
4
4
33
49
22
32
47
21